JP2012170304A - Dc/dc voltage converter - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a DC/DC voltage converter which can adjust a voltage between a primary side voltage and a secondary side voltage to step-up and step-down even upon power running operation and regeneration operation while efficiency is improved and output power capacity is increased compared to a conventional DC/DC voltage converter and which secures miniaturization and weight saving.SOLUTION: The DC/DC voltage converter includes: a conversion main circuit 2 having field effect transistors FET1 to FET4 consisting of semiconductor materials of a wid band gap, an inductor L, an energy moving capacitor C0 and smoothing capacitors C1 and C2; and a control unit transferring power in both direction between the primary side and the secondary side and converting the DC voltage of step-up/down by turning on/off the FET1 to FET4 by a switching frequency which is not less than an upper limit of an audible frequency and controlling on-duty of the respective FETs so that a pair of the FETs in respective groups have a complementary relation where ON/OFF become opposite with the FET1 and FET4, and the FET2 and FET3 as the groups.

Description

本発明は、一次側と二次側の間で双方向に電力を授受させつつ、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電圧変換装置に関するものである。   The present invention relates to a DC / DC voltage converter that converts a DC voltage into a DC voltage that is stepped up or stepped down while power is being exchanged bidirectionally between a primary side and a secondary side.

従来から、直列接続した半導体スイッチ素子のスイッチオン、スイッチオフ動作を利用して、インダクタへのエネルギの蓄積、放出とエネルギ移行用キャパシタの充電、放電との動作を組み合わせ、直流から直流への電圧変換を行う装置が用いられている(特許文献1、非特許文献1)。
これは、半導体スイッチ素子およびこれと逆並列に整流素子を接続したパワーデバイスを、同時には半数のパワーデバイスのみオン状態(半導体スイッチ素子ならばスイッチオン、整流素子ならば順バイアス)とするものであって、個々のパワーデバイスの耐電圧を低く設定することができる。このため、耐電圧が高いことに起因して各パワーデバイスの導通損失が増加してしまうのを抑えつつ、DC/DC電圧変換装置の取り扱い電圧を高電圧に設定可能である。
Conventionally, by using the switch-on and switch-off operations of series-connected semiconductor switch elements, the operation of accumulating energy in the inductor, discharging and charging the energy transfer capacitor, and discharging is combined to produce a voltage from DC to DC. An apparatus that performs conversion is used (Patent Document 1, Non-Patent Document 1).
This is a semiconductor switch element and a power device in which a rectifier element is connected in anti-parallel to this, and at the same time, only half of the power devices are turned on (switch-on for semiconductor switch element, forward bias for rectifier element). Thus, the withstand voltage of each power device can be set low. For this reason, the handling voltage of the DC / DC voltage converter can be set to a high voltage while suppressing an increase in conduction loss of each power device due to the high withstand voltage.

ここで、商用交流電源(AC100V、AC200V)を整流した後の電圧を変換するDC/DC電圧変換装置や、およそ100Vから1,000Vの範囲の電圧を変換する出力電力容量が4kW程度以上のDC/DC電圧変換装置には、パワーデバイスとして主に半導体スイッチ素子にはSi(珪素)を材料としたIGBT(絶縁ゲート バイポーラ トランジスタ:Insulated Gate Bipolar Transistor)が、また、整流素子には同じくSiを材料としたPINダイオードが用いられている。
このようなDC/DC電圧変換装置は、直流を交流に変換するインバータと組み合わせてシステムが構成される場合があり、例えば、図31に示すハイブリッド自動車や電気自動車の電気駆動システム、図32に示す太陽光発電用の電力変換システム、エアーコンディショナ等の電力変換システムが挙げられる。
Here, a DC / DC voltage converter for converting the voltage after rectifying a commercial AC power supply (AC100V, AC200V), or a DC having an output power capacity of about 4 kW or more for converting a voltage in the range of about 100V to 1,000V. / DC voltage converters, IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) made of Si (silicon) as a power device, mainly as semiconductor devices, and Si as materials for rectifiers PIN diodes are used.
Such a DC / DC voltage conversion device may be configured in combination with an inverter that converts direct current into alternating current. For example, an electric drive system for a hybrid vehicle or an electric vehicle shown in FIG. Examples include a power conversion system for photovoltaic power generation and a power conversion system such as an air conditioner.

図31の電気駆動システムは、DC/DC電圧変換装置1の一次側端子P1、N1にニッケル水素電池やリチウムイオン電池、燃料電池などの直流電源となる電池41を、二次側端子P2、N2にインバータ51a、51bを接続している。更に、インバータ51aには回転電機52aが、インバータ51bには回転電機52bがそれぞれ接続されている。回転電機52a、52bは車両の駆動力源となる。
DC/DC電圧変換装置1は、一次側の電池41の電圧をDC/DC電圧変換して二次側のインバータ51a、51bに供給する。インバータ51aは回転電機52aと、インバータ51bは回転電機52bとそれぞれ交流電力を授受する。
The electric drive system shown in FIG. 31 includes a battery 41 serving as a DC power source such as a nickel metal hydride battery, a lithium ion battery, or a fuel cell at the primary side terminals P1 and N1 of the DC / DC voltage converter 1, and the secondary side terminals P2 and N2. Are connected to inverters 51a and 51b. Further, the rotary electric machine 52a is connected to the inverter 51a, and the rotary electric machine 52b is connected to the inverter 51b. The rotating electrical machines 52a and 52b serve as a driving force source for the vehicle.
The DC / DC voltage conversion apparatus 1 converts the voltage of the battery 41 on the primary side into a DC / DC voltage and supplies it to the inverters 51a and 51b on the secondary side. The inverter 51a exchanges AC power with the rotary electric machine 52a, and the inverter 51b exchanges AC power with the rotary electric machine 52b.

図32の太陽光発電用電力変換システムは、DC/DC電圧変換装置1の一次側端子P1、N1に太陽電池42を、また、二次側端子P2、N2にインバータ51cを接続している。インバータ51cは、フィルタ6を介して商用交流電源7に接続しており、DC/DC電圧変換装置1は一次側の太陽電池42の発電電圧をDC/DC電圧変換して二次側のインバータ51cに供給する。インバータ51cは、直流電圧を所定の商用交流電圧の振幅、周波数にDC/AC変換して商用電力系統に供給する。
これらシステムに用いられるDC/DC電圧変換装置は、電源の状態(例えば、太陽光発電システムの太陽電池の光の照射量)や負荷の状態(例えば、ハイブリッド自動車の電気駆動システムの回転電機の回転速度)に応じて、変換する電圧の比率を調整し、その出力電圧をコントロールしている。
In the photovoltaic power generation power conversion system of FIG. 32, the solar cell 42 is connected to the primary side terminals P1, N1 of the DC / DC voltage converter 1, and the inverter 51c is connected to the secondary side terminals P2, N2. The inverter 51c is connected to the commercial AC power supply 7 through the filter 6, and the DC / DC voltage converter 1 converts the generated voltage of the primary solar cell 42 into a DC / DC voltage to convert it to a secondary inverter 51c. To supply. The inverter 51c converts the DC voltage into a predetermined commercial AC voltage amplitude and frequency, and supplies it to the commercial power system.
The DC / DC voltage converter used in these systems is a power supply state (for example, the amount of light irradiation of a solar cell of a solar power generation system) or a load state (for example, rotation of a rotating electric machine of an electric drive system of a hybrid vehicle). The ratio of the voltage to be converted is adjusted according to the speed), and the output voltage is controlled.

特開昭62−53171号公報JP-A-62-53171

三菱電機技報 Vol.61 1987年 No.2Mitsubishi Electric Technical Report Vol. 61 1987 No. 2

しかしながら、上記した従来のDC/DC電圧変換装置において、次のような3つの課題があった。
第1に、一次側から二次側へ電力を送り込む力行動作時には、二次側電圧を一次側電圧よりも高く調整する昇圧動作はできるものの、二次側電圧を一次側電圧よりも低く調整する降圧動作は不可であり、昇降圧動作を同時には行えなかった。また、二次側から一次側へ電力を回収する回生動作時にも、一次側電圧を二次側電圧よりも低く調整する降圧動作(一次側から見れば昇圧動作)はできるものの、一次側電圧を二次側電圧よりも高く調整する昇圧動作は不可であり、昇降圧動作を同時には行えなかった。
これは、例えば、一次側に充電可能な電池を接続し、二次側に発電動作をおこなう電気機器を接続して、二次側から一次側に電力を送って電池を充電しようとする場合に、二次側の電気機器の発電電圧が比較的高くなければ一次側の電池を充電する際の損失が大きくなり、エネルギの利用効率が低下してしまうという不都合を生じる。
However, the above-described conventional DC / DC voltage converter has the following three problems.
First, during a power running operation that sends power from the primary side to the secondary side, the secondary side voltage is adjusted to be lower than the primary side voltage, although a boosting operation that adjusts the secondary side voltage higher than the primary side voltage can be performed. The step-down operation is not possible, and the step-up / step-down operation cannot be performed simultaneously. Also, during the regenerative operation that recovers power from the secondary side to the primary side, although the step-down operation (step-up operation as seen from the primary side) that adjusts the primary side voltage lower than the secondary side voltage is possible, the primary side voltage The step-up operation to adjust higher than the secondary side voltage is impossible, and the step-up / step-down operation cannot be performed simultaneously.
This is the case when, for example, a rechargeable battery is connected to the primary side, an electric device that performs power generation operation is connected to the secondary side, and power is sent from the secondary side to the primary side to charge the battery. If the power generation voltage of the secondary-side electric device is not relatively high, the loss in charging the primary-side battery is increased, resulting in a disadvantage that the energy use efficiency is lowered.

第2に、高い出力電力容量を得ようとすれば、各要素の発生損失やその冷却手段等の関係から装置が大型重量化するという課題があった。発生損失が大きい要素として、パワーデバイスが挙げられる。パワーデバイスである半導体スイッチ素子と整流素子の発生損失には、それぞれ次の成分がある。
半導体スイッチ素子には、スイッチオンでの電流導通時のオン抵抗分による導通損失とスイッチング損失が生じる。スイッチング損失は、スイッチオフからスイッチオンへの切替わり(ターンオン)、スイッチオンからスイッチオフへの切替わり(ターンオフ)時の過渡的な立上り、立下り変化における半導体スイッチ素子の両端の電圧と導通電流の積の時間積分である。
Secondly, if a high output power capacity is to be obtained, there is a problem that the apparatus becomes large and heavy due to the loss of each element and the cooling means. A power device is mentioned as an element with a large generation loss. The generated losses of the semiconductor switch element and the rectifying element, which are power devices, have the following components, respectively.
In the semiconductor switch element, a conduction loss and a switching loss due to an ON resistance at the time of current conduction when the switch is on are generated. Switching loss is the voltage and conduction current across the semiconductor switch element during transitional rise and fall when switching from switch-off to switch-on (turn-on) and switching from switch-on to switch-off (turn-off). Is the time integral of the product of

また、整流素子には、順方向導通時のオン抵抗分による導通損失と逆回復時の逆回復損失が生じる。逆回復損失は、逆回復動作での過渡的な立上り、立下り変化における整流素子の両端電圧と逆回復電流の積の時間積分である。
このように、半導体スイッチ素子のスイッチング損失と整流素子の逆回復損失はスイッチングのタイミングで生じるものであり、スイッチング周波数に比例し、このスイッチング周波数の増大は、パワーデバイスの損失増大に結びつき冷却手段を大型化する。
スイッチング周波数が一定の場合、スイッチング損失を下げるためには、スイッチングの速度を速くすれば良いものの、これはパワーデバイスに導通する電流の変化速度を高めることから、パワーデバイスの電流導通路の配索導体に寄生するインダクタンス成分Lsによって大きなサージ電圧が生じることになり、パワーデバイスやキャパシタに高電圧がかかり、損傷する懸念がある。
Further, the rectifier element has a conduction loss due to an ON resistance during forward conduction and a reverse recovery loss during reverse recovery. The reverse recovery loss is the time integration of the product of the voltage across the rectifier element and the reverse recovery current in transitional rising and falling changes in the reverse recovery operation.
As described above, the switching loss of the semiconductor switching element and the reverse recovery loss of the rectifying element are generated at the timing of switching, and are proportional to the switching frequency. The increase in the switching frequency leads to the increase in the loss of the power device and the cooling means. Increase in size.
If the switching frequency is constant, the switching speed can be reduced to reduce the switching loss. However, this increases the rate of change of the current conducted to the power device. A large surge voltage is generated by the inductance component Ls parasitic to the conductor, and there is a concern that a high voltage is applied to the power device and the capacitor, resulting in damage.

第3に、DC/DC電圧変換装置全体の容積や重量において、金属材料を用いる冷却ヒートシンクやインダクタが多くを占めているため、装置が大型重量化するという課題がある。
DC/DC電圧変換装置が高い出力電力容量を得ようとすれば、パワーデバイスの発生損失の増加に連れてパワーデバイスの半導体接合部温度が上昇するのを和らげるために、冷却ヒートシンクを大型化する必要がある。
また、出力電力容量が増すとインダクタの導通電流も増えるのに対し、大電流にてもインダクタのコアが磁気飽和せず所望のインダクタンス値を得るためには磁路の断面積を増すようコアを大型化し、また、インダクタの巻線の発熱増加を抑えるためには巻線の断面積を増して巻線の抵抗を下げる必要がある。
これら冷却ヒートシンクやインダクタは金属材料を多量に用いるが故に、樹脂材料と比較して相対的に比重が高く、重量が嵩むことへの影響が大きい。
Thirdly, in the volume and weight of the entire DC / DC voltage conversion device, a cooling heat sink and an inductor using a metal material occupy a large amount, so that there is a problem that the device becomes large in weight.
If the DC / DC voltage converter attempts to obtain a high output power capacity, the cooling heat sink is enlarged in order to mitigate the rise in the semiconductor junction temperature of the power device as the power device loss increases. There is a need.
In addition, as the output power capacity increases, the conduction current of the inductor also increases.On the other hand, the core of the inductor does not saturate even at a large current, and the core is increased to increase the cross-sectional area of the magnetic path in order to obtain a desired inductance value. In order to increase the size and suppress the increase in heat generation of the inductor winding, it is necessary to increase the cross-sectional area of the winding and reduce the resistance of the winding.
Since these cooling heat sinks and inductors use a large amount of metal material, they have a relatively high specific gravity compared to the resin material and have a great influence on the weight.

この発明は、以上のような従来の課題を同時に解決するためになされたものであり、従来のDC/DC電圧変換装置と比較して効率の改善と出力電力容量の増大を達成しつつ、力行動作時と回生動作時の何れも、一次側電圧と二次側電圧の間を昇圧にも降圧にも調整可能であって、更に、小型化、軽量化を確保したDC/DC電圧変換装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described conventional problems at the same time, and achieves improved efficiency and increased output power capacity as compared with conventional DC / DC voltage converters, while powering. A DC / DC voltage converter that can adjust between the primary side voltage and the secondary side voltage for both step-up and step-down both during operation and during regenerative operation. The purpose is to provide.

この発明に係るDC/DC電圧変換装置は、変換主回路と制御ユニットとを備え、一次側と二次側との間で双方向に電力を授受して昇降圧の直流電圧変換を行うDC/DC電圧変換装置であって、
主変換回路は、一次側の正極側端子と負極側端子との間に接続され一次側の電圧を平滑する一次側平滑キャパシタと、二次側の正極側端子と負極側端子との間に接続され二次側の電圧を平滑する二次側平滑キャパシタと、エネルギの蓄積、放出を行うエネルギ移行用キャパシタおよびインダクタと、オンオフのスイッチング動作と逆方向導通動作とが可能な半導体ユニットを2n(nは2以上の整数)個互いに直列に接続して一次側の正極側端子と二次側の負極側端子との間に接続してなるパワーモジュールとを備え、
一次側の負極側端子は二次側の正極側端子に接続され、
制御ユニットは、2n個の半導体ユニットを2個で一対となるn個の組に分け、各組を構成する一対の半導体ユニットのオンオフが互いに反対となる相補の関係を持つように、かつ、インダクタに流れる電流の交流成分が半導体ユニットをオンオフ制御するスイッチング周波数のn倍となるように制御し、
エネルギ移行用キャパシタは、半導体ユニットの内、一次側の正極側端子に直接接続される半導体ユニットと二次側の負極側端子に直接接続される半導体ユニットとを除いて、各組の一対の半導体ユニットにおける、一次側の正極側端子に最も近い端子と二次側の負極側端子に最も近い端子との間に接続し、
インダクタは、一対の半導体ユニットであって互いに直接接続されるものの当該接続点と一次側の負極側端子との間に接続するようにしたものである。
A DC / DC voltage conversion apparatus according to the present invention includes a conversion main circuit and a control unit, and performs DC voltage conversion of a step-up / down voltage by bidirectionally transferring power between a primary side and a secondary side. A DC voltage converter,
The main converter circuit is connected between the primary side positive side terminal and the negative side terminal and is connected between the primary side smoothing capacitor for smoothing the primary side voltage and the secondary side positive side terminal and the negative side terminal. The secondary side smoothing capacitor for smoothing the secondary side voltage, the energy transfer capacitor and inductor for storing and releasing energy, and the semiconductor unit capable of on / off switching operation and reverse conduction operation are provided with 2n (n Is an integer greater than or equal to 2) power modules connected in series with each other and connected between the positive terminal on the primary side and the negative terminal on the secondary side,
The negative side terminal on the primary side is connected to the positive side terminal on the secondary side,
The control unit divides 2n semiconductor units into two pairs of n pairs, and has a complementary relationship in which the on / off of the pair of semiconductor units constituting each pair is opposite to each other, and the inductor Control so that the alternating current component of the current flowing through the semiconductor unit is n times the switching frequency for controlling the on / off of the semiconductor unit,
The energy transfer capacitor includes a pair of semiconductors in each set, except for a semiconductor unit directly connected to a primary positive electrode terminal and a semiconductor unit directly connected to a secondary negative electrode terminal. Connect between the terminal closest to the primary positive terminal on the unit and the terminal closest to the secondary negative terminal on the unit,
The inductor is a pair of semiconductor units that are directly connected to each other, and is connected between the connection point and the negative electrode terminal on the primary side.

この発明に係るDC/DC電圧変換装置は、以上のように、特にその制御ユニットが、2n個の半導体ユニットを2個で一対となるn個の組に分け、各組を構成する一対の半導体ユニットのオンオフが互いに反対となる相補の関係を持つように、かつ、インダクタに流れる電流の交流成分が半導体ユニットをオンオフ制御するスイッチング周波数のn倍となるように制御する。
従って、インダクタに流れる電流の周波数がスイッチング周波数の2倍以上に増大し、その交流成分(リップル成分)が低減するか、または、その必要なインダクタンスを低減することができ、いずれにしろ、インダクタの損失低減、小型化、それに伴う冷却ヒートシンクの小型化が実現する。
また、一次側から二次側に電力を供給する力行動作時と二次側から一次側に電力を供給する回生動作時のいずれの場合にも、二次側電圧と一次側電圧の間を昇圧、降圧の双方に直流電圧変換する事が可能となる。
In the DC / DC voltage converter according to the present invention, as described above, in particular, the control unit divides 2n semiconductor units into two pairs of n pairs, and each pair constitutes a pair of semiconductors. The unit is controlled so that the on / off of the unit has a complementary relationship opposite to each other, and the alternating current component of the current flowing through the inductor is n times the switching frequency for controlling the on / off of the semiconductor unit.
Therefore, the frequency of the current flowing through the inductor increases to more than twice the switching frequency, and the AC component (ripple component) can be reduced or the required inductance can be reduced. Loss reduction, downsizing, and accompanying cooling heatsink downsizing are realized.
Also, the voltage between the secondary side voltage and the primary side voltage is boosted in both the power running operation that supplies power from the primary side to the secondary side and the regenerative operation that supplies power from the secondary side to the primary side. It is possible to convert the DC voltage to both the step-down and the step-down.

本発明によるDC/DC電圧変換装置のシステムの全体構成図である。1 is an overall configuration diagram of a system of a DC / DC voltage converter according to the present invention. 本発明によるDC/DC電圧変換装置の電力の流れを示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the flow of the electric power of the DC / DC voltage converter by this invention. 本発明による実施の形態1の変換主回路の接続構成を示す図である。It is a figure which shows the connection structure of the conversion main circuit of Embodiment 1 by this invention. 本発明による実施の形態1の力行降圧時(オンデューティ50%未満)の動作を説明する波形図である。It is a wave form diagram explaining operation | movement at the time of the power running pressure | voltage fall of Embodiment 1 by this invention (less than on-duty 50%). 本発明による実施の形態1の力行昇圧時(オンデューティ50%以上)の動作を説明する波形図である。It is a wave form diagram explaining the operation | movement at the time of the power running pressure | voltage rise (on-duty 50% or more) of Embodiment 1 by this invention. 本発明による実施の形態1の回生降圧時(オンデューティ50%未満)の動作を説明する波形図である。It is a wave form diagram explaining the operation | movement at the time of the regeneration pressure | voltage fall (less than 50% of on-duty) of Embodiment 1 by this invention. 本発明による実施の形態1の回生昇圧時(オンデューティ50%以上)の動作を説明する波形図である。It is a wave form diagram explaining the operation | movement at the time of the regeneration pressure | voltage rise (on-duty 50% or more) of Embodiment 1 by this invention. 本発明による実施の形態1のキャパシタのインピーダンスの周波数特性を示す図である。It is a figure which shows the frequency characteristic of the impedance of the capacitor of Embodiment 1 by this invention. 本発明による実施の形態1の制御ユニットと変換主回路の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the control unit and conversion main circuit of Embodiment 1 by this invention. 本発明によるオンデューティとDC/DC電圧変換比との関係を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the relationship between on-duty and DC / DC voltage conversion ratio by this invention. 本発明による実施の形態1の変換主回路の図3とは異なる接続構成を示す図である。It is a figure which shows the connection structure different from FIG. 3 of the conversion main circuit of Embodiment 1 by this invention. 本発明による実施の形態1の変換主回路の図3、図11とは異なる接続構成を示す図である。It is a figure which shows the connection structure different from FIG. 3, FIG. 11 of the conversion main circuit of Embodiment 1 by this invention. 本発明による実施の形態2の制御ユニットと変換主回路の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the control unit and conversion main circuit of Embodiment 2 by this invention. 本発明による実施の形態2のゲート駆動回路の詳細な構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the detailed structure of the gate drive circuit of Embodiment 2 by this invention. 本発明による実施の形態2のスイッチオフ回路の選択方法を説明する図である。It is a figure explaining the selection method of the switch-off circuit of Embodiment 2 by this invention. 本発明による実施の形態2の電界効果トランジスタのターンオフ動作を説明する波形図である。It is a wave form diagram explaining the turn-off operation | movement of the field effect transistor of Embodiment 2 by this invention. 本発明による実施の形態3の変換主回路の接続構成を示す図である。It is a figure which shows the connection structure of the conversion main circuit of Embodiment 3 by this invention. 本発明による実施の形態3の制御ユニットの構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the control unit of Embodiment 3 by this invention. 本発明による実施の形態3のスイッチング周波数とインダクタ、キャパシタ、半導体ユニットの発熱量との関係を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the relationship between the switching frequency of Embodiment 3 by this invention, and the emitted-heat amount of an inductor, a capacitor, and a semiconductor unit. 本発明による実施の形態3の周波数調整器の詳細な構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the detailed structure of the frequency regulator of Embodiment 3 by this invention. 本発明による実施の形態3の選択処理手段の処理を説明するフロー図である。It is a flowchart explaining the process of the selection process means of Embodiment 3 by this invention. 本発明による実施の形態4の変換主回路の接続構成を示す図である。It is a figure which shows the connection structure of the conversion main circuit of Embodiment 4 by this invention. 本発明による実施の形態4の力行降圧時(オンデューティ100/3%未満)の動作を説明する波形図である。It is a wave form diagram explaining the operation | movement at the time of the power running pressure | voltage fall of Embodiment 4 by this invention (less than on-duty 100/3%). 本発明による実施の形態4の力行降圧時(オンデューティ100/3%以上50%未満)の動作を説明する波形図である。It is a wave form diagram explaining the operation | movement at the time of the power running pressure | voltage fall of Embodiment 4 by this invention (on-duty 100/3% or more and less than 50%). 本発明による実施の形態4の力行昇圧時(オンデューティ50%以上100×(2/3)%未満)の動作を説明する波形図である。It is a wave form diagram explaining the operation | movement at the time of the power running boost of Embodiment 4 by this invention (on-duty 50% or more and less than 100x (2/3)%). 本発明による実施の形態4の力行昇圧時(オンデューティ100×(2/3)%以上)の動作を説明する波形図である。It is a wave form diagram explaining the operation | movement at the time of power boosting of Embodiment 4 by this invention (on-duty 100x (2/3)% or more). 本発明による実施の形態4の回生降圧時(オンデューティ100/3%未満)の動作を説明する波形図である。It is a wave form diagram explaining the operation | movement at the time of the regeneration pressure | voltage fall of Embodiment 4 by this invention (less than on-duty 100/3%). 本発明による実施の形態4の回生降圧時(オンデューティ100/3%以上50%未満)の動作を説明する波形図である。It is a wave form diagram explaining the operation | movement at the time of the regeneration pressure | voltage fall (on-duty 100/3% or more and less than 50%) of Embodiment 4 by this invention. 本発明による実施の形態4の回生昇圧時(オンデューティ50%以上100×(2/3)%未満)の動作を説明する波形図である。It is a wave form diagram explaining the operation | movement at the time of the regeneration pressure | voltage rise of Embodiment 4 by this invention (on-duty 50% or more and less than 100x (2/3)%). 本発明による実施の形態4の回生昇圧時(オンデューティ100×(2/3)%以上)の動作を説明する波形図である。It is a wave form diagram explaining the operation | movement at the time of the regeneration pressure | voltage rise (on-duty 100x (2/3)% or more) of Embodiment 4 by this invention. DC/DC電圧変換装置を用いた自動車用電気駆動システムの構成図である。It is a block diagram of the electric drive system for motor vehicles using a DC / DC voltage converter. DC/DC電圧変換装置を用いた太陽光発電用の電力変換システムの構成図である。It is a block diagram of the power conversion system for solar power generation using a DC / DC voltage converter.

実施の形態1.
以下、本発明の実施の形態1のDC/DC電圧変換装置につき、図1から図12を用いて説明する。
図1は、本実施例によるシステムの全体構成を示すブロック図である。DC/DC電圧変換装置1は、変換主回路2と制御ユニット3とから構成されている。DC/DC電圧変換装置1は、電力経路の接続端子として変換主回路2の一次側に正極側端子P1、負極側端子N1、二次側に正極側端子P2、負極側端子N2を備えている。
図2は、本実施例によるDC/DC電圧変換装置1の一次側と二次側との間の電圧変換と電力の流れを模式的に図示したものである。DC/DC電圧変換装置1の一次側には端子P1、N1に直流電源4が、二次側には端子P2、N2に電気機器5が接続される。
図2において、直流電源4は、リチウムイオン電池やニッケル水素電池、鉛電池といった二次電池の他、太陽電池、燃料電池などの電源に電気二重層キャパシタや二次電池を組み合わせたものなどが想定される。電気機器5は、電気負荷を含んで発電装置や蓄電装置と組み合わさって成る機器である。
Embodiment 1 FIG.
Hereinafter, the DC / DC voltage converting apparatus according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
FIG. 1 is a block diagram showing the overall configuration of the system according to the present embodiment. The DC / DC voltage conversion apparatus 1 includes a conversion main circuit 2 and a control unit 3. The DC / DC voltage converter 1 includes a positive side terminal P1 and a negative side terminal N1 on the primary side of the conversion main circuit 2 as connection terminals of the power path, and a positive side terminal P2 and a negative side terminal N2 on the secondary side. .
FIG. 2 schematically illustrates voltage conversion and power flow between the primary side and the secondary side of the DC / DC voltage conversion apparatus 1 according to this embodiment. A DC power supply 4 is connected to terminals P1 and N1 on the primary side of the DC / DC voltage converter 1, and an electric device 5 is connected to terminals P2 and N2 on the secondary side.
In FIG. 2, the DC power supply 4 is assumed to be a combination of a secondary battery such as a lithium ion battery, a nickel metal hydride battery, or a lead battery, as well as a power source such as a solar battery or a fuel cell combined with an electric double layer capacitor or a secondary battery. Is done. The electrical device 5 is a device that includes an electrical load and is combined with a power generation device or a power storage device.

DC/DC電圧変換装置1は、一次側端子電圧V1と二次側端子電圧V2について、その電圧がV1≦V2の関係、V1>V2の関係のいずれに対しても電流を双方向に導通可能なよう電圧変換を行い、相互に電力をやり取りする。
ここで、直流電源4が放電動作であり電気機器5が電力消費動作の場合、DC/DC電圧変換装置1は、図2(a)に示すように、電圧を昇圧して一次側から二次側の方向へ電力を送り込む場合と、図2(b)に示すように、電圧を降圧して電力を送り込む場合とがある。
また、直流電源4が充電動作であり電気機器5が電力供給動作の場合、DC/DC電圧変換装置1は、図2(c)に示すように、電圧を昇圧(一次側電圧V1を基準として二次側電圧V2はV1≦V2の関係)して二次側から一次側の方向へ電力を送り込む場合と、図2(d)に示すように、電圧を降圧(一次側電圧V1を基準として二次側電圧V2はV1>V2の関係)して電力を送り込む場合とがある。
この時、電圧の変換は制御ユニット3から出力されるゲート駆動信号8に従い、変換主回路2に備わる、後述する半導体ユニット内の半導体スイッチ素子のオン、オフを制御することによってなされる。
The DC / DC voltage conversion device 1 can conduct current bidirectionally regardless of whether the primary terminal voltage V1 and the secondary terminal voltage V2 are V1 ≦ V2 or V1> V2. The voltage is converted so that power is exchanged between them.
Here, when the DC power supply 4 is in a discharging operation and the electric device 5 is in a power consuming operation, the DC / DC voltage conversion device 1 boosts the voltage to perform secondary operation from the primary side as shown in FIG. There are a case where power is sent in the direction toward the side and a case where power is sent after stepping down the voltage as shown in FIG.
Further, when the DC power supply 4 is in a charging operation and the electric device 5 is in a power supply operation, the DC / DC voltage conversion device 1 boosts the voltage (based on the primary side voltage V1 as shown in FIG. 2C). When the secondary side voltage V2 is V1 ≦ V2) and the electric power is sent from the secondary side to the primary side, as shown in FIG. 2 (d), the voltage is stepped down (based on the primary side voltage V1). The secondary side voltage V2 may have a relationship of V1> V2).
At this time, voltage conversion is performed by controlling on / off of a semiconductor switch element in a semiconductor unit (described later) provided in the conversion main circuit 2 in accordance with the gate drive signal 8 output from the control unit 3.

ここで、DC/DC電圧変換装置1の動作内容について図3から図10を用いて説明する。図3は、変換主回路2の回路配線を示す図であり、4個の半導体ユニットを直列に接続し、一次側から二次側へ電圧を昇圧あるいは降圧して電力供給を、また、二次側から一次側へ電圧を降圧あるいは昇圧して電力供給を行う。
変換主回路2は、一次側端子電圧V1を平滑化する一次側平滑キャパシタC1と、二次側端子電圧V2を平滑化する二次側平滑キャパシタC2と、エネルギの蓄積、放出を行う、インダクタLおよびエネルギ移行用キャパシタC0と、4個の半導体ユニットを備えている。
Here, the operation content of the DC / DC voltage converter 1 will be described with reference to FIGS. FIG. 3 is a diagram showing the circuit wiring of the conversion main circuit 2. Four semiconductor units are connected in series, and the voltage is boosted or stepped down from the primary side to the secondary side to supply power. Power is supplied by stepping down or boosting the voltage from the side to the primary side.
The conversion main circuit 2 includes a primary-side smoothing capacitor C1 that smoothes the primary-side terminal voltage V1, a secondary-side smoothing capacitor C2 that smoothes the secondary-side terminal voltage V2, and an inductor L that stores and discharges energy. And an energy transfer capacitor C0 and four semiconductor units.

第1〜第4の半導体ユニットは、この図3の例では、寄生ダイオードを内部に含む電界効果トランジスタFET4、FET3、FET2、FET1を採用している。なお、これら電界効果トランジスタは、そのバンドギャップがシリコンのそれより大きいワイドバンドギャップ半導体で形成したものを採用しているが、この点については、後段で詳述するものとする。   In the example of FIG. 3, the first to fourth semiconductor units employ field effect transistors FET4, FET3, FET2, and FET1 that include a parasitic diode therein. Note that these field effect transistors are formed of a wide band gap semiconductor whose band gap is larger than that of silicon. This will be described in detail later.

続けて、変換主回路2の接続の詳細について説明する。
平滑キャパシタC1の両端子は、変換主回路2の一次側の正極側端子P1、負極側端子N1に接続されており、負極側端子N1は変換主回路2の二次側の正極側端子P2とも接続されている。
正極側端子P1は、平滑キャパシタC1の一方の端子とFET1のドレイン端子に接続され、平滑キャパシタC1の他方の端子は負極側端子N1に接続される。
また、平滑キャパシタC2の両端子は、変換主回路2の二次側の正極側端子P2、負極側端子N2に接続されている。
Next, details of the connection of the conversion main circuit 2 will be described.
Both terminals of the smoothing capacitor C1 are connected to the positive side terminal P1 and the negative side terminal N1 on the primary side of the conversion main circuit 2, and the negative side terminal N1 is also the positive side terminal P2 on the secondary side of the conversion main circuit 2 It is connected.
The positive terminal P1 is connected to one terminal of the smoothing capacitor C1 and the drain terminal of the FET1, and the other terminal of the smoothing capacitor C1 is connected to the negative terminal N1.
Further, both terminals of the smoothing capacitor C2 are connected to the positive side terminal P2 and the negative side terminal N2 on the secondary side of the conversion main circuit 2.

FET4のソース端子は変換主回路2の二次側の負極側端子N2に、ドレイン端子はFET3のソース端子に、FET3のドレイン端子はFET2のソース端子に、FET2のドレイン端子はFET1のソース端子に、それぞれ接続されている。
エネルギ移行用キャパシタC0は、一方の端子をFET4とFET3との接続点に、他方の端子をFET2とFET1との接続点に接続されている。
The source terminal of the FET 4 is the secondary negative terminal N2 of the conversion main circuit 2, the drain terminal is the source terminal of the FET 3, the drain terminal of the FET 3 is the source terminal of the FET 2, and the drain terminal of the FET 2 is the source terminal of the FET 1. , Each connected.
The energy transfer capacitor C0 has one terminal connected to the connection point between the FET 4 and the FET 3, and the other terminal connected to the connection point between the FET 2 and the FET 1.

なお、後段の動作説明で触れているように、この例では、FET1とFET4およびFET2とFET3とがそれぞれ組となり、各組をなす一対のFETは、いわゆる相補の関係を持つようにオンオフ制御される。従って、エネルギ移行用キャパシタC0は、一次側の正極側端子P1に直接接続されるFET1と二次側の負極側端子N2に直接接続されるFET4とを除いた、一対のFET2、FET3における、一次側の正極側端子P1に最も近い端子であるFET2のドレイン端子と二次側の負極側端子N2に最も近い端子であるFET3のソース端子との間に接続されているとも言える。   In this example, as mentioned in the explanation of the operation at the later stage, FET1 and FET4 and FET2 and FET3 are each a pair, and the pair of FETs forming each pair is on / off controlled so as to have a so-called complementary relationship. The Therefore, the energy transfer capacitor C0 is the primary in the pair of FET2 and FET3 except for the FET1 directly connected to the primary positive terminal P1 and the FET4 directly connected to the secondary negative terminal N2. It can also be said that it is connected between the drain terminal of the FET 2 that is the terminal closest to the positive electrode terminal P1 on the side and the source terminal of the FET 3 that is the terminal closest to the secondary negative electrode side terminal N2.

インダクタLは、図3に示すように、一方の端子を変換主回路2の一次側の負極側端子N1に接続され、他方の端子を、上記した一対のFETであって互いに直接接続されているFET3とFET2との接続点に接続されている。   As shown in FIG. 3, the inductor L has one terminal connected to the primary negative electrode side terminal N1 of the conversion main circuit 2, and the other terminal directly connected to each other, which is the pair of FETs described above. It is connected to the connection point between FET3 and FET2.

図3には示されない制御ユニット3からは、ゲート駆動信号8として電界効果トランジスタをオン、オフ制御するための信号がFET4、FET3、FET2、FET1に対応して、それぞれGate4、Gate3、Gate2、Gate1信号としてFET4からFET1のゲート電極(G)に接続されている。FET4はGate4信号の、FET3はGate3信号の、FET2はGate2信号の、FET1はGate1信号の電圧変化にしたがって、スイッチング動作する。   From the control unit 3 not shown in FIG. 3, signals for controlling on / off of the field effect transistor as the gate drive signal 8 correspond to FET4, FET3, FET2, and FET1, respectively, Gate4, Gate3, Gate2, and Gate1. A signal is connected from the FET 4 to the gate electrode (G) of the FET 1 as a signal. The FET 4 performs a switching operation according to a voltage change of the Gate 4 signal, the FET 3 of the Gate 3 signal, the FET 2 of the Gate 2 signal, and the FET 1 of the Gate 1 signal.

次に、変換主回路2の動作について説明する。
上述のように、DC/DC電圧変換装置1は、一次側から二次側へ、あるいは、二次側から一次側へ、電力を双方向に授受させつつ、一次側に対して二次側が昇圧動作、降圧動作のいずれにもなるよう電圧変換する。この昇圧動作、降圧動作は、電界効果トランジスタのオン、オフ動作のタイミングをゲート駆動信号8であるGate4、Gate3、Gate2、Gate1で調整することによって制御される。
このゲート駆動信号8による電圧変換の制御について、力行動作時と回生動作時とに分けて説明する。
Next, the operation of the conversion main circuit 2 will be described.
As described above, the DC / DC voltage conversion device 1 boosts the secondary side with respect to the primary side while transferring power bidirectionally from the primary side to the secondary side or from the secondary side to the primary side. Voltage conversion is performed so that both the operation and the step-down operation are performed. The step-up operation and the step-down operation are controlled by adjusting the timing of the on / off operation of the field effect transistor using Gate 4, Gate 3, Gate 2, and Gate 1 which are gate drive signals 8.
The voltage conversion control by the gate drive signal 8 will be described separately for the power running operation and the regenerative operation.

力行動作時:
1)オンデューティが50%未満で降圧動作の場合:
一次側から二次側へ電力を供給する力行動作時であって、二次側電圧V2<一次側電圧V1の降圧を行うオンデューティ50%未満の動作について説明する。
但し、オンデューティはGate1信号とGate2信号に対する値を言っており、Gate3信号とGate4信号はそれぞれGate2信号、Gate1信号と相補であるから、Gate3信号とGate4信号のオンデューティは、100%−(Gate2信号、Gate1信号のオンデューティ)の関係となる。
During power running:
1) When the on-duty is less than 50% and step-down operation:
An operation with an on-duty of less than 50% for stepping down the secondary side voltage V <b> 2 <the primary side voltage V <b> 1 during powering operation for supplying power from the primary side to the secondary side will be described.
However, the on-duty is a value for the Gate1 signal and the Gate2 signal, and the Gate3 signal and the Gate4 signal are complementary to the Gate2 signal and the Gate1 signal, respectively. Signal, on-duty of the Gate1 signal).

図4に力行動作時の降圧動作でゲート駆動信号のオンデューティが50%未満の場合の波形を示す。図4で(a)は、ゲート駆動信号、(b)はインダクタ電流IL、(c)はスイッチングモードとその切替わりタイミングを示している。
インダクタ電流ILは、インダクタLをFET2側の接続端子から負極側端子N1側の接続端子の方向に流れる極性を正とする。
図4(a)において、Gate1信号がハイの場合にFET1が、Gate2信号がハイの場合にFET2がオンし、ドレインからソースに向けて電流が流れる。
FIG. 4 shows a waveform when the on-duty of the gate drive signal is less than 50% in the step-down operation during the power running operation. 4A shows the gate drive signal, FIG. 4B shows the inductor current IL, and FIG. 4C shows the switching mode and its switching timing.
The inductor current IL has a positive polarity that flows through the inductor L from the connection terminal on the FET2 side to the connection terminal on the negative terminal N1 side.
In FIG. 4A, FET1 is turned on when the Gate1 signal is high, and FET2 is turned on when the Gate2 signal is high, and a current flows from the drain to the source.

Gate3信号がハイの場合にFET3が、Gate4信号がハイの場合にFET4がオンするが、力行動作時には電流がソースからドレインに向けてFET3、FET4に内在する寄生ダイオードの替わりにトランジスタ部分を流れる。
この結果、当該部分での電圧降下が少なく、発生する損失がその分低減し効率が向上するという利点がある。この利点は、本願発明になる制御方式にあって、半導体ユニットに電界効果トランジスタFETを採用した場合に得られる効果である。
The FET3 is turned on when the Gate3 signal is high, and the FET4 is turned on when the Gate4 signal is high. However, during powering operation, current flows from the source to the drain instead of the parasitic diodes inherent in the FET3 and FET4.
As a result, there is an advantage that the voltage drop in the part is small, the loss generated is reduced correspondingly, and the efficiency is improved. This advantage is an effect obtained when the field effect transistor FET is employed in the semiconductor unit in the control system according to the present invention.

ここで、Gate1信号とGate4信号は、互いにハイ、ローの論理が相反する相補信号であり、Gate1信号がハイの時にはGate4信号はロー、Gate1信号がローの時にはGate4信号はハイとなる。但し、ハイとローの論理の切替わり時は電界効果トランジスタのスイッチング動作の応答遅れにより双方が同時にオンとならないよう阻止時間(デッドタイム)を設ける。
同様に、Gate2信号とGate3信号は、互いにハイ、ローの論理が相反する相補信号であり、Gate1信号とGate2信号は位相差が180度である。即ち、ゲート駆動信号8は、相補信号として対を成す信号が二通り有って、互いの位相差が等間隔となっている。
Here, the Gate1 signal and the Gate4 signal are complementary signals whose logics of high and low are opposite to each other. When the Gate1 signal is high, the Gate4 signal is low, and when the Gate1 signal is low, the Gate4 signal is high. However, when switching between high and low logic, a blocking time (dead time) is provided so that both are not turned on at the same time due to a response delay of the switching operation of the field effect transistor.
Similarly, the Gate2 signal and the Gate3 signal are complementary signals in which high and low logics are opposite to each other, and the Gate1 signal and the Gate2 signal have a phase difference of 180 degrees. That is, the gate drive signal 8 has two pairs of signals as complementary signals, and the phase difference between them is equal.

この時、Gate1からGate4のゲート駆動信号のハイ、ローの論理の組合わせは、スイッチングモードB、C、Dの三種に分類され B→D→C→D→B の順に切替わる。   At this time, the high and low logic combinations of the gate drive signals from Gate 1 to Gate 4 are classified into three switching modes B, C, and D, and are switched in the order of B → D → C → D → B.

スイッチングモードBでは、FET1とFET3がオン、FET2とFET4がオフであって、
電流が、正極側端子P1→FET1→エネルギ移行用キャパシタC0→FET3→インダクタL→負極側端子N1の経路に流れ、エネルギがインダクタLとエネルギ移行用キャパシタC0に蓄えられる。電気機器5には、後述する動作で蓄電された平滑キャパシタC2の両端電圧が印加され、平滑キャパシタC2からエネルギが供給される。
FET1、FET3がオンして電流が導通することから、エネルギ移行用キャパシタC0のFET1側接続端子の電位はおよそV1、FET3側接続端子の電位はおよそインダクタLのFET3側接続端子の電圧VLとなる。インダクタLの他方は負極側端子N1に接続しており、電位は0(基準電位)である。
よって、インダクタLのFET3側接続端子の電圧VL=V1−Vc0 となる。但しVc0はエネルギ移行用キャパシタC0の両端電圧である。
In switching mode B, FET1 and FET3 are on, FET2 and FET4 are off,
The current flows in the path of the positive terminal P1, the FET 1, the energy transfer capacitor C0, the FET 3, the inductor L, and the negative terminal N1, and the energy is stored in the inductor L and the energy transfer capacitor C0. The electric device 5 is applied with the voltage across the smoothing capacitor C2 stored in the operation described later, and is supplied with energy from the smoothing capacitor C2.
Since FET1 and FET3 are turned on and current is conducted, the potential of the FET1 side connection terminal of the energy transfer capacitor C0 is about V1, and the potential of the FET3 side connection terminal is about the voltage VL of the FET3 side connection terminal of the inductor L. . The other side of the inductor L is connected to the negative terminal N1, and the potential is 0 (reference potential).
Therefore, the voltage VL = V1−Vc0 at the FET3 side connection terminal of the inductor L. Vc0 is the voltage across the energy transfer capacitor C0.

スイッチングモードDでは、FET3とFET4がオン、FET1とFET2がオフであって、
負極側端子N2→FET4→FET3→インダクタL→正極側端子P2→電気機器5→負極側端子N2の経路に電流が流れ、インダクタLに蓄積されたエネルギが放出される。
また、基準電位である一次側の負極側端子N1の電位に対して二次側の負極側端子N2は−V2であり、また、FET3とFET4に電流が導通し、ここでの電圧降下が僅かであるため、電圧VLは、およそ−V2となる。インダクタLのFET3側接続端子の電圧VLと正極側端子P2側接続端子の電圧の差は−V2で負となり、インダクタ電流ILはIL<0の方向へ向けて減少する。
In switching mode D, FET3 and FET4 are on, FET1 and FET2 are off,
A current flows through the path of the negative terminal N2 → FET4 → FET3 → inductor L → positive terminal P2 → electric device 5 → negative terminal N2, and the energy accumulated in the inductor L is released.
Further, the negative electrode terminal N2 on the secondary side is −V2 with respect to the potential of the negative electrode terminal N1 on the primary side, which is the reference potential, and the current is conducted to the FET3 and FET4, and the voltage drop here is slight. Therefore, the voltage VL is approximately −V2. The difference between the voltage VL at the FET3 side connection terminal of the inductor L and the voltage at the positive side terminal P2 side connection terminal becomes negative at −V2, and the inductor current IL decreases in the direction of IL <0.

スイッチングモードCでは、FET2とFET4がオン、FET1とFET3がオフであって、
電流が、負極側端子N2→FET4→エネルギ移行用キャパシタC0→FET2→インダクタL→正極側端子P2→電気機器5→負極側端子N2の経路に電流が流れ、エネルギがインダクタLに蓄えられ、エネルギ移行用キャパシタC0から放出される。また、同時に平滑キャパシタC2にも電流が流れてエネルギが蓄えられる。
FET2、FET4がオンして電流が導通することから、エネルギ移行用キャパシタC0のFET2側接続端子の電位はおよそVL、FET4側接続端子の電位はおよそ−V2となる。よって、インダクタLのFET3側接続端子の電圧VL=−V2+Vc0 となる。
In switching mode C, FET2 and FET4 are on, FET1 and FET3 are off,
The current flows in the path of the negative terminal N2 → FET4 → energy transfer capacitor C0 → FET2 → inductor L → positive terminal P2 → electric device 5 → negative terminal N2, and the energy is stored in the inductor L. Released from the transfer capacitor C0. At the same time, a current also flows through the smoothing capacitor C2 to store energy.
Since FET2 and FET4 are turned on and current is conducted, the potential of the FET2 side connection terminal of the energy transfer capacitor C0 is about VL, and the potential of the FET4 side connection terminal is about -V2. Therefore, the voltage VL at the FET3 side connection terminal of the inductor L becomes −V2 + Vc0.

ここで、Gate1信号とGate2信号のオンデューティは等しいため、スイッチングモードB、Cにおける電圧VLは時間平均的に等しく、V1−Vc0=−V2+Vc0の関係となる。よって、エネルギ移行用キャパシタC0の両端電圧Vc0は、一次側端子電圧V1と二次側端子電圧V2の和の1/2倍の、(V1+V2)/2となる。   Here, since the on-duty of the Gate1 signal and the Gate2 signal is equal, the voltages VL in the switching modes B and C are equal in terms of time average, and a relationship of V1−Vc0 = −V2 + Vc0 is established. Therefore, the voltage Vc0 across the energy transfer capacitor C0 is (V1 + V2) / 2, which is ½ times the sum of the primary terminal voltage V1 and the secondary terminal voltage V2.

上記を整理すると、インダクタLのFET3側接続端子の電圧VLは、
スイッチングモードBでは、VL=V1−Vc0=(V1−V2)/2、
スイッチングモードCでは、VL=−V2+Vc0=(V1−V2)/2、
スイッチングモードDでは、VL=−V2
となる。
これより、インダクタLの両端の電位差と、FET1、FET2のスイッチオン時間ton、スイッチオフ時間toffは、次の関係で表される。
To summarize the above, the voltage VL at the FET3 side connection terminal of the inductor L is:
In switching mode B, VL = V1-Vc0 = (V1-V2) / 2,
In switching mode C, VL = −V2 + Vc0 = (V1−V2) / 2,
In switching mode D, VL = −V2
It becomes.
Accordingly, the potential difference between both ends of the inductor L, the switch-on time ton and the switch-off time toff of the FET1 and FET2 are expressed by the following relationship.

スイッチングモードB、C:L・ILrpl=ton・(V1−V2)/2 ・(1a)
スイッチングモードD:L・ILrpl=−toff・(−V2) ・・(1b)
但し、Lは、インダクタLのインダクタンス、ILrplは、インダクタLに流れるリップル電流成分(交流電流成分)の振幅を示す。
Switching mode B, C: L.ILrpl = ton. (V1-V2) / 2. (1a)
Switching mode D: L · ILrpl = −toff · (−V2) ·· (1b)
Here, L represents the inductance of the inductor L, and ILrpl represents the amplitude of the ripple current component (alternating current component) flowing through the inductor L.

式(1a)と式(1b)の左辺同士が等しいことから、次の関係が成り立つ。   Since the left sides of Formula (1a) and Formula (1b) are equal, the following relationship is established.

ton・(V1−V2)/2=toff・V2 ・・・(2)   ton · (V1−V2) / 2 = toff · V2 (2)

上の式(2)を一次側端子電圧V1と二次側端子電圧V2について整理すると次のようになる。   The above formula (2) can be summarized with respect to the primary terminal voltage V1 and the secondary terminal voltage V2 as follows.

(V2/V1)=ton/(ton+toff+toff)=(ton/T)/(1−ton/T) ・・・(3)
但し、ton+toff=T/2
(V2 / V1) = ton / (ton + toff + toff) = (ton / T) / (1-ton / T) (3)
However, ton + toff = T / 2

上の式(3)で周期Tは、スイッチングモードB→D→C→D→Bの順に切替わって一周する期間を示しており、T/2=ton+toffである。
また、式(3)の左辺、V2/V1は、DC/DC電圧変換装置1の一次側電圧V1と二次側電圧V2との比率であり、DC/DC電圧変換比である。
図4に示される、ゲート駆動信号のオンデューティが50%未満の動作では、ton/T<0.5であり、式(3)に当てはめると、DC/DC電圧変換比は、1未満となる。よって、V2<V1の降圧動作である。
In the above equation (3), the period T indicates a period in which the switching mode B → D → C → D → B is switched in order, and T / 2 = ton + toff.
Further, V2 / V1 on the left side of the expression (3) is a ratio between the primary side voltage V1 and the secondary side voltage V2 of the DC / DC voltage converter 1, and is a DC / DC voltage conversion ratio.
In the operation in which the on-duty of the gate drive signal shown in FIG. 4 is less than 50%, ton / T <0.5, and when applied to Expression (3), the DC / DC voltage conversion ratio is less than 1. . Therefore, the step-down operation is V2 <V1.

これらから、スイッチングモードB、Cでは、インダクタLのFET3側接続端子の電圧VL=(V1−V2)/2>0、インダクタLの負極側端子N1側の接続端子の電圧が0である。よって、インダクタLの両端間の電位差は正となり、インダクタ電流ILは正の方向へ増加する。   From these, in switching modes B and C, the voltage VL = (V1−V2) / 2> 0 of the FET3 side connection terminal of the inductor L, and the voltage of the connection terminal of the inductor L on the negative side terminal N1 side is zero. Therefore, the potential difference between both ends of the inductor L becomes positive, and the inductor current IL increases in the positive direction.

以上のように、スイッチングモードB→D→C→D→Bの切替わりにおいて、
スイッチングモードB、Cでは、インダクタ電流ILは、IL≧0の状態から更に正の方向に向けて変化し、
スイッチングモードDでは、インダクタ電流ILは、IL<0の状態に向けて変化する。
このことから、電界効果トランジスタのスイッチング周期Tに亘ってインダクタ電流ILの増加、減少はT/2周期で2回繰り返されることとなる。即ち、電界効果トランジスタのスイッチング周波数に対してインダクタLには2倍の周波数の交流電流が導通することとなる。
As described above, in switching mode B → D → C → D → B,
In the switching modes B and C, the inductor current IL changes from the state of IL ≧ 0 further in the positive direction,
In the switching mode D, the inductor current IL changes toward the state of IL <0.
From this, increase and decrease of the inductor current IL are repeated twice in the T / 2 period over the switching period T of the field effect transistor. That is, an alternating current having a frequency twice that of the switching frequency of the field effect transistor is conducted to the inductor L.

2)オンデューティが50%以上で昇圧動作の場合:
次に、力行動作時であって、二次側電圧V2≧一次側電圧V1の昇圧を行うオンデューティ50%以上の動作について説明する。
図5は、当該時の動作波形を示しており、(a)はゲート駆動信号、(b)はインダクタ電流IL、(c)はスイッチングモードとその切替わりタイミングである。
図5(a)において、図4(a)と同様に、Gate1信号がハイの場合にFET1が、Gate2信号がハイの場合にFET2がオンし、ドレインからソースに向けて電流が流れる。
Gate3信号がハイの場合にFET3が、Gate4信号がハイの場合にFET4がオンするが、力行動作時には電流がソースからドレインに向けてFET3、FET4に内在する寄生ダイオードの替わりにトランジスタ部分を流れる。
2) When the on-duty is 50% or more and the voltage is boosted:
Next, an operation with an on-duty of 50% or more for boosting the secondary side voltage V2 ≧ the primary side voltage V1 during the power running operation will be described.
FIG. 5 shows operation waveforms at that time, where (a) is a gate drive signal, (b) is an inductor current IL, and (c) is a switching mode and its switching timing.
5A, as in FIG. 4A, FET1 is turned on when the Gate1 signal is high, and FET2 is turned on when the Gate2 signal is high, and a current flows from the drain toward the source.
The FET3 is turned on when the Gate3 signal is high, and the FET4 is turned on when the Gate4 signal is high. However, during powering operation, current flows from the source to the drain instead of the parasitic diodes inherent in the FET3 and FET4.

また、Gate1信号とGate4信号、Gate2信号とGate3信号はそれぞれ相補信号であり、ハイとローの論理の切替わり時に電界効果トランジスタのスイッチング動作の応答遅れにより双方が同時にオンとならないよう阻止時間(デッドタイム)を設ける。Gate1信号とGate2信号は位相差が180度である。   The Gate1 signal and the Gate4 signal, and the Gate2 signal and the Gate3 signal are complementary signals, respectively, and when the logic is switched between high and low, a blocking time (dead) is set so that both are not turned on simultaneously due to a response delay of the switching operation of the field effect transistor. Time). The phase difference between the Gate1 signal and the Gate2 signal is 180 degrees.

この時、Gate1からGate4のゲート駆動信号のハイ、ローの論理の組合わせは、スイッチングモードA、B、Cの三種に分類され A→B→A→C→A の順に切替わる。   At this time, the high and low logic combinations of the gate drive signals from Gate 1 to Gate 4 are classified into three types of switching modes A, B, and C, and are switched in the order of A → B → A → C → A.

先ず、スイッチングモードAでは、FET1とFET2がオン、FET3とFET4がオフであって、
電流が、正極側端子P1→FET1→FET2→インダクタL→負極側端子N1の経路に流れ、インダクタLにエネルギが蓄積される。
電圧VLは、FET1とFET2に電流が導通し、およそV1となることから、インダクタLのFET2側接続端子の電圧VLと負極側端子N1側の接続端子の電圧との差は、(V1−0)で正となり、インダクタ電流ILは正の方向へ増加する。
First, in switching mode A, FET1 and FET2 are on, FET3 and FET4 are off,
The current flows in the path of the positive terminal P1, the FET1, the FET2, the inductor L, and the negative terminal N1, and energy is stored in the inductor L.
Since the voltage VL becomes approximately V1 when current flows between the FET1 and FET2, the difference between the voltage VL at the FET2 side connection terminal of the inductor L and the voltage at the connection terminal on the negative side terminal N1 side is (V1-0). ) And becomes positive, and the inductor current IL increases in the positive direction.

スイッチングモードBでは、FET1とFET3がオン、FET2とFET4がオフであって、
電流が、正極側端子P1→FET1→エネルギ移行用キャパシタC0→FET3→インダクタL→負極側端子N1の経路に流れ、エネルギがエネルギ移行用キャパシタC0に蓄えられる。電気機器5には、後述する動作で蓄電された平滑キャパシタC2の両端電圧が印加され、平滑キャパシタC2からエネルギが供給される。
FET1、FET3がオンして電流が導通することから、エネルギ移行用キャパシタC0のFET1側接続端子の電位は、およそV1、FET3側接続端子の電位は、およそVLとなる。
よって、インダクタLのFET3側接続端子の電圧VL=V1−Vc0となる。
In switching mode B, FET1 and FET3 are on, FET2 and FET4 are off,
The current flows through the path of the positive terminal P1, the FET 1, the energy transfer capacitor C0, the FET 3, the inductor L, and the negative terminal N1, and the energy is stored in the energy transfer capacitor C0. The electric device 5 is applied with the voltage across the smoothing capacitor C2 stored in the operation described later, and is supplied with energy from the smoothing capacitor C2.
Since FET1 and FET3 are turned on and current is conducted, the potential of the FET1 side connection terminal of the energy transfer capacitor C0 is approximately V1, and the potential of the FET3 side connection terminal is approximately VL.
Accordingly, the voltage VL = V1−Vc0 at the FET3 side connection terminal of the inductor L

スイッチングモードCでは、FET2とFET4がオン、FET1とFET3がオフであって
電流が、二次側の負極側端子N2→FET4→エネルギ移行用キャパシタC0→FET2→インダクタL→正極側端子P2→電気機器5→負極側端子N2の経路に流れ、エネルギがインダクタLとエネルギ移行用キャパシタC0から放出される。また、同時に平滑キャパシタC2にも電流が流れてエネルギが蓄えられる。
FET2、FET4がオンして電流が導通することから、エネルギ移行用キャパシタC0のFET2側接続端子の電位は、およそVL、FET4側接続端子の電位は、およそ−V2となる。
よって、インダクタLのFET3側接続端子の電圧VL=−V2+Vc0となる。
In switching mode C, FET2 and FET4 are on, FET1 and FET3 are off, and the current flows from the secondary negative terminal N2 → FET4 → energy transfer capacitor C0 → FET2 → inductor L → positive terminal P2 → electricity. The energy flows from the device 5 to the negative terminal N2 and is discharged from the inductor L and the energy transfer capacitor C0. At the same time, a current also flows through the smoothing capacitor C2 to store energy.
Since FET2 and FET4 are turned on and current is conducted, the potential of the FET2 side connection terminal of the energy transfer capacitor C0 is approximately VL, and the potential of the FET4 side connection terminal is approximately -V2.
Therefore, the voltage VL at the FET3 side connection terminal of the inductor L becomes −V2 + Vc0.

また、上述のオンデューティが50%未満の動作と同様に、Gate1信号とGate2信号のオンデューティは等しいため、スイッチングモードB、Cにおける電圧VLは、時間平均的に等しく V1−Vc0=−V2+Vc0 の関係となる。よって、エネルギ移行用キャパシタC0の両端電圧Vc0は、一次側端子電圧V1と二次側端子電圧V2の和の1/2倍の、(V1+V2)/2となる。   Similarly to the above-described operation in which the on-duty is less than 50%, since the on-duty of the Gate1 signal and the Gate2 signal is equal, the voltages VL in the switching modes B and C are equal in terms of time average V1−Vc0 = −V2 + Vc0 It becomes a relationship. Therefore, the voltage Vc0 across the energy transfer capacitor C0 is (V1 + V2) / 2, which is ½ times the sum of the primary terminal voltage V1 and the secondary terminal voltage V2.

上記を整理すると、インダクタLのFET3側接続端子の電圧VLは、
スイッチングモードAでは、VL=V1、
スイッチングモードBでは、VL=V1−Vc0=(V1−V2)/2、
スイッチングモードCでは、VL=−V2+Vc0=(V1−V2)/2
となる。
これより、インダクタLの両端の電位差と、FET1、FET2のスイッチオン時間ton、スイッチオフ時間toffは、次の関係で表される。
To summarize the above, the voltage VL at the FET3 side connection terminal of the inductor L is:
In switching mode A, VL = V1,
In switching mode B, VL = V1-Vc0 = (V1-V2) / 2,
In the switching mode C, VL = −V2 + Vc0 = (V1−V2) / 2
It becomes.
Accordingly, the potential difference between both ends of the inductor L, the switch-on time ton and the switch-off time toff of the FET1 and FET2 are expressed by the following relationship.

スイッチングモードA:L・ILrpl=V1・(ton−toff)/2・・(4a)
スイッチングモードB、C:L・ILrpl=−toff・(V1−V2)/2
・・(4b)
Switching mode A: L.ILrpl = V1. (Ton-toff) / 2 .. (4a)
Switching modes B and C: L · ILrpl = −toff · (V1−V2) / 2
.. (4b)

式(4a)と式(4b)の左辺同士が等しいことから、次の関係が成り立つ。   Since the left sides of the equations (4a) and (4b) are equal, the following relationship is established.

V1・(ton−toff)/2=−toff・(V1−V2)/2 ・・(5)   V1 · (ton-toff) / 2 = −toff · (V1−V2) / 2 (5)

上の式(5)を一次側端子電圧V1と二次側端子電圧V2について整理すると次のようになる。   The above equation (5) can be summarized with respect to the primary terminal voltage V1 and the secondary terminal voltage V2 as follows.

(V2/V1)=ton/toff=(ton/T)/(1−ton/T)・・(6)
但し、ton+toff=T
(V2 / V1) = ton / toff = (ton / T) / (1-ton / T) (6)
However, ton + toff = T

上の式(6)で、周期Tは、スイッチングモードA→B→A→C→Aの順に切替わって一周する期間を示しており、T=ton+toffである。
式(6)は、式(3)と等しいものであり、即ち、オンデューティが50%未満であっても50%以上であっても無関係にオンデューティの変化に合わせて連続的にDC/DC電圧変換比は調整される。
なお、図5に示されるゲート駆動信号のオンデューティが50%以上の動作では、ton/T≧0.5であり、式(6)に当てはめると、DC/DC電圧変換比は、1以上となる。よって、V2≧V1の昇圧動作である。
In the above equation (6), the period T indicates a period in which the switching mode A → B → A → C → A is switched in order, and T = ton + toff.
Equation (6) is equivalent to Equation (3), that is, whether the on-duty is less than 50% or more than 50%, DC / DC continuously according to the change in on-duty. The voltage conversion ratio is adjusted.
In the operation in which the on-duty of the gate drive signal shown in FIG. 5 is 50% or more, ton / T ≧ 0.5, and when applied to Equation (6), the DC / DC voltage conversion ratio is 1 or more. Become. Therefore, the boosting operation is V2 ≧ V1.

これらから、スイッチングモードB、Cでは、インダクタLのFET3側接続端子の電圧VL=(V1−V2)/2<0、インダクタLの負極側端子N1側接続端子の電圧が0である。よって、インダクタLの両端間の電位差は負となり、インダクタ電流ILは負の方向へ減少する。   From these, in switching modes B and C, the voltage VL = (V1−V2) / 2 <0 of the FET3 side connection terminal of the inductor L, and the voltage of the negative side terminal N1 side connection terminal of the inductor L is 0. Therefore, the potential difference between both ends of the inductor L becomes negative, and the inductor current IL decreases in the negative direction.

以上のように、スイッチングモードA→B→A→C→Aの切替わりにおいて、
スイッチングモードAでは、インダクタ電流ILは、IL≧0の状態から更に正の方向に増加するよう変化し、
スイッチングモードB、Cでは、インダクタ電流ILは、IL<0の状態に向けて変化する。
このことから、電界効果トランジスタのスイッチング周期Tに亘ってインダクタ電流ILの増加、減少はT/2周期で2回繰り返されることとなる。即ち、ゲート駆動信号のオンデューティが50%以上である場合についても、電界効果トランジスタのスイッチング周波数に対してインダクタLには2倍の周波数の交流電流が導通することとなる。
As described above, in the switching mode A → B → A → C → A,
In switching mode A, the inductor current IL changes so as to further increase in the positive direction from the state of IL ≧ 0,
In the switching modes B and C, the inductor current IL changes toward the state of IL <0.
From this, increase and decrease of the inductor current IL are repeated twice in the T / 2 period over the switching period T of the field effect transistor. That is, even when the on-duty of the gate drive signal is 50% or more, an alternating current having a frequency twice that of the switching frequency of the field effect transistor is conducted to the inductor L.

回生動作時:
1)オンデューティが50%未満で降圧動作の場合:
二次側から一次側へ電力を供給する回生動作時であって、一次側電圧V1>二次側電圧V2の降圧を行うオンデューティ50%未満の動作について説明する。なお、二次側電圧V2を基にすれば、(V1/V2)>1の関係の昇圧となる。
回生動作時の降圧動作では図2(d)に示すように、二次側電圧V2<一次側電圧V1の関係で、DC/DC電圧変換装置1の二次側に接続した電気機器5が発生する電力をV2からV1へDC/DC電圧変換して直流電源4で回収する。
図6に、降圧動作時でゲート駆動信号のオンデューティが50%未満の波形を図示する。図6で(a)は、ゲート駆動信号、(b)はインダクタ電流IL、(c)はスイッチングモードとその切替わりタイミングを示している。
During regenerative operation:
1) When the on-duty is less than 50% and step-down operation:
An operation with an on-duty of less than 50% for reducing the primary side voltage V1> the secondary side voltage V2 during the regenerative operation for supplying power from the secondary side to the primary side will be described. It should be noted that, based on the secondary side voltage V2, the boost is in the relationship of (V1 / V2)> 1.
In the step-down operation during the regenerative operation, as shown in FIG. 2 (d), the electric device 5 connected to the secondary side of the DC / DC voltage converter 1 is generated in the relationship of the secondary side voltage V2 <the primary side voltage V1. DC / DC voltage conversion from V2 to V1 is performed and the DC power supply 4 recovers the power to be generated.
FIG. 6 illustrates a waveform in which the on-duty of the gate drive signal is less than 50% during the step-down operation. 6A shows the gate drive signal, FIG. 6B shows the inductor current IL, and FIG. 6C shows the switching mode and the switching timing thereof.

図6(a)において、Gate3信号がハイの場合にFET3が、Gate4信号がハイの場合にFET4がオンし、ドレインからソースに向けて電流が流れる。Gate1信号がハイの場合にFET1が、Gate2信号がハイの場合にFET2がオンするが、回生動作時には電流がソースからドレインに向けてFET1、FET2に内在する寄生ダイオードの替わりにトランジスタ部分を流れる。
図6(a)のゲート駆動信号と図6(c)のスイッチングモードとその切替わりタイミングは、力行動作時の降圧動作でゲート駆動信号のオンデューティが50%未満での、図4(a)、図4(c)と同じである。
即ち、力行動作時も回生動作時もゲート駆動信号は同じ波形であり、Gate1からGate4のゲート駆動信号のハイ、ローの論理の組合わせは、スイッチングモードB→D→C→D→Bの順に切替わる。
6A, when the Gate3 signal is high, the FET3 is turned on, and when the Gate4 signal is high, the FET4 is turned on, and a current flows from the drain toward the source. The FET1 is turned on when the Gate1 signal is high, and the FET2 is turned on when the Gate2 signal is high. However, during the regenerative operation, a current flows from the source to the drain instead of the parasitic diodes inherent in the FET1 and FET2.
The gate drive signal of FIG. 6A, the switching mode of FIG. 6C, and the switching timing thereof are shown in FIG. 4A when the on-duty of the gate drive signal is less than 50% in the step-down operation during the power running operation. This is the same as FIG.
That is, the gate drive signal has the same waveform during the power running operation and the regenerative operation, and the combination of high and low logic of the gate drive signals from Gate 1 to Gate 4 is in the order of switching mode B → D → C → D → B. Switch.

スイッチングモードDでは、FET3とFET4がオン、FET1とFET2がオフであって、
電流が、正極側端子P2→インダクタL→FET3→FET4→負極側端子N2の経路に流れ、インダクタLにエネルギが蓄積される。その電流導通の方向から、インダクタ電流ILの極性は負である。
また、FET3とFET4がオンして電流が導通することから、電圧VLは、およそ−V2となる。
よって、インダクタLのFET3側接続端子の電圧と正極側端子P2側の接続端子の電圧との差は、(−V2−0)で負となり、インダクタ電流ILは、IL<0の状態から負方向へ増加する。
In switching mode D, FET3 and FET4 are on, FET1 and FET2 are off,
The current flows through the path of the positive terminal P 2 → the inductor L → the FET 3 → the FET 4 → the negative terminal N 2, and energy is stored in the inductor L. From the direction of current conduction, the polarity of the inductor current IL is negative.
In addition, since FET3 and FET4 are turned on and current is conducted, the voltage VL is approximately -V2.
Therefore, the difference between the voltage at the FET3 side connection terminal of the inductor L and the voltage at the connection terminal on the positive side terminal P2 side becomes negative at (−V2-0), and the inductor current IL is negative from the state where IL <0. To increase.

スイッチングモードBでは、FET1とFET3がオン、FET2とFET4がオフであって、
電流が、インダクタL→FET3→エネルギ移行用キャパシタC0→FET1→正極側端子P1→直流電源4→負極側端子N1の経路に流れ、エネルギがインダクタLとエネルギ移行用キャパシタC0から放出される。また、平滑キャパシタC2には、電気機器5の発電電圧V2が印加され、平滑キャパシタC2にエネルギが供給される。
FET1、FET3がオンして電流が導通することから、エネルギ移行用キャパシタC0のFET1側接続端子の電位は、およそV1、FET3側接続端子の電位は、およそVLとなる。
よって、インダクタLのFET3側接続端子の電圧VL=V1−Vc0となる。
In switching mode B, FET1 and FET3 are on, FET2 and FET4 are off,
The current flows in the path of inductor L → FET 3 → energy transfer capacitor C 0 → FET 1 → positive terminal P 1 → DC power supply 4 → negative terminal N 1, and energy is discharged from inductor L and energy transfer capacitor C 0. Further, the power generation voltage V2 of the electric device 5 is applied to the smoothing capacitor C2, and energy is supplied to the smoothing capacitor C2.
Since FET1 and FET3 are turned on and current is conducted, the potential of the FET1 side connection terminal of the energy transfer capacitor C0 is approximately V1, and the potential of the FET3 side connection terminal is approximately VL.
Accordingly, the voltage VL = V1−Vc0 at the FET3 side connection terminal of the inductor L

スイッチングモードCでは、FET2とFET4がオン、FET1とFET3がオフであって、
電流が、正極側端子P2→インダクタL→FET2→エネルギ移行用キャパシタC0→FET4→負極側端子N2の経路に流れ、エネルギがインダクタLから放出され、エネルギ移行用キャパシタC0に蓄えられる。
FET2、FET4がオンして電流が導通することから、エネルギ移行用キャパシタC0のFET2側接続端子の電位は、およそVL、FET4側接続端子の電位は、およそ−V2となる。
よって、インダクタLのFET3側接続端子の電圧VL=−V2+Vc0となる。
In switching mode C, FET2 and FET4 are on, FET1 and FET3 are off,
The current flows through the path of the positive terminal P2, the inductor L, the FET 2, the energy transfer capacitor C0, the FET 4, and the negative terminal N2, and the energy is discharged from the inductor L and stored in the energy transfer capacitor C0.
Since FET2 and FET4 are turned on and current is conducted, the potential of the FET2 side connection terminal of the energy transfer capacitor C0 is approximately VL, and the potential of the FET4 side connection terminal is approximately -V2.
Therefore, the voltage VL at the FET3 side connection terminal of the inductor L becomes −V2 + Vc0.

ここで、Gate3信号とGate4信号のオンデューティは等しいため、スイッチングモードB、Cにおける電圧VLは時間平均的に等しく、V1−Vc0=−V2+Vc0の関係となる。
よって、力行動作時と同様にエネルギ移行用キャパシタC0の両端電圧Vc0は、一次側端子電圧V1と二次側端子電圧V2の和の1/2倍の、(V1+V2)/2となる。
Here, since the on-duties of the Gate3 signal and the Gate4 signal are equal, the voltages VL in the switching modes B and C are equal in terms of time average, and the relationship is V1−Vc0 = −V2 + Vc0.
Accordingly, the voltage Vc0 across the energy transfer capacitor C0 becomes (V1 + V2) / 2, which is ½ times the sum of the primary terminal voltage V1 and the secondary terminal voltage V2, as in the power running operation.

上記を整理すると、インダクタLのFET3側接続端子の電圧VLは、
スイッチングモードBでは、VL=V1−Vc0=(V1−V2)/2、
スイッチングモードCでは、VL=−V2+Vc0=(V1−V2)/2、
スイッチングモードDでは、VL=−V2
となる。
これより、インダクタLの両端の電位差とFET1、FET2のスイッチオン時間ton、スイッチオフ時間toffは、力行動作時の降圧動作でゲート駆動信号のオンデューティが50%未満における関係を示す式(1a)、(1b)と同じとなる。
このため、同様に、式(2)、式(3)の関係が成り立つ。
即ち、DC/DC電圧変換装置1の電圧変換比(V2/V1)は、式(3)で示される。
To summarize the above, the voltage VL at the FET3 side connection terminal of the inductor L is:
In switching mode B, VL = V1-Vc0 = (V1-V2) / 2,
In switching mode C, VL = −V2 + Vc0 = (V1−V2) / 2,
In switching mode D, VL = −V2
It becomes.
Accordingly, the potential difference between both ends of the inductor L and the switch-on time ton and the switch-off time toff of the FET1 and FET2 are expressed by a formula (1a) indicating a relationship when the on-duty of the gate drive signal is less than 50% in the step-down operation during the power running operation. , (1b).
For this reason, the relationship of Formula (2) and Formula (3) is similarly established.
That is, the voltage conversion ratio (V2 / V1) of the DC / DC voltage conversion apparatus 1 is expressed by Expression (3).

図6のゲート駆動信号のオンデューティが50%未満の動作では、ton/T<0.5であり、式(3)に当てはめるとDC/DC電圧変換比は、1未満となる。よって、V2<V1の降圧動作である。
即ち、一次側端子電圧V1は、二次側端子電圧V2より高い電圧へ変換される。
In the operation in which the on-duty of the gate drive signal in FIG. 6 is less than 50%, ton / T <0.5, and the DC / DC voltage conversion ratio is less than 1 when applied to Equation (3). Therefore, the step-down operation is V2 <V1.
That is, the primary side terminal voltage V1 is converted to a voltage higher than the secondary side terminal voltage V2.

これらから、スイッチングモードB、Cでは、インダクタLのFET3側接続端子の電圧VL=(V1−V2)/2 > 0、インダクタLの負極側端子N1側の接続端子の電圧が0である。よって、インダクタLの両端間の電位差は正となり、インダクタ電流ILは正の方向に向けて減少する。即ち、回生動作時でインダクタ電流IL<0の状態から、IL≧0の状態に向けてILは変化する。   From these, in the switching modes B and C, the voltage VL = (V1−V2) / 2> 0 of the FET3 side connection terminal of the inductor L, and the voltage of the connection terminal of the inductor L on the negative side terminal N1 side is zero. Therefore, the potential difference between both ends of the inductor L becomes positive, and the inductor current IL decreases in the positive direction. That is, IL changes from the state where the inductor current IL <0 during the regenerative operation toward the state where IL ≧ 0.

以上のように、スイッチングモードB→D→C→D→B の切替わりにおいて、
スイッチングモードB、Cでは、インダクタ電流ILは、IL≧0の状態に向けて変化し、
スイッチングモードDでは、インダクタ電流ILは、IL<0の状態から更に負の方向に増加するよう変化する。
このことから、電界効果トランジスタのスイッチング周期Tに亘ってインダクタ電流ILの増加、減少はT/2周期で2回繰り返されることとなる。即ち、力行動作時と同様に電界効果トランジスタのスイッチング周波数に対してインダクタLには2倍の周波数の交流電流が導通することとなる。
As described above, when switching mode B → D → C → D → B,
In switching modes B and C, the inductor current IL changes toward a state where IL ≧ 0,
In the switching mode D, the inductor current IL changes so as to further increase in the negative direction from the state of IL <0.
From this, increase and decrease of the inductor current IL are repeated twice in the T / 2 period over the switching period T of the field effect transistor. That is, as in the power running operation, an alternating current having a frequency twice that of the switching frequency of the field effect transistor is conducted to the inductor L.

2)オンデューティが50%以上で昇圧動作の場合:
次に、二次側から一次側へ電力を供給する回生動作時であって、一次側電圧V1≦二次側電圧V2の昇圧を行うオンデューティ50%以上の動作について説明する。なお、二次側電圧V2を基にすれば、(V1/V2)≦1の関係の降圧となる。
図7は、当該時の動作波形を示しており、(a)はゲート駆動信号、(b)はインダクタ電流IL、(c)はスイッチングモードとその切替わりタイミングである。
図7(a)において、Gate3信号がハイの場合にFET3が、Gate4信号がハイの場合にFET4がオンし、ドレインからソースに向けて電流が流れる。
Gate1信号がハイの場合にFET1が、Gate2信号がハイの場合にFET2がオンするが、回生動作時には電流がソースからドレインに向けてFET1、FET2に内在する寄生ダイオードの替わりにトランジスタ部分を流れる。
2) When the on-duty is 50% or more and the voltage is boosted:
Next, an operation with an on-duty of 50% or more for boosting the primary side voltage V1 ≦ secondary side voltage V2 during the regenerative operation for supplying power from the secondary side to the primary side will be described. Note that, based on the secondary side voltage V2, the step-down is in the relationship of (V1 / V2) ≦ 1.
FIG. 7 shows operation waveforms at that time, where (a) is a gate drive signal, (b) is an inductor current IL, and (c) is a switching mode and its switching timing.
In FIG. 7A, the FET 3 is turned on when the Gate 3 signal is high, and the FET 4 is turned on when the Gate 4 signal is high, and a current flows from the drain to the source.
The FET1 is turned on when the Gate1 signal is high, and the FET2 is turned on when the Gate2 signal is high. However, during the regenerative operation, a current flows from the source to the drain instead of the parasitic diodes inherent in the FET1 and FET2.

図7(a)のゲート駆動信号と図7(c)のスイッチングモードとその切替わりタイミングは、力行動作時の昇圧動作でゲート駆動信号のオンデューティが50%以上での図5(a)、図5(c)と同じである。
即ち、力行動作時も回生動作時もゲート駆動信号は同じ波形であり、Gate1からGate4のゲート駆動信号のハイ、ローの論理の組合わせは、スイッチングモードA→B→A→C→A の順に切替わる。
The gate drive signal in FIG. 7A, the switching mode in FIG. 7C, and the switching timing thereof are shown in FIG. 5A when the on-duty of the gate drive signal is 50% or more in the boosting operation during the power running operation. This is the same as FIG.
That is, the gate drive signal has the same waveform during the power running operation and the regenerative operation, and the combination of high and low logic of the gate drive signals from Gate 1 to Gate 4 is in the order of switching modes A → B → A → C → A. Switch.

先ず、スイッチングモードCでは、FET2とFET4がオン、FET1とFET3がオフであって、
電流が、正極側端子P2→インダクタL→FET2→エネルギ移行用キャパシタC0→FET4→負極側端子N2の経路に流れ、エネルギがインダクタLとエネルギ移行用キャパシタC0に蓄えられる。
FET2、FET4がオンして電流が導通することから、エネルギ移行用キャパシタC0のFET2側接続端子の電位は、およそVL、FET4側接続端子の電位は、およそ−V2となる。
よって、インダクタLのFET2側接続端子の電圧VL=−V2+Vc0となる。
First, in switching mode C, FET2 and FET4 are on, FET1 and FET3 are off,
The current flows through the path of the positive terminal P2, the inductor L, the FET 2, the energy transfer capacitor C0, the FET 4, and the negative terminal N2, and the energy is stored in the inductor L and the energy transfer capacitor C0.
Since FET2 and FET4 are turned on and current is conducted, the potential of the FET2 side connection terminal of the energy transfer capacitor C0 is approximately VL, and the potential of the FET4 side connection terminal is approximately -V2.
Therefore, the voltage VL of the inductor L on the FET2 side connection terminal is VL = −V2 + Vc0.

スイッチングモードBでは、FET1とFET3がオン、FET2とFET4がオフであって、
電流が、インダクタL→FET3→エネルギ移行用キャパシタC0→FET1→正極側端子P1→直流電源4→負極側端子N1の経路に流れ、エネルギがインダクタLに蓄えられ、エネルギ移行用キャパシタC0から放出される。
FET1、FET3がオンして電流が導通することから、エネルギ移行用キャパシタC0のFET1側接続端子の電位は、およそV1、FET3側接続端子の電位は、およそVLとなる。
よって、インダクタLのFET3側接続端子の電圧VL=V1−Vc0となる。
In switching mode B, FET1 and FET3 are on, FET2 and FET4 are off,
The current flows through the path of inductor L → FET 3 → energy transfer capacitor C 0 → FET 1 → positive terminal P 1 → DC power supply 4 → negative terminal N 1, energy is stored in inductor L, and discharged from energy transfer capacitor C 0. The
Since FET1 and FET3 are turned on and current is conducted, the potential of the FET1 side connection terminal of the energy transfer capacitor C0 is approximately V1, and the potential of the FET3 side connection terminal is approximately VL.
Accordingly, the voltage VL = V1−Vc0 at the FET3 side connection terminal of the inductor L

スイッチングモードAでは、FET1とFET2がオン、FET3とFET4がオフであって、
電流が、インダクタL→FET2→FET1→正極側端子P1→直流電源4→負極側端子N1の経路に流れ、エネルギがインダクタLから放出される。
電圧VLは、FET1とFET2に電流が導通し、およそV1となることから、インダクタLのFET2側接続端子の電圧VLと負極側端子N1側の接続端子の電圧との差は、(V1−0)=V1で正となり、インダクタ電流ILは、IL<0の状態から正の方向へ向けて変化する。
In switching mode A, FET1 and FET2 are on, FET3 and FET4 are off,
A current flows through a path of inductor L → FET 2 → FET 1 → positive terminal P 1 → DC power supply 4 → negative terminal N 1, and energy is discharged from the inductor L.
Since the voltage VL becomes approximately V1 when current flows between the FET1 and FET2, the difference between the voltage VL at the FET2 side connection terminal of the inductor L and the voltage at the connection terminal on the negative side terminal N1 side is (V1-0). ) = V1 and becomes positive, and the inductor current IL changes from the state of IL <0 toward the positive direction.

また、上述の回生動作時の1)項 オンデューティが50%未満の動作と同様に、Gate3信号とGate4信号のオンデューティは等しいため、スイッチングモードB、Cにおける電圧VLは、時間平均的に等しく、V1−Vc0=−V2+Vc0の関係となる。
よって、降圧動作時と同様に、エネルギ移行用キャパシタC0の両端電圧Vc0は、一次側端子電圧V1と二次側端子電圧V2の和の1/2倍の、(V1+V2)/2となる。
In addition, since the on-duty of the Gate3 signal and the Gate4 signal is the same as in the operation in which the on-duty is less than 50% during the regenerative operation described above, the voltages VL in the switching modes B and C are equal in time average. , V1−Vc0 = −V2 + Vc0.
Therefore, as in the step-down operation, the voltage Vc0 across the energy transfer capacitor C0 is (V1 + V2) / 2, which is ½ times the sum of the primary terminal voltage V1 and the secondary terminal voltage V2.

上記を整理すると、インダクタLのFET3側接続端子の電圧VLは、
スイッチングモードAでは、VL=V1、
スイッチングモードBでは、VL=V1−Vc0=(V1−V2)/2、
スイッチングモードCでは、VL=−V2+Vc0=(V1−V2)/2
となる。
これより、インダクタLの両端の電位差とFET1、FET2のスイッチオン時間ton、スイッチオフ時間toffの関係は、力行動作時の昇圧動作でゲート駆動信号のオンデューティが50%以上での関係を示す式(4a)、(4b)と同じとなる。このため、同様に式(5)、式(6)の関係が成り立つ。
即ち、DC/DC電圧変換装置1の電圧変換比(V2/V1)は、式(6)で示される。
To summarize the above, the voltage VL at the FET3 side connection terminal of the inductor L is:
In switching mode A, VL = V1,
In switching mode B, VL = V1-Vc0 = (V1-V2) / 2,
In the switching mode C, VL = −V2 + Vc0 = (V1−V2) / 2
It becomes.
Accordingly, the relationship between the potential difference between both ends of the inductor L and the switch-on time ton and switch-off time toff of the FET1 and FET2 is an expression showing the relationship when the on-duty of the gate drive signal is 50% or more in the boosting operation during the power running operation. The same as (4a) and (4b). For this reason, the relationship of Formula (5) and Formula (6) is formed similarly.
That is, the voltage conversion ratio (V2 / V1) of the DC / DC voltage conversion apparatus 1 is expressed by Expression (6).

図7のゲート駆動信号のオンデューティが50%以上の動作では、ton/T≧0.5であり、式(6)に当てはめるとDC/DC電圧変換比は、1以上となる。よって、V2≧V1である。即ち、二次側端子電圧V2は一次側端子電圧V1よりも高い電圧の昇圧動作となる。   In the operation in which the on-duty of the gate drive signal in FIG. 7 is 50% or more, ton / T ≧ 0.5, and the DC / DC voltage conversion ratio is 1 or more when applied to Equation (6). Therefore, V2 ≧ V1. That is, the secondary side terminal voltage V2 is boosted to a voltage higher than the primary side terminal voltage V1.

これらから、スイッチングモードB、Cでは、インダクタLのFET3側接続端子の電圧VL=(V1−V2)/2<0、インダクタLの負極側端子N1側接続端子の電圧が0である。よって、インダクタLの両端間の電位差は負となり、インダクタ電流ILは負の方向に増加する。即ち、回生動作時でインダクタ電流IL<0の状態から、更に負の方向へ増加するよう変化する。   From these, in switching modes B and C, the voltage VL = (V1−V2) / 2 <0 of the FET3 side connection terminal of the inductor L, and the voltage of the negative side terminal N1 side connection terminal of the inductor L is 0. Therefore, the potential difference between both ends of the inductor L becomes negative, and the inductor current IL increases in the negative direction. That is, it changes so as to increase further in the negative direction from the state of the inductor current IL <0 during the regenerative operation.

上述のように、スイッチングモードA→B→A→C→A の切替わりにおいて、
スイッチングモードAでは、インダクタ電流ILは、IL≧0の状態に向けて変化し、
スイッチングモードB、Cでは、インダクタ電流ILは、IL<0の状態から更に負の方向に増加するよう変化する。
このことから、電界効果トランジスタのスイッチング周期Tに亘ってインダクタ電流ILの増加、減少はT/2周期で2回繰り返されることとなる。即ち、ゲート駆動信号のオンデューティが50%以上である場合についても、電界効果トランジスタのスイッチング周波数に対してインダクタLには2倍の周波数の交流電流が導通することとなる。
As described above, when switching mode A → B → A → C → A,
In switching mode A, the inductor current IL changes toward a state where IL ≧ 0,
In the switching modes B and C, the inductor current IL changes so as to further increase in the negative direction from the state of IL <0.
From this, increase and decrease of the inductor current IL are repeated twice in the T / 2 period over the switching period T of the field effect transistor. That is, even when the on-duty of the gate drive signal is 50% or more, an alternating current having a frequency twice that of the switching frequency of the field effect transistor is conducted to the inductor L.

以上で説明した動作内容の通り、力行動作時と回生動作時のいずれの場合も電界効果トランジスタのスイッチング周波数に対してインダクタLには2倍の周波数の交流電流が導通する。
そして、本発明のDC/DC電圧変換装置1の電界効果トランジスタは、可聴周波数の上限である20kHz以上のスイッチング周波数で動作する。
なお、この実施の形態において、スイッチング周波数を可聴周波数の上限以上に設定するとしているのは、後段でも詳述するが、スイッチング素子等にいわゆるワイドバンドギャップ半導体を採用することで、この高いスイッチング周波数の設定が可能となるとともに、この種の装置で従来から問題となっていた、インダクタやキャパシタからの耳障りな騒音の発生を確実に防止出来る等の利点が得られるからである。
As described above, the AC current of twice the frequency is conducted to the inductor L with respect to the switching frequency of the field effect transistor in both the power running operation and the regenerative operation.
And the field effect transistor of the DC / DC voltage converter 1 of this invention operate | moves with the switching frequency of 20 kHz or more which is the upper limit of an audio frequency.
In this embodiment, the switching frequency is set to be higher than the upper limit of the audible frequency, as will be described in detail later. By adopting a so-called wide bandgap semiconductor for the switching element, this high switching frequency is set. This is because it is possible to obtain the advantages that it is possible to reliably prevent the generation of annoying noise from the inductor and capacitor, which has been a problem with this type of device.

ところで、従来のDC/DC電圧変換装置では、半導体ユニットにSiを材料としたIGBTとPINダイオードを用いているため、実用的な半導体接合部温度の上限が175℃程度となる制約がある。この上限温度を超えると、Siを材料とする半導体ユニットは、漏れ電流が増加するなど物性が変化し破損する。従って、DC/DC電圧変換装置の出力電力容量は、半導体ユニットの半導体接合部温度が上昇したとしても、上限の175℃未満に収まるよう設定されなければならない。ここで、半導体ユニットの半導体接合部温度は、半導体ユニットの発生損失による発熱特性と、半導体ユニットを冷却するための冷却構造や冷媒の温度によって定まる放熱特性とのバランスに従う。   By the way, in the conventional DC / DC voltage converter, since the IGBT and PIN diode which used Si for the semiconductor unit are used, there exists a restriction | limiting that the upper limit of practical semiconductor junction temperature becomes about 175 degreeC. When this upper limit temperature is exceeded, the semiconductor unit made of Si is damaged due to changes in physical properties such as an increase in leakage current. Therefore, the output power capacity of the DC / DC voltage converter must be set so as to be less than the upper limit of 175 ° C. even if the semiconductor junction temperature of the semiconductor unit rises. Here, the semiconductor junction temperature of the semiconductor unit follows a balance between heat generation characteristics due to generation loss of the semiconductor unit and heat dissipation characteristics determined by the cooling structure for cooling the semiconductor unit and the temperature of the refrigerant.

これに対し、本願発明のDC/DC電圧変換装置におけるFET1、FET2、FET3、FET4には、そのバンドギャップがSiのそれより大きいワイドバンドギャップの半導体材料による電界効果トランジスタを用いているため、DC/DC電圧変換装置1が取り扱い可能な出力電力容量は、従来技術に基づくものよりも格段に拡大し、電力密度が向上している。
これは、ワイドバンドギャップの材料の半導体接合部温度の上限がSi材料の半導体接合部温度の上限よりも引き上げられることに因る。この理由について述べる。
On the other hand, since FET1, FET2, FET3, and FET4 in the DC / DC voltage converter of the present invention use field effect transistors made of a semiconductor material having a wide bandgap that is larger than that of Si, DC The output power capacity that can be handled by the DC / DC voltage converter 1 is much larger than that based on the prior art, and the power density is improved.
This is because the upper limit of the semiconductor junction temperature of the wide band gap material is raised above the upper limit of the semiconductor junction temperature of the Si material. The reason for this will be described.

従来技術での半導体材料として良く用いられるSiはバンドギャップ値が1.12eVであった。これに対し、ワイドバンドギャップと総称されている材料として代表的なものには、炭化珪素4H−SiC(バンドギャップ:3.25eV)、窒化ガリウムGaN(バンドギャップ:3.39eV)、ダイヤモンド(バンドギャップ:5.47eV)が挙げられる。   Si often used as a semiconductor material in the prior art has a band gap value of 1.12 eV. On the other hand, typical materials generally referred to as wide band gaps include silicon carbide 4H—SiC (band gap: 3.25 eV), gallium nitride GaN (band gap: 3.39 eV), diamond (band Gap: 5.47 eV).

Si材料とワイドバンドギャップ材料とを比較すると、結晶内の電子の状態を表すバンド構造の上で、バンドギャップが大きい(広い)ほど、電子が価電子帯から伝導帯に遷移するために多くのエネルギが必要となるが、ワイドバンドギャップの場合はSiに比べて、より多くの熱エネルギを与えて励起させない限り、電子が伝導帯へ飛び移れない。この性質をパワーデバイスのPN接合部の漏れ電流に当てはめると考えると、半導体ユニットがオフしている際にワイドバンドギャップの半導体材料は、Si材料にて漏れ電流が流れ始める温度よりも、更に高温になってようやく漏れ電流が流れ始めることにあたる。言い換えると、ワイドバンドギャップ材料の半導体ユニットは、Si材料の半導体ユニットよりも、半導体として正常に動作する半導体接合部温度の上限が高くなる。バンドギャップ値が、例えば、2.0eV以上であれば、Siのバンドギャップ値1.12eVと比較してバンドギャップ値が約80%以上大きくなるため、半導体接合部温度上限の差は有意に表れる。   When comparing the Si material and the wide band gap material, the larger the band gap (the wider) the band structure representing the state of electrons in the crystal, the more the electrons transition from the valence band to the conduction band. Energy is required, but in the case of a wide band gap, electrons cannot jump to the conduction band unless they are excited by giving more thermal energy than Si. If this property is considered to apply to the leakage current of the PN junction of the power device, the wide band gap semiconductor material is much higher than the temperature at which the leakage current starts flowing in the Si material when the semiconductor unit is off. Finally, the leakage current starts to flow. In other words, the upper limit of the semiconductor junction temperature at which a semiconductor unit made of a wide band gap material operates normally as a semiconductor is higher than that of a semiconductor unit made of Si material. For example, if the band gap value is 2.0 eV or more, the band gap value is about 80% or more larger than the Si band gap value 1.12 eV, so that the difference in the upper limit of the semiconductor junction temperature appears significantly. .

DC/DC電圧変換装置の取扱い電力を増すと、半導体ユニットに生じる損失が増えて半導体接合部温度が上昇するが、バンドギャップ値が2.0eV以上の材料の半導体ユニットを用いることにより、特性の劣化が少なく抑えられて、耐熱性能は向上する。
従って、本発明のDC/DC電圧変換装置1は、従来のSi材料による半導体ユニットを用いた場合と比較して、半導体接合部が更に高温となるまで動作させることが可能であり、出力電力容量が拡大し電力密度が向上する。
When the power handled by the DC / DC voltage converter is increased, the loss generated in the semiconductor unit increases and the semiconductor junction temperature rises. However, by using a semiconductor unit made of a material having a band gap value of 2.0 eV or higher, Deterioration is suppressed to a small extent, and heat resistance is improved.
Therefore, the DC / DC voltage conversion apparatus 1 according to the present invention can be operated until the temperature of the semiconductor junction becomes higher than that in the case where a semiconductor unit made of a conventional Si material is used. Expands and power density is improved.

一方で、半導体接合部温度の上限が高くなることを利用して、冷却ヒートシンクが要する冷却性能を下げることもできる。冷却性能を下げれば、冷却ヒートシンクも小型となるため、高出力容量であっても小型で軽量なDC/DC電圧変換装置を実現可能である。   On the other hand, the cooling performance required by the cooling heat sink can be lowered by utilizing the fact that the upper limit of the semiconductor junction temperature is increased. If the cooling performance is lowered, the cooling heat sink is also reduced in size, so that a small and lightweight DC / DC voltage converter can be realized even with a high output capacity.

また、半導体スイッチ素子である電界効果トランジスタを可聴周波数上限の20kHz以上でスイッチング動作させるため、インダクタLには40kHz以上の周波数の交流電流が導通し、従来のものよりも更にインダクタLの容積と重量を低減できる。以下、この点について説明する。   Further, in order to switch the field effect transistor, which is a semiconductor switching element, at an audible frequency upper limit of 20 kHz or more, an alternating current having a frequency of 40 kHz or more is conducted to the inductor L, and the volume and weight of the inductor L are further increased than the conventional one. Can be reduced. Hereinafter, this point will be described.

上記で変換主回路2の動作を説明したように、インダクタLのリップル電流成分はインダクタLの巻線の端子間電位差の極性が周期的に切替わることで生じており、この端子間電位差の極性は、半導体スイッチ素子のスイッチング動作に連動している。即ち、半導体スイッチ素子を高い周波数でスイッチング動作させるほど、巻線の端子間電位差の極性が短い周期で切替わることとなる。これは、インダクタLのリップル電流成分の増加→減少→増加→減少の繰返しが短時間で行われることにあたるため、この繰返しの中でのインダクタ電流ILの増加量、減少量は低下する、つまり、リップル電流成分の振幅が低減されることになる。   As described above for the operation of the conversion main circuit 2, the ripple current component of the inductor L is generated by periodically switching the polarity of the potential difference between the terminals of the winding of the inductor L, and the polarity of the potential difference between the terminals. Is linked to the switching operation of the semiconductor switch element. That is, the polarity of the potential difference between the terminals of the winding is switched in a shorter cycle as the semiconductor switch element is switched at a higher frequency. This is because the increase / decrease → increase → decrease of the ripple current component of the inductor L is repeated in a short time, so that the increase amount and decrease amount of the inductor current IL in this repetition decrease. The amplitude of the ripple current component is reduced.

このため、インダクタLに導通する交流電流が減ることとなり、直流電流と交流電流が重畳した合計の電流量も減少する。
そこで、インダクタLのインダクタンス値の大小によって、リップル電流成分の振幅が大小変化することから、交流電流の振幅をそのまま低減させる代わりにインダクタンス値を下げてインダクタの磁路の断面積を減らし、インダクタLを従来よりも小型、軽量に構成できる。
この時、リップル電流成分の振幅をILrpl、インダクタンス値をLc、インダクタ巻線の端子間電位差をΔV、半導体スイッチ素子のスイッチング周期をTとすると、リップル電流成分の周期はT/2となり、次の関係で表される。
For this reason, the alternating current conducted to the inductor L is reduced, and the total amount of current in which the direct current and the alternating current are superimposed is also reduced.
Therefore, since the amplitude of the ripple current component changes depending on the inductance value of the inductor L, instead of reducing the amplitude of the alternating current as it is, the inductance value is lowered to reduce the cross-sectional area of the magnetic path of the inductor, and the inductor L Can be made smaller and lighter than before.
At this time, if the amplitude of the ripple current component is ILrpl, the inductance value is Lc, the potential difference between terminals of the inductor winding is ΔV, and the switching period of the semiconductor switch element is T, the period of the ripple current component is T / 2. Expressed in relationship.

Lc・ILrpl=ΔV・(T/4) ・・・(7)   Lc · ILrpl = ΔV · (T / 4) (7)

いま、半導体スイッチ素子のスイッチング周波数が5kHz(T=200μs)、インダクタLのリップル電流成分周波数が10kHz、端子間電位差ΔV=350V、インダクタンス値Lc=350μHである場合に、式(7)より、リップル電流成分振幅ILrpl=50Aとなる。
ここで、スイッチング周波数を可聴周波数上限の20kHz(T=50μs)に上げると、インダクタLのリップル電流成分周波数は40kHz、端子間電位差ΔV=350Vの場合に、式(7)よりLc・ILrpl=4375×10^−6となる。
Now, when the switching frequency of the semiconductor switch element is 5 kHz (T = 200 μs), the ripple current component frequency of the inductor L is 10 kHz, the terminal-to-terminal potential difference ΔV = 350 V, and the inductance value Lc = 350 μH, the ripple is obtained from the equation (7). The current component amplitude ILrpl = 50A.
Here, when the switching frequency is increased to 20 kHz (T = 50 μs), which is the upper limit of the audible frequency, when the ripple current component frequency of the inductor L is 40 kHz and the potential difference between terminals ΔV = 350 V, Lc · ILrpl = 4375 from Equation (7). × 10 ^ -6.

インダクタンス値Lc=350μHのままとすれば、ILrpl=12.5Aとなり、前述の50Aに比べて25%に低下するが、ILrpl=50Aを保てば、L=87.5μHと、インダクタンス値Lcが25%に低減する。
インダクタンス値Lcを低減することは、インダクタ巻線の巻数、インダクタコアの実効断面積を下げることにつながり、巻線部分、コア部分の容積が低減、即ち、インダクタLの容積が減ることになる。
If the inductance value Lc = 350 μH is maintained, ILrpl = 12.5A, which is 25% lower than the above-mentioned 50A. However, if ILrpl = 50A is maintained, L = 87.5 μH and the inductance value Lc is Reduce to 25%.
Reducing the inductance value Lc leads to lowering the number of turns of the inductor winding and the effective cross-sectional area of the inductor core, and the volume of the winding part and the core part is reduced, that is, the volume of the inductor L is reduced.

インダクタの巻線には主に銅が、コアには鉄を主成分とする電磁鋼板や軟磁性材、フェライト、あるいは鉄、アルミ、ニッケルの合金が用いられる。これら金属の比重は、銅が8.95g/cc、鉄が7.87g/ccであり、樹脂(プラスチック)の比重に比べて数倍以上に高い。その構成材料の内でも、金属が主体の構造物であるインダクタLを小型、軽量とする本発明のDC/DC電圧変換装置1は、高出力容量であっても優れて軽量に実現できる。   Copper is mainly used for the winding of the inductor, and an electromagnetic steel plate or soft magnetic material mainly composed of iron, ferrite, or an alloy of iron, aluminum, or nickel is used for the core. The specific gravity of these metals is 8.95 g / cc for copper and 7.87 g / cc for iron, which is several times higher than the specific gravity of resin (plastic). Among the constituent materials, the DC / DC voltage converter 1 of the present invention that makes the inductor L, which is a metal-based structure, small and light, can be realized with excellent light weight even with high output capacity.

ところで、本発明のDC/DC電圧変換装置1は、およそ100Vから1,000Vの範囲の電圧を取り扱い、可聴周波数上限の20kHz以上でスイッチングすると共に、高い出力電力容量かつ小型、軽量であることが要求される。
ところが、従来技術のDC/DC電圧変換装置では、Si材料の半導体スイッチ素子を用いており、可聴周波数上限の20kHz以上でスイッチング動作させることは極めて困難であった。
半導体スイッチ素子としてSi材料のものであっても、電界効果トランジスタであればユニポーラデバイスであって動作反応時間が短い特性を持っており、可聴周波数の上限以上の周波数でのスイッチング動作が可能となる。しかし、DC/DC電圧変換装置に求められる高い出力電力容量に適合して低損失であるには、半導体スイッチ素子の耐電圧が100V程度以下のものしか実用化されていない。よって、Siを材料とした電界効果トランジスタは本発明のDC/DC電圧変換装置1の用途に対して使用できなかった。
By the way, the DC / DC voltage conversion apparatus 1 of the present invention handles voltages in the range of about 100 V to 1,000 V, switches at an audio frequency upper limit of 20 kHz or higher, and has high output power capacity, small size, and light weight. Required.
However, the DC / DC voltage converter of the prior art uses a semiconductor switch element made of Si material, and it is extremely difficult to perform a switching operation at an audio frequency upper limit of 20 kHz or more.
Even if the semiconductor switch element is made of a Si material, if it is a field effect transistor, it is a unipolar device and has a short operation reaction time, and switching operation at a frequency higher than the upper limit of the audible frequency becomes possible. . However, only a semiconductor switch element with a withstand voltage of about 100 V or less has been put to practical use in order to meet the high output power capacity required for a DC / DC voltage converter and to have a low loss. Therefore, the field effect transistor made of Si cannot be used for the application of the DC / DC voltage converter 1 of the present invention.

また、従来のようにSiを材料とした半導体スイッチ素子としてIGBTを用いる場合は、100Vから1,000Vの電圧範囲を取り扱うための素子耐電圧として適合するものの、可聴周波数の上限以上の周波数でのスイッチング動作には使用できなかった。上記の電圧範囲に合致した素子耐電圧を持つIGBTは、耐電圧を得るためにデバイス構造内のドリフト層が厚くなってしまう。IGBTはバイポーラデバイスであることから、ターンオフ動作時に厚いドリフト層内の少数キャリアの消滅に時間を要してしまい、動作反応時間が長いという短所がある。この動作反応時間の長さから、可聴周波数の上限以上の高い周波数でのスイッチング動作には適用困難である。   In addition, when an IGBT is used as a semiconductor switch element made of Si as in the past, it is suitable as an element withstand voltage for handling a voltage range of 100 V to 1,000 V, but at a frequency higher than the upper limit of the audible frequency. It could not be used for switching operation. In an IGBT having an element withstand voltage that matches the above voltage range, the drift layer in the device structure becomes thick in order to obtain the withstand voltage. Since the IGBT is a bipolar device, it takes time to eliminate minority carriers in the thick drift layer during the turn-off operation, and has a disadvantage that the operation reaction time is long. Due to the length of this operation reaction time, it is difficult to apply to a switching operation at a high frequency above the upper limit of the audible frequency.

これに対し、本発明のDC/DC電圧変換装置1は、半導体ユニットとしてバンドギャップが、例えば、2.0eV以上のワイドバンドギャップの半導体材料を使った電界効果トランジスタあるいは整流ダイオードを用いるが故に、およそ100Vから1,000Vの範囲の電圧を取り扱い、かつ、可聴周波数上限の20kHz以上でのスイッチング動作が可能であって、高い出力電力容量で小型、軽量に実現できる。
これは、ワイドバンドギャップの半導体がSiを材料とする半導体よりも絶縁破壊電界強度が高く、飽和ドリフト速度が速いという特性に基づいている。
Siを材料とする半導体では絶縁破壊強度は、0.3MV/cm、飽和ドリフト速度は1×10^7cm/sであるのに対し、ワイドバンドギャップの半導体では、絶縁破壊強度は、4H−SiCが3MV/cm、GaNが3MV/cm、ダイヤモンドが2MV/cm、飽和ドリフト速度は、4H−SiCが2.2×10^7cm/s、GaNが2.4×10^7cm/s、ダイヤモンドが2.5×10^7cm/sである。
On the other hand, the DC / DC voltage converter 1 of the present invention uses a field effect transistor or a rectifier diode using a semiconductor material having a wide band gap of, for example, 2.0 eV or more as a semiconductor unit. It can handle voltages in the range of about 100 V to 1,000 V, and can perform switching operation at 20 kHz or more of the upper limit of the audible frequency, and can be realized in a small size and light weight with a high output power capacity.
This is based on the characteristics that a wide band gap semiconductor has a higher breakdown field strength and a higher saturation drift velocity than a semiconductor made of Si.
In a semiconductor made of Si, the dielectric breakdown strength is 0.3 MV / cm and the saturation drift velocity is 1 × 10 7 cm / s, whereas in a wide band gap semiconductor, the dielectric breakdown strength is 4H-SiC. Is 3 MV / cm, GaN is 3 MV / cm, diamond is 2 MV / cm, saturation drift velocity is 4 × 10 ^ 7 cm / s for 4H-SiC, 2.4 × 10 ^ 7 cm / s for GaN, diamond is 2.5 × 10 ^ 7 cm / s.

絶縁破壊強度が高いほど半導体ユニットとして必要な耐電圧を得るに際しての、半導体ユニットの構造でドリフト領域に当てられる層の厚みを薄くすることができる。また、飽和ドリフト速度が速いことによってドリフト領域内を電子が素早く移動できる。即ち、ワイドバンドギャップの半導体の特長として、電子が薄いドリフト層を素早く移動することから動作反応時間が短く、可聴周波数の上限以上の高い周波数でのスイッチング動作が可能であるという点が挙げられる。   As the dielectric breakdown strength is higher, the thickness of the layer applied to the drift region can be reduced in the structure of the semiconductor unit when obtaining a withstand voltage necessary for the semiconductor unit. In addition, since the saturation drift speed is high, electrons can move quickly in the drift region. That is, as a feature of the wide band gap semiconductor, it is possible to perform a switching operation at a high frequency higher than the upper limit of the audible frequency because the electrons move quickly through the thin drift layer and the operation reaction time is short.

また、本発明のDC/DC電圧変換装置1は、半導体スイッチ素子を可聴周波数の上限以上の周波数でスイッチング動作させ、インダクタLのリップル電流成分の周波数がスイッチング周波数の2倍となることから、特に、インダクタLとエネルギ移行用キャパシタC0、平滑キャパシタC1、C2で顕著であった耳障りな可聴騒音の発生を解消できる。よって、従来では外部への騒音伝播を抑えるための振動吸収部材を取り付けたり、インダクタのコア材料として低磁歪のものを採用するなどのコストアップや容積アップ、重くなるといった悪影響をもたらす処置を採らなくても良い。   Further, the DC / DC voltage converter 1 of the present invention switches the semiconductor switch element at a frequency higher than the upper limit of the audible frequency, and the frequency of the ripple current component of the inductor L becomes twice the switching frequency. Further, it is possible to eliminate the generation of annoying audible noise, which is remarkable with the inductor L, the energy transfer capacitor C0, and the smoothing capacitors C1 and C2. Therefore, conventionally, there is no need to take measures to bring about adverse effects such as increasing the cost, increasing the volume, and increasing the weight, such as attaching a vibration absorbing member for suppressing noise propagation to the outside or adopting a low magnetostrictive core material for the inductor. May be.

また、本発明のDC/DC電圧変換装置1は、従来のものよりも高い周波数で半導体スイッチ素子をスイッチング動作させることから、エネルギ移行用キャパシタC0、平滑キャパシタC1、C2に必要な静電容量を低減し、また、発生する損失も低減して小型で軽量に構成することが可能となる。
このことを、図8を用いて説明する。図8は、横軸を周波数の対数値、縦軸をインピーダンスの対数値としてキャパシタのインピーダンス特性を見た図である。
In addition, since the DC / DC voltage converter 1 of the present invention switches the semiconductor switch element at a frequency higher than that of the conventional one, the capacitance required for the energy transfer capacitor C0 and the smoothing capacitors C1 and C2 is increased. In addition, it is possible to reduce the loss generated and to make the device compact and lightweight.
This will be described with reference to FIG. FIG. 8 is a diagram showing the impedance characteristics of a capacitor with the horizontal axis representing the logarithmic value of the frequency and the vertical axis representing the logarithmic value of the impedance.

図において、一点鎖線は静電容量Caの特性、実線は静電容量Cbの特性を示し、静電容量の大小関係は Cb<Caであって Caの方が静電容量が大きい。インピーダンスは、低い周波数域から周波数が増すに連れて低下していく。これは低い周波数域ではキャパシタ素子の容量成分がインピーダンスを決める主成分となるためである。インピーダンスは、周波数の増加に連れて、ある周波数で極小値となり、この極小値となる周波数を超えて更に周波数が増すと、傾きが反転してインピーダンスが増加する特性となる。これは、高い周波数となるとキャパシタ素子の電流経路となるリード部分の誘導成分がインピーダンスを決める主成分となるためである。   In the figure, the alternate long and short dash line indicates the characteristics of the capacitance Ca, and the solid line indicates the characteristics of the capacitance Cb. The capacitance relationship is Cb <Ca, and Ca has a larger capacitance. The impedance decreases as the frequency increases from a low frequency range. This is because the capacitance component of the capacitor element is a main component that determines the impedance in a low frequency range. As the frequency increases, the impedance becomes a minimum value at a certain frequency, and when the frequency further increases beyond the frequency that becomes the minimum value, the slope is inverted and the impedance increases. This is because at a high frequency, the inductive component of the lead portion that becomes the current path of the capacitor element becomes the main component that determines the impedance.

ここで、キャパシタ素子の容量成分がインピーダンスの主成分となる低い周波数域では、静電容量が少ない容量Cbの方が容量Caよりもインピーダンスが大きくなる。一方、誘導成分がインピーダンスの主成分となる高い周波数域では静電容量が多い容量Caの方が容量Cbよりもインピーダンスが大きくなる。
いま、従来のDC/DC電圧変換装置にて半導体スイッチ素子を10kHzでスイッチングし、キャパシタに流れる交流電流の周波数も同じ周波数である場合のインピーダンスをZaΩとする。本発明のDC/DC電圧変換装置にて、キャパシタのインピーダンス特性が極小値となる周波数までの範囲内かつ可聴周波数の上限20kHzでスイッチングすれば、従来の通り、10kHzでスイッチングする場合よりもインピーダンスが低減する。
Here, in the low frequency range where the capacitance component of the capacitor element is the main component of the impedance, the capacitance of the capacitor Cb having a smaller capacitance is larger than the capacitance of the capacitor Ca. On the other hand, in a high frequency range where the inductive component is the main component of impedance, the capacitance Ca having a larger capacitance has a larger impedance than the capacitance Cb.
Now, let the impedance be ZaΩ when the semiconductor switch element is switched at 10 kHz in the conventional DC / DC voltage converter and the frequency of the alternating current flowing in the capacitor is the same frequency. In the DC / DC voltage converter according to the present invention, if the switching is performed within the range up to the frequency where the impedance characteristic of the capacitor becomes a minimum value and the upper limit of the audible frequency is 20 kHz, the impedance is higher than the case of switching at 10 kHz as in the past. To reduce.

そこで、静電容量をCaからCbへ減少させても尚、20kHzでのインピーダンスZbが、Zb<ZaとなるようCbを選定すれば、静電容量の低減によるキャパシタの小型化、軽量化と、インピーダンスの低減を両立可能となる。
また、インピーダンスがZaからZbへ低減することにより、キャパシタに交流電流が流れる際に生じる損失が減少するため、キャパシタの発熱による温度上昇が緩和されて好ましい。発熱による温度上昇は、キャパシタに用いられる樹脂材料の劣化を促進することから、キャパシタを用いたDC/DC電圧変換装置の耐久性を短縮する要因となる。本発明のDC/DC電圧変換装置は、キャパシタの小型化、軽量化と耐久信頼性の確保を容易とする効果を得られる。
Therefore, even if the capacitance is reduced from Ca to Cb, if Cb is selected so that the impedance Zb at 20 kHz satisfies Zb <Za, the capacitor can be reduced in size and weight by reducing the capacitance. Impedance can be reduced at the same time.
Further, since the impedance is reduced from Za to Zb, the loss that occurs when an alternating current flows through the capacitor is reduced, which is preferable because the temperature rise due to heat generation of the capacitor is mitigated. The temperature rise due to heat generation promotes the deterioration of the resin material used for the capacitor, and thus becomes a factor for shortening the durability of the DC / DC voltage converter using the capacitor. The DC / DC voltage converter according to the present invention can achieve the effect of facilitating the reduction in size and weight of the capacitor and the securing of durability reliability.

続いて、図9を参照して、制御ユニット3の動作について説明する。図9は、制御ユニット3と変換主回路2の構成を説明するブロック図である。
制御ユニット3は、外部から、変換主回路2の一次側端子電圧V1、二次側端子電圧V2、インダクタ電流IL、および、図示しない外部装置からのDC/DC電圧変換比指示を入力して内部で制御演算を行い、変換主回路2内のFET4、FET3、FET2、FET1のスイッチング動作を制御するゲート駆動信号8を出力する。
Next, the operation of the control unit 3 will be described with reference to FIG. FIG. 9 is a block diagram illustrating the configuration of the control unit 3 and the conversion main circuit 2.
The control unit 3 internally inputs the primary side terminal voltage V1, the secondary side terminal voltage V2, the inductor current IL, and the DC / DC voltage conversion ratio instruction from an external device (not shown) from the conversion main circuit 2. The control calculation is performed in this manner, and a gate drive signal 8 for controlling the switching operation of FET4, FET3, FET2, and FET1 in the conversion main circuit 2 is output.

制御ユニット3に入力する一次側端子電圧V1、二次側端子電圧V2、インダクタ電流IL、DC/DC電圧変換比指示は、変換制御部10に入力する。変換制御部10は、二次側端子電圧V2と一次側端子電圧V1との比から、実際に動作中の変換主回路2の電圧変換比を算出するとともに、外部装置からのDC/DC電圧変換比指示と突き合わせて公知の比例積分(PI)演算等を用いた負帰還制御演算を行ってFET1とFET2のオンデューティの目標量Ldutyを算出する。Ldutyは、デューティの下限を0%、上限を100%とする範囲で、例えば、0%の際にLduty=0.0、100%の際にLduty=1.0として間を直線補間した量として表す。   The primary side terminal voltage V 1, secondary side terminal voltage V 2, inductor current IL, and DC / DC voltage conversion ratio instruction that are input to the control unit 3 are input to the conversion control unit 10. The conversion control unit 10 calculates the voltage conversion ratio of the conversion main circuit 2 that is actually operating from the ratio of the secondary terminal voltage V2 and the primary terminal voltage V1, and converts the DC / DC voltage from an external device. A negative feedback control calculation using a known proportional integration (PI) calculation or the like is performed in comparison with the ratio instruction to calculate a target amount Lduty of the on-duty of FET1 and FET2. Lduty is a range in which the lower limit of the duty is 0% and the upper limit is 100%. For example, Lduty = 0.0 when 0% and Lduty = 1.0 when 100%. Represent.

また、インダクタ電流ILは、上記の電圧変換比の負帰還制御演算ループに内包される制御演算ループとして、インダクタ電流の目標量IL_refとインダクタ電流ILを突き合わせて行う負帰還制御演算の入力量として用いられる。
このインダクタ電流の負帰還マイナー制御演算を適用すれば、外周のDC/DC電圧変換比の負帰還制御系の制御帯域を高周波数に設定可能となり、半導体スイッチ素子にワイドバンドギャップ半導体を適用して従来よりも高い周波数でスイッチングするのと相俟って、DC/DC電圧変換比指示への変換比制御の追従応答性が向上する。
The inductor current IL is used as an input amount of a negative feedback control calculation performed by matching the inductor current target amount IL_ref and the inductor current IL as a control calculation loop included in the negative feedback control calculation loop having the voltage conversion ratio. It is done.
By applying the negative feedback minor control calculation of the inductor current, the control band of the negative feedback control system of the DC / DC voltage conversion ratio on the outer periphery can be set to a high frequency, and a wide band gap semiconductor is applied to the semiconductor switch element. Combined with switching at a higher frequency than before, the follow-up response of the conversion ratio control to the DC / DC voltage conversion ratio instruction is improved.

次に、LdutyはゲートPWM生成部11に入力する。ゲートPWM生成部11は、Ldutyの値に対応して、パルス幅変調(PWM:Pulse Width Modulation)し、図4(a)、図5(a)、図6(a)、図7(a)に示されるゲート駆動信号8(Gate1、Gate2、Gate3、Gate4)の原信号となる矩形状のゲートPWM信号Gpwm1、Gpwm2、Gpwm3、Gpwm4を生成出力する。これは、例えば、三角波比較法を用いて周波数が半導体スイッチ素子のスイッチング周波数、振幅が1.0の三角波とLdutyとの大小比較を行って生成される。   Next, Lduty is input to the gate PWM generator 11. The gate PWM generator 11 performs pulse width modulation (PWM) corresponding to the value of Lduty, and FIG. 4 (a), FIG. 5 (a), FIG. 6 (a), FIG. 7 (a). The rectangular gate PWM signals Gpwm1, Gpwm2, Gpwm3, and Gpwm4 that are the original signals of the gate drive signal 8 (Gate1, Gate2, Gate3, and Gate4) shown in FIG. This is generated, for example, by using a triangular wave comparison method to compare the magnitude of a triangular wave having a frequency of 1.0 and an amplitude of 1.0 with a switching frequency of the semiconductor switch element.

ゲートPWM信号Gpwm1、Gpwm2、Gpwm3、Gpwm4は、ゲート駆動回路12に入力する。ゲート駆動回路12は、ゲートPWM信号の論理に応じて半導体スイッチ素子をオン、オフ動作させるゲート駆動信号8を出力する。ゲート駆動回路12は、ゲートPWM生成部11との間でゲートPWM信号を受け渡しする必要から、信号を絶縁して受信する。これは、FET4、FET3、FET2、FET1のソース電位がそれぞれ個別の値となり、またFET4、FET3、FET2、FET1のオン、オフを切替えるために、それぞれの電界効果トランジスタのソース電位を基準として、ゲートの電位を操作する必要がある一方、ゲートPWM生成部11は、同一の基準電位でゲートPWM信号を生成出力するためである。   The gate PWM signals Gpwm1, Gpwm2, Gpwm3, and Gpwm4 are input to the gate drive circuit 12. The gate drive circuit 12 outputs a gate drive signal 8 for turning on and off the semiconductor switch element according to the logic of the gate PWM signal. Since the gate drive circuit 12 needs to transfer the gate PWM signal to and from the gate PWM generation unit 11, the gate drive circuit 12 receives the signal after being insulated. This is because the source potentials of FET4, FET3, FET2, and FET1 have individual values, and in order to switch on / off of FET4, FET3, FET2, and FET1, the gate potential is set based on the source potential of each field effect transistor. This is because the gate PWM generator 11 generates and outputs a gate PWM signal at the same reference potential.

また、上述のように、ソース電位が個別である各電界効果トランジスタを動作させるよう、ゲート駆動回路12は、ゲート駆動回路(1)121、ゲート駆動回路(2)122、ゲート駆動回路(3)123、ゲート駆動回路(4)124に分かれる。
各ゲート駆動回路は、対応する電界効果トランジスタのソース電位と信号接続しており、ゲート駆動信号8の電圧を電源電圧VDとするかソース電位とするかを切替えることで、スイッチオン、スイッチオフを制御する。電源電圧VDも各電界効果トランジスタに応じて個別に供給する必要から、4通りの相互に絶縁された電源電圧VD1、VD2、VD3、VD4をゲート電源回路13で作り、それぞれゲート駆動回路(1)121、ゲート駆動回路(2)122、ゲート駆動回路(3)123、ゲート駆動回路(4)124に供給する。
In addition, as described above, the gate drive circuit 12 includes the gate drive circuit (1) 121, the gate drive circuit (2) 122, and the gate drive circuit (3) so that each field effect transistor having an individual source potential is operated. 123 and the gate drive circuit (4) 124.
Each gate drive circuit is signal-connected to the source potential of the corresponding field effect transistor, and switching between switching on and switching off by switching the voltage of the gate driving signal 8 between the power supply voltage VD and the source potential. Control. Since the power supply voltage VD needs to be individually supplied according to each field effect transistor, four mutually isolated power supply voltages VD1, VD2, VD3, and VD4 are generated by the gate power supply circuit 13, and each of the gate drive circuits (1) 121, a gate drive circuit (2) 122, a gate drive circuit (3) 123, and a gate drive circuit (4) 124.

ゲート駆動回路(1)121はGate1信号を出力しFET1を、ゲート駆動回路(2)122はGate2信号を出力しFET2を、ゲート駆動回路(3)123はGate3信号を出力しFET3を、ゲート駆動回路(4)124はGate4信号を出力しFET4をそれぞれスイッチング動作する。   The gate drive circuit (1) 121 outputs a Gate1 signal to output FET1, the gate drive circuit (2) 122 outputs a Gate2 signal to output FET2, and the gate drive circuit (3) 123 outputs a Gate3 signal to drive FET3 to gate drive. The circuit (4) 124 outputs a Gate4 signal and performs switching operation of each FET4.

FET1とFET2のオンデューティとDC/DC電圧変換比の関係は、式(3)、式(6)にしたがって図10に示される特性となる。DC/DC電圧変換装置1は、上述のように図示しない外部装置からのDC/DC電圧変換比指示に追従すべく制御ユニット3で演算を行い、定常的には、図10の特性線上での指示されたDC/DC電圧変換比に対応するオンデューティでのゲート駆動信号8を出力して変換主回路2内の半導体スイッチ素子のスイッチオン、スイッチオフを制御する。
オンデューティが50%の場合にDC/DC電圧変換装置1の一次側端子電圧V1と二次側端子電圧V2は等しくなる。オンデューティが50%以上で昇圧動作となり、大きくなるに連れ、電圧変換比V2/V1も大きくなる。
オンデューティが50%未満で降圧動作となり、小さくなるに連れ、電圧変換比V2/V1も小さくなる。
The relationship between the on-duty of the FET1 and FET2 and the DC / DC voltage conversion ratio has the characteristics shown in FIG. 10 according to the equations (3) and (6). As described above, the DC / DC voltage conversion apparatus 1 performs an operation in the control unit 3 to follow a DC / DC voltage conversion ratio instruction from an external device (not shown) as described above. A gate drive signal 8 with an on-duty corresponding to the instructed DC / DC voltage conversion ratio is output to control switch-on and switch-off of the semiconductor switch element in the conversion main circuit 2.
When the on-duty is 50%, the primary terminal voltage V1 and the secondary terminal voltage V2 of the DC / DC voltage converter 1 are equal. When the on-duty is 50% or more, the boost operation is performed, and the voltage conversion ratio V2 / V1 increases as the on-duty increases.
When the on-duty is less than 50%, the step-down operation is performed, and the voltage conversion ratio V2 / V1 decreases as the on-duty decreases.

以上に説明したように、本実施の形態1によれば、半導体ユニットとして、そのバンドギャップがSiのそれより大きいワイドバンドギャップの半導体材料からなる電界効果トランジスタを用いてDC/DC電圧変換装置を構成しているため、可聴周波数上限の20kHz以上でのスイッチング動作が可能であって、かつ、半導体ユニットの半導体接合部温度の上限が、従来のSi材料によるものよりも大幅に引き上げられる。
また、本発明の変換主回路構成とすることで、インダクタLのリップル電流成分周波数は半導体スイッチ素子のスイッチング周波数の2倍とできる。
このことから、DC/DC電圧変換装置の出力電力容量を増加して半導体ユニットで生じる損失が増えたとしても、半導体ユニットの耐熱温度が高くなるため、ヒートシンクによる放熱とパワーデバイスの発熱との釣り合い関係が不整合とならない。一方、冷却ヒートシンクが要する冷却性能を下げることで、冷却ヒートシンクを小型、軽量とできる。装置の小型化に伴い、運搬や運搬時の梱包に関しても簡便となる。
As described above, according to the first embodiment, the DC / DC voltage conversion device is formed using a field effect transistor made of a semiconductor material having a wide band gap larger than that of Si as the semiconductor unit. Since it is configured, switching operation is possible at an audio frequency upper limit of 20 kHz or higher, and the upper limit of the semiconductor junction temperature of the semiconductor unit is significantly increased as compared with the conventional Si material.
Further, by adopting the conversion main circuit configuration of the present invention, the ripple current component frequency of the inductor L can be doubled the switching frequency of the semiconductor switch element.
As a result, even if the output power capacity of the DC / DC voltage converter increases and the loss generated in the semiconductor unit increases, the heat resistance temperature of the semiconductor unit increases, so that the heat dissipation by the heat sink and the heat generation of the power device are balanced. The relationship does not become inconsistent. On the other hand, by reducing the cooling performance required for the cooling heat sink, the cooling heat sink can be made smaller and lighter. Along with the downsizing of the device, the transportation and the packaging during transportation become simple.

更に、インダクタLのリップル電流成分の周波数が高くなるため、インダクタLのインダクタンスを下げることが可能となり、インダクタの容積と重量が従来技術に基づくものに比べ格段に低減する。
従って、取り扱い可能な出力電力容量を拡大し、電力密度が向上しつつも、小型で軽量なDC/DC電圧変換装置を実現可能である。
また、特に、インダクタLとエネルギ移行用キャパシタC0、平滑キャパシタC1、C2で顕著であった耳障りな可聴騒音の発生も解消できる。
Furthermore, since the frequency of the ripple current component of the inductor L is increased, the inductance of the inductor L can be lowered, and the volume and weight of the inductor are significantly reduced compared to those based on the prior art.
Therefore, it is possible to realize a small and lightweight DC / DC voltage conversion device while expanding the output power capacity that can be handled and improving the power density.
In particular, the generation of annoying audible noise, which is remarkable with the inductor L, the energy transfer capacitor C0, and the smoothing capacitors C1 and C2, can be solved.

なお、本発明の範囲内で、図11に示すよう変換主回路2の半導体ユニットへ、ワイドバンドギャップの半導体材料による電界効果トランジスタの替わりに、Si材料であって可聴周波数の上限周波数以上で動作可能なよう特性の調整を施したIGBT、および、これと逆並列に接続したワイドバンドギャップの半導体材料による整流素子を適用したものであっても良い。
図11において、半導体スイッチ素子は、IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4である。ワイドバンドギャップ材料による整流素子は、Di1、Di2、Di3、Di4である。IGBT1とDi1、IGBT2とDi2、IGBT3とDi3、IGBT4とDi4が対となって逆並列に接続し、電流を双方向に導通可能な半導体ユニットとなす。
Within the scope of the present invention, the semiconductor unit of the conversion main circuit 2 as shown in FIG. 11 is made of Si material and operates at a frequency higher than the upper limit of the audible frequency instead of the field effect transistor made of a wide band gap semiconductor material. An IGBT to which characteristics are adjusted as possible, and a rectifying element made of a semiconductor material with a wide band gap connected in reverse parallel thereto may be used.
In FIG. 11, the semiconductor switch elements are IGBT1, IGBT2, IGBT3, and IGBT4. The rectifying elements made of the wide band gap material are Di1, Di2, Di3, and Di4. IGBT1 and Di1, IGBT2 and Di2, IGBT3 and Di3, and IGBT4 and Di4 are connected in antiparallel to form a semiconductor unit capable of conducting current bidirectionally.

このように構成すれば、半導体スイッチ素子であるIGBTの半導体接合部温度を上限の175℃未満に抑えなければいけないものの、整流素子としてワイドバンドギャップの半導体材料を適用することから、逆回復時間が短く逆回復電流を低減できる。
よって、Si材料によるIGBTを用いたとしてもIGBTのスイッチングの応答速度を速めることができ、スイッチング損失を低減可能なことから、IGBTの温度上昇に余裕が生じ、DC/DC電圧変換装置が取り扱い可能な出力電力容量が拡大して電力密度が向上する。
With this configuration, the semiconductor junction temperature of the IGBT, which is a semiconductor switching element, must be kept below the upper limit of 175 ° C. However, since a wide band gap semiconductor material is applied as the rectifying element, the reverse recovery time is Short reverse recovery current can be achieved.
Therefore, even if an IGBT made of Si material is used, the switching response speed of the IGBT can be increased and the switching loss can be reduced. Therefore, there is a margin in the temperature rise of the IGBT, and the DC / DC voltage converter can be handled. The output power capacity is increased and the power density is improved.

また、図12に示すよう変換主回路2の半導体ユニットへ、共にワイドバンドギャップの半導体材料から成る電界効果トランジスタ、および、これと逆並列に接続した整流素子を適用したものであっても良い。
図12において、半導体スイッチ素子は、FET1、FET2、FET3、FET4である。整流素子は、Di1、Di2、Di3、Di4である。ワイドバンドギャップの半導体材料から成る整流素子は、主にショットキーバリアダイオードとして実装される。
Further, as shown in FIG. 12, a field effect transistor made of a wide bandgap semiconductor material and a rectifying element connected in reverse parallel thereto may be applied to the semiconductor unit of the conversion main circuit 2.
In FIG. 12, the semiconductor switch elements are FET1, FET2, FET3, and FET4. The rectifying elements are Di1, Di2, Di3, and Di4. A rectifying element made of a wide band gap semiconductor material is mainly mounted as a Schottky barrier diode.

このように構成すれば、特性が優れた整流素子を適用するため、整流素子に流れる電流の転流時に、しばらくの間、逆方向に電流が流れてしまうリカバリ動作時間を短縮できる。よって、スイッチング毎の動作状態の整定が短時間に行われる。したがって、スイッチング周波数をさらに向上させて、インダクタンス値Lcを低減し、インダクタLの容積を減らして、さらに、小型で軽量なDC/DC電圧変換装置を実現可能である。   With this configuration, since the rectifying element having excellent characteristics is applied, it is possible to shorten the recovery operation time in which the current flows in the reverse direction for a while when the current flowing through the rectifying element is commutated. Therefore, the operation state for each switching is set in a short time. Therefore, it is possible to further improve the switching frequency, reduce the inductance value Lc, reduce the volume of the inductor L, and realize a small and lightweight DC / DC voltage converter.

なお、以上の説明では、半導体ユニットのスイッチング周波数を可聴周波数の上限以上としたが、このスイッチング周波数の2倍となるインダクタに流れる交流成分の周波数が可聴周波数の上限値以上となる条件を満たすものとしても、特に、その騒音が問題となるインダクタの発生音が可聴周波数の上限以上となることから、耳障りな可聴騒音の発生は、以上で説明した場合と同様に防止することができる。
更には、インダクタの騒音が特に問題とならない環境で使用される場合等では、インダクタに流れる交流成分の周波数が可聴周波数の上限値以上となる条件に拘らず、スイッチング周波数を従来並に留める設定とすれば、標準的で比較的安価なスイッチング素子を使用することが出来、装置を低コストで実現できるとともに、一次側から二次側に電力を供給する力行動作時と二次側から一次側に電力を供給する回生動作時のいずれの場合にも、二次側電圧と一次側電圧の間を昇圧、降圧の双方に直流電圧変換する事が可能となるという、この発明特有の効果を享受することが出来る。
In the above description, the switching frequency of the semiconductor unit is set to be equal to or higher than the upper limit of the audible frequency, but the condition that satisfies the condition that the frequency of the AC component flowing through the inductor that is twice the switching frequency is equal to or higher than the upper limit of the audible frequency. In particular, since the noise generated by the inductor, whose noise is a problem, exceeds the upper limit of the audible frequency, generation of annoying audible noise can be prevented in the same manner as described above.
Furthermore, when used in an environment where the noise of the inductor is not particularly problematic, the switching frequency is set to be the same level as the conventional one regardless of the condition that the frequency of the AC component flowing through the inductor is not less than the upper limit of the audible frequency. In this way, standard and relatively inexpensive switching elements can be used, the device can be realized at low cost, and powering operation to supply power from the primary side to the secondary side and from the secondary side to the primary side In any case of the regenerative operation for supplying power, it is possible to enjoy the effect peculiar to the present invention that DC voltage conversion between the secondary side voltage and the primary side voltage can be performed for both step-up and step-down. I can do it.

実施の形態2.
以下、本発明の実施の形態2におけるDC/DC電圧変換装置を、図13から図16を用いて説明する。
本実施の形態のDC/DC電圧変換装置は、制御ユニット3内のゲートPWM生成部11とゲート駆動回路12の構成と動作、および変換主回路2内の電界効果トランジスタのターンオフ時の動作を除いて、先の実施の形態1のDC/DC電圧変換装置の場合と同じであり、以下では、実施の形態1と同じ構成、動作、作用の箇所については適宜説明を省略する。
Embodiment 2. FIG.
Hereinafter, a DC / DC voltage converter according to Embodiment 2 of the present invention will be described with reference to FIGS.
The DC / DC voltage converter according to the present embodiment excludes the configuration and operation of the gate PWM generator 11 and the gate drive circuit 12 in the control unit 3 and the operation when the field effect transistor in the conversion main circuit 2 is turned off. This is the same as in the case of the DC / DC voltage conversion apparatus of the first embodiment, and the description of the same configuration, operation, and action as in the first embodiment will be omitted as appropriate.

先ず、図13を参照して説明する。図13は、本実施例による制御ユニット3と変換主回路2の構成を説明するブロック図である。制御ユニット3は、外部から変換主回路2の一次側端子電圧V1、二次側端子電圧V2、インダクタ電流IL、および、図示しない外部装置からのDC/DC電圧変換比指示を入力して内部で制御演算を行い、変換主回路2内のスイッチング素子を制御するゲート駆動信号8を出力する。実施の形態1で示したタイミングと論理のゲート駆動信号8によって、変換主回路2内のスイッチング素子がスイッチオン、スイッチオフ動作して所望のDC/DC電圧変換が行われる。
制御ユニット3に入力する一次側端子電圧V1、二次側端子電圧V2、インダクタ電流IL、DC/DC電圧変換比指示は、変換制御部10に入力し、電圧変換比の負帰還制御演算が行われてFET1とFET2のオンデューティの目標量Ldutyが出力される。
First, a description will be given with reference to FIG. FIG. 13 is a block diagram illustrating the configuration of the control unit 3 and the conversion main circuit 2 according to this embodiment. The control unit 3 internally inputs the primary side terminal voltage V1, the secondary side terminal voltage V2, the inductor current IL, and a DC / DC voltage conversion ratio instruction from an external device (not shown). A control calculation is performed, and a gate drive signal 8 for controlling the switching elements in the conversion main circuit 2 is output. According to the timing and logic gate drive signal 8 shown in the first embodiment, the switching element in the conversion main circuit 2 is switched on and off to perform desired DC / DC voltage conversion.
The primary terminal voltage V1, the secondary terminal voltage V2, the inductor current IL, and the DC / DC voltage conversion ratio instruction that are input to the control unit 3 are input to the conversion control unit 10, and negative feedback control calculation of the voltage conversion ratio is performed. Then, the target amount Lduty of the on-duty of FET1 and FET2 is output.

続いて、ゲートPWM生成部11aは、Ldutyを入力し、Ldutyの値に対応してゲートPWM信号Gpwm1、Gpwm2、Gpwm3、Gpwm4を生成しゲート駆動回路12aへ出力する。
また、Ldutyの大小によって、ゲート駆動回路12aのスイッチオフ回路(1)とスイッチオフ回路(2)のいずれかを選択する切替え信号DCselをゲート駆動回路12aへ出力する。
Subsequently, the gate PWM generation unit 11a receives Lduty, generates gate PWM signals Gpwm1, Gpwm2, Gpwm3, and Gpwm4 corresponding to the value of Lduty and outputs them to the gate drive circuit 12a.
Further, a switching signal DCsel for selecting either the switch-off circuit (1) or the switch-off circuit (2) of the gate drive circuit 12a is output to the gate drive circuit 12a depending on the magnitude of Lduty.

ゲート駆動回路12aの詳細な構成は図14に示される。図14は、ゲート駆動回路12aを構成する4つの個別の駆動回路ブロック121a、122a、123a、124aの内の一つを代表して駆動回路ブロック12xaとして示している。上記の個別の駆動回路ブロック121a、122a、123a、124aは同じ構成、動作であって、駆動回路ブロック121aはFET1に、122aはFET2に、123aはFET3に、124aはFET4に対応している。
駆動回路ブロック12xaは、スイッチオン回路24、スイッチオフ回路(1)25、スイッチオフ回路(2)26のいずれかを動作させてゲート駆動信号8を生成し出力する。スイッチオン回路24は、小信号用の電界効果トランジスタ等の半導体スイッチ241と回路抵抗242とから成る。
The detailed configuration of the gate drive circuit 12a is shown in FIG. FIG. 14 shows one of four individual drive circuit blocks 121a, 122a, 123a, and 124a constituting the gate drive circuit 12a as a drive circuit block 12xa. The individual drive circuit blocks 121a, 122a, 123a, and 124a have the same configuration and operation. The drive circuit block 121a corresponds to FET1, 122a corresponds to FET2, 123a corresponds to FET3, and 124a corresponds to FET4.
The drive circuit block 12xa generates and outputs the gate drive signal 8 by operating any one of the switch-on circuit 24, the switch-off circuit (1) 25, and the switch-off circuit (2) 26. The switch-on circuit 24 includes a semiconductor switch 241 such as a small signal field effect transistor and a circuit resistor 242.

同様に、スイッチオフ回路(1)25は、半導体スイッチ251と回路抵抗252、スイッチオフ回路(2)26は、半導体スイッチ261と回路抵抗262とから成る。ここで、(回路抵抗252の抵抗値)<(回路抵抗262の抵抗値)の関係を持たせている。   Similarly, the switch-off circuit (1) 25 includes a semiconductor switch 251 and a circuit resistor 252, and the switch-off circuit (2) 26 includes a semiconductor switch 261 and a circuit resistor 262. Here, a relationship of (resistance value of circuit resistor 252) <(resistance value of circuit resistor 262) is given.

ゲートPWM信号Gpwmがゲート駆動回路12aに入力すると、内部で信号バッファ21、22に伝送される。信号バッファ21は、ゲートPWM信号Gpwmの論理がスイッチオン論理の場合に閉、スイッチオフ論理の場合に開とするよう半導体スイッチ241を制御する増幅回路である。
Gpwmがスイッチオン論理の場合に半導体スイッチ241が閉となって、ゲート駆動信号8(Gate)の電圧は電源電圧VDとなる。よって、対応する変換主回路2内の電界効果トランジスタがスイッチオンする。
When the gate PWM signal Gpwm is input to the gate drive circuit 12a, it is transmitted to the signal buffers 21 and 22 internally. The signal buffer 21 is an amplifier circuit that controls the semiconductor switch 241 to be closed when the logic of the gate PWM signal Gpwm is switch-on logic and open when the logic is switch-off logic.
When Gpwm is switch-on logic, the semiconductor switch 241 is closed, and the voltage of the gate drive signal 8 (Gate) becomes the power supply voltage VD. Therefore, the field effect transistor in the corresponding conversion main circuit 2 is switched on.

信号バッファ22は、ゲートPWM信号Gpwmの論理がスイッチオン論理の場合に開、スイッチオフ論理の場合に閉とするよう半導体スイッチ251、261を制御する増幅回路である。
Gpwmがスイッチオフ論理の場合に半導体スイッチ251か半導体スイッチ261の何れかが閉となって、ゲート駆動信号8(Gate)の電圧はソース電位と等しくなる。よって、対応する変換主回路2内の電界効果トランジスタがスイッチオフする。
The signal buffer 22 is an amplifier circuit that controls the semiconductor switches 251 and 261 so as to be opened when the logic of the gate PWM signal Gpwm is switch-on logic and closed when the logic is switch-off logic.
When Gpwm is switch-off logic, either the semiconductor switch 251 or the semiconductor switch 261 is closed, and the voltage of the gate drive signal 8 (Gate) becomes equal to the source potential. Therefore, the field effect transistor in the corresponding conversion main circuit 2 is switched off.

ここで、半導体スイッチ251と半導体スイッチ261の何れを閉とするかは、オフ信号調整手段としての回路切替え器23で選択される。
信号バッファ22の出力と切替え信号DCselとが回路切替え器23に入力し、スイッチオフ回路(1)25とスイッチオフ回路(2)26のどちらを動作させるかを選択して、選択した側のスイッチオフ回路内の半導体スイッチを閉とするよう制御信号を伝送する。
Here, which of the semiconductor switch 251 and the semiconductor switch 261 is to be closed is selected by a circuit switch 23 as an off signal adjusting means.
The output of the signal buffer 22 and the switching signal DCsel are input to the circuit switch 23 to select which one of the switch-off circuit (1) 25 and the switch-off circuit (2) 26 is operated, and the switch on the selected side A control signal is transmitted to close the semiconductor switch in the off circuit.

回路切替え器23でのスイッチオフ回路の選択は、図15に示す形態で行われる。
図15は、オンデューティに対応して二種類のスイッチオフ回路のいずれを選択するかを模式的に示す説明図である。図15にて、スイッチオフ回路の切替えはオンデューティに関してオンデューティ幅ΔDのヒステリシスをもって行われる。
即ち、スイッチオフ回路(1)25が選択されている状態で、オンデューティがDa %(第2の閾値)以上となればスイッチオフ回路(2)26を選択するよう切替える。また、スイッチオフ回路(2)26が選択されている状態で、オンデューティが(Da−ΔD)%(第1の閾値)未満となればスイッチオフ回路(1)25を選択するよう切替える。
即ち、オンデューティが高く、Da%以上の場合に高い回路抵抗値でのスイッチオフ回路で動作させ、オンデューティが低く、(Da−ΔD)%未満の場合に低い回路抵抗値でのスイッチオフ回路で動作させる。
実施の形態1で説明したように、オンデューティが50%以上では昇圧動作であり、オンデューティが高いほどDC/DC電圧変換比は大きく、DC/DC電圧変換装置の二次側電圧V2は高くなる。
Selection of the switch-off circuit in the circuit switcher 23 is performed in the form shown in FIG.
FIG. 15 is an explanatory diagram schematically showing which of two types of switch-off circuits is selected corresponding to the on-duty. In FIG. 15, switching of the switch-off circuit is performed with a hysteresis of an on-duty width ΔD with respect to the on-duty.
That is, when the switch-off circuit (1) 25 is selected and the on-duty is equal to or higher than Da% (second threshold), the switch-off circuit (2) 26 is switched to be selected. Further, when the switch-off circuit (2) 26 is selected, if the on-duty is less than (Da-ΔD)% (first threshold), the switch-off circuit (1) 25 is switched to be selected.
That is, when the on-duty is high and Da% or more, the switch-off circuit is operated with a high circuit resistance value. When the on-duty is low and less than (Da−ΔD)%, the switch-off circuit with a low circuit resistance value is used. Operate with.
As described in the first embodiment, the boost operation is performed when the on-duty is 50% or more. The higher the on-duty, the larger the DC / DC voltage conversion ratio, and the higher the secondary side voltage V2 of the DC / DC voltage converter. Become.

なお、後段でも触れるが、回路切替え器23は、(回路抵抗252の抵抗値)<(回路抵抗262の抵抗値)の関係に基づき、半導体スイッチへのゲート信号8を立ち下げ該半導体スイッチをオフさせるときの立ち下げ峻度を、スイッチオフ回路(1)25を選択することで当該立ち下げ峻度として第1の設定値を選択するケースと、スイッチオフ回路(2)26を選択することで当該立ち下げ峻度として上記第1の設定値より小さい第2の設定値を選択するケースとの切替えを行うものである。   As will be described later, the circuit switch 23 turns off the semiconductor switch by lowering the gate signal 8 to the semiconductor switch based on the relationship of (resistance value of the circuit resistor 252) <(resistance value of the circuit resistor 262). When the switch-off circuit (1) 25 is selected as the falling steepness when the first setting value is selected as the falling steepness, and the switch-off circuit (2) 26 is selected. Switching to the case where the second set value smaller than the first set value is selected as the falling steepness is performed.

以上のように動作すれば、DC/DC電圧変換装置1の二次側電圧が高電圧の際に、電界効果トランジスタがターンオフ動作する場合に発生するサージ電圧を低減し、電界効果トランジスタのドレイン−ソース(D−S)間でのサージ電圧を加味した最大電圧が過大となるのを防止できる。このことについて、図16を用いて更に詳細に説明する。   If operated as described above, when the secondary side voltage of the DC / DC voltage converter 1 is high, the surge voltage generated when the field effect transistor is turned off is reduced. It is possible to prevent the maximum voltage including the surge voltage between the sources (DS) from becoming excessive. This will be described in more detail with reference to FIG.

図16は、電界効果トランジスタのターンオフ時の動作波形を示すものであり、横軸は時間の経過を表している。図16(a)は、低い回路抵抗値のスイッチオフ回路で動作した場合、図16(b)は、高い回路抵抗値のスイッチオフ回路で動作した場合である。
なお、図中の各記号は、
Vgs:ゲート−ソース(G−S)間の電圧、
Ig:ゲート駆動信号8の動作電流、
Vds:ドレイン−ソース(D−S)間電圧、
Id:ドレインに流れ込む電流、
Vth:閾値電圧、
Nfet:変換主回路の電界効果トランジスタの直列数
である。
FIG. 16 shows an operation waveform when the field effect transistor is turned off, and the horizontal axis represents the passage of time. FIG. 16A shows a case where the switch-off circuit has a low circuit resistance value, and FIG. 16B shows a case where the switch-off circuit has a high circuit resistance value.
Each symbol in the figure is
Vgs: gate-source (GS) voltage,
Ig: operating current of the gate drive signal 8;
Vds: drain-source (DS) voltage,
Id: current flowing into the drain,
Vth: threshold voltage,
Nfet: the number of series field effect transistors in the conversion main circuit.

ターンオフ動作の過程は、図16(a)においては時刻ta1からta4までの変化で、また、図16(b)においては時刻tb1からtb4までの変化で表される。
図16(a)において、先ず、時刻ta1でゲート駆動信号8の論理がスイッチオンからスイッチオフに切替わる。Vgsは、ゲート−ソ−ス間容量Cgsを放電し、時刻ta2でVthに達する。時刻ta2から電圧Vdsが増加し始めることより、ドレイン−ソ−ス間容量Cdsの両端電圧は増加し充電される。同時に、ゲート−ドレイン間容量Cgdも充電される。時刻ta2から時刻ta3の間、Cgsの放電は一旦休止し、電圧Vgsの減少は止んでVthに一定となる。この間でゲート駆動信号8の動作電流Igは大きくなりΔigp1となる。時刻ta3では電圧Vdsはほぼ増加し切る。
The process of the turn-off operation is represented by a change from time ta1 to ta4 in FIG. 16A and a change from time tb1 to tb4 in FIG. 16B.
In FIG. 16A, first, the logic of the gate drive signal 8 is switched from switch-on to switch-off at time ta1. Vgs discharges the gate-source capacitance Cgs and reaches Vth at time ta2. Since the voltage Vds starts to increase from time ta2, the voltage across the drain-source capacitance Cds increases and is charged. At the same time, the gate-drain capacitance Cgd is also charged. From the time ta2 to the time ta3, the discharge of Cgs is temporarily stopped, the decrease of the voltage Vgs is stopped and becomes constant at Vth. During this time, the operating current Ig of the gate drive signal 8 increases and becomes Δigp1. At time ta3, the voltage Vds almost increases.

時刻ta3でCgdの充電がほぼ終了すると、Cgsの放電が再開して電流Idは減少していく。時刻ta4で、Idは減少し切って、ターンオフ動作が終了する。
ここで、電流Idの変化速度dId/dtと配索導体部分の寄生インダクタンスLsとの積より、誘起電圧が生じてサージ電圧ΔVsg1となる。ターンオフの過渡的な動作が終了すると電圧Vds=(2・V2)/Nfet に収束する。これは電圧V2が印加される部分をNfet個の内の半数の電界効果トランジスタで受け持っている状態である。半数で受け持つのは、電界効果トランジスタのスイッチオンとスイッチオフの関係が相補となる組み合わせとして動作しているためである。
ターンオフ動作の過渡状態で電圧Vdsにはサージ電圧が重畳されて、最大値がVds_max=(2・V2)/Nfet+ΔVsg1に達する。このVds_maxが過大であれば、パワーデバイスやキャパシタの耐電圧を超過し損傷する懸念が強まる。
When the charging of Cgd is almost completed at time ta3, the discharging of Cgs resumes and the current Id decreases. At time ta4, Id completely decreases and the turn-off operation is completed.
Here, an induced voltage is generated from the product of the change rate dId / dt of the current Id and the parasitic inductance Ls of the wiring conductor portion, resulting in a surge voltage ΔVsg1. When the transient operation of the turn-off is finished, the voltage converges to Vds = (2 · V2) / Nfet. This is a state in which the portion to which the voltage V2 is applied is handled by half of the Nfet field effect transistors. The half is responsible because it operates as a combination in which the relationship between the switch-on and switch-off of the field effect transistor is complementary.
In a transient state of the turn-off operation, a surge voltage is superimposed on the voltage Vds, and the maximum value reaches Vds_max = (2 · V2) / Nfet + ΔVsg1. If this Vds_max is excessive, there is a greater concern that the withstand voltage of the power device or capacitor will be exceeded and damaged.

一方、高い回路抵抗値を用いた、ゲート信号の立ち下がり峻度が小さく緩やかとなるスイッチオフ回路で動作した場合は図16(b)のようになる。
図16(b)で時刻tb1、tb2、tb3、tb4に亘る動作の内容は図16(a)と同じであり、時刻tbxは時刻taxと対応している。しかし、回路抵抗値の相違より、時刻tb2から時刻tb3の間のゲート駆動信号8の動作電流Igは、図16(a)のΔigp1より小さいΔigp2となる。これは、閾値電圧Vthに対して高い回路抵抗値で動作電流Igを流すためである。
On the other hand, when operating with a switch-off circuit using a high circuit resistance value in which the falling steepness of the gate signal is small and gentle, the operation is as shown in FIG.
In FIG. 16B, the content of the operation over time tb1, tb2, tb3, tb4 is the same as that in FIG. 16A, and time tbx corresponds to time tax. However, due to the difference in circuit resistance value, the operating current Ig of the gate drive signal 8 from time tb2 to time tb3 becomes Δigp2 which is smaller than Δigp1 in FIG. This is because the operating current Ig flows with a circuit resistance value higher than the threshold voltage Vth.

よって、時刻tb3から時刻tb4にかけてCgsの放電が再開して電流Idが減少していく際の電流Idの変化速度dId/dtは、図16(a)の波形と比較して緩やかなものとなる。従って、配索導体部分の寄生インダクタンスLsとの積で表されるサージ電圧ΔVsg2は、図16(a)でのΔVsg1よりも低くなり、過渡状態での電圧Vdsの最大値Vds_max=(2・V2)/NFET+ΔVsg2 も低くなる。   Therefore, the change rate dId / dt of the current Id when the discharge of Cgs is resumed from the time tb3 to the time tb4 and the current Id is decreased is slower than the waveform of FIG. . Accordingly, the surge voltage ΔVsg2 expressed by the product of the parasitic inductance Ls of the wiring conductor portion is lower than ΔVsg1 in FIG. 16A, and the maximum value Vds_max = (2 · V2) of the voltage Vds in the transient state. ) / NFET + ΔVsg2 also decreases.

以上のことから、本実施の形態2のDC/DC電圧変換装置1は、オンデューティに応じてゲート駆動回路12a内のスイッチオフ回路を切替えることによって、二次側電圧V2が高電圧の場合に電界効果トランジスタのドレイン−ソース間に重畳するサージ電圧を低く抑える。このため、ドレイン−ソース間電圧が過大となって半導体ユニットやキャパシタの耐電圧を超過し、損傷してしまわぬよう動作できる。   From the above, the DC / DC voltage conversion apparatus 1 according to the second embodiment switches the switch-off circuit in the gate drive circuit 12a according to the on-duty so that the secondary voltage V2 is high. The surge voltage superimposed between the drain and source of the field effect transistor is kept low. For this reason, the drain-source voltage can be excessively high, exceeding the withstand voltage of the semiconductor unit or capacitor, and can be operated so as not to be damaged.

なお、スイッチオフの動作速度を速めればサージ電圧は電流Idの変化速度dId/dtに比例する関係より、サージ電圧は増える方向となる。
本実施の形態2では、オンデューティが高い際にスイッチオフの動作速度を遅くする動作となるため、二次側電圧V2が高電圧であって半導体ユニットやキャパシタの耐電圧を超過する懸念が高まる動作範囲でのみ、サージ電圧が低減するようスイッチオフ回路を切替える。従って、二次側端子電圧V2が高電圧ではない動作範囲でスイッチオフの動作速度を速くでき、スイッチング損失が少なく高効率となる利点が得られる。
Note that if the switch-off operation speed is increased, the surge voltage increases in a direction that is proportional to the change rate dId / dt of the current Id.
In the second embodiment, when the on-duty is high, the switch-off operation speed is slowed down, so that the concern is that the secondary side voltage V2 is high and exceeds the withstand voltage of the semiconductor unit or capacitor. The switch-off circuit is switched so that the surge voltage is reduced only in the operating range. Therefore, the switch-off operation speed can be increased in the operation range where the secondary terminal voltage V2 is not a high voltage, and there is an advantage that the switching loss is small and the efficiency is high.

実施の形態3.
以下、本発明の実施の形態3におけるDC/DC電圧変換装置を、図17から図21を用いて説明する。
本実施の形態のDC/DC電圧変換装置は、エネルギ移行用キャパシタC0とインダクタLと半導体ユニットである電界効果トランジスタの温度に基づいて、電界効果トランジスタのスイッチング周波数を調整するよう構成されていることを除いて、先の実施の形態1のDC/DC電圧変換装置の場合と同じである。以下では、実施の形態1と同じ構成、動作、作用の箇所については適宜説明を省略する。
Embodiment 3 FIG.
Hereinafter, a DC / DC voltage conversion apparatus according to Embodiment 3 of the present invention will be described with reference to FIGS.
The DC / DC voltage converter according to the present embodiment is configured to adjust the switching frequency of the field effect transistor based on the energy transfer capacitor C0, the inductor L, and the temperature of the field effect transistor that is the semiconductor unit. Is the same as that of the DC / DC voltage converter of the first embodiment. Hereinafter, the description of the same configuration, operation, and action as in the first embodiment will be omitted as appropriate.

先ず、図17は、本実施の形態による変換主回路2の構成を示す図である。変換主回路2内のFET1には、半導体チップの近傍、あるいは半導体チップの構成面に温度検出用ダイオード271が形成されており、FET1の半導体チップ温度を検出する。また、同様にFET3の半導体チップの近傍、あるいは半導体チップの構成面に温度検出用ダイオード273が形成されており、FET3の半導体チップ温度を検出する。
インダクタL、エネルギ移行用キャパシタC0には、それぞれの温度を検出するインダクタ温度検出器28、キャパシタ温度検出器29が取り付けられており、各温度を検出する。
First, FIG. 17 is a diagram showing a configuration of the conversion main circuit 2 according to the present embodiment. The FET 1 in the conversion main circuit 2 is provided with a temperature detection diode 271 in the vicinity of the semiconductor chip or on the component surface of the semiconductor chip, and detects the semiconductor chip temperature of the FET 1. Similarly, a temperature detection diode 273 is formed in the vicinity of the semiconductor chip of the FET 3 or on the constituent surface of the semiconductor chip, and detects the semiconductor chip temperature of the FET 3.
An inductor temperature detector 28 and a capacitor temperature detector 29 for detecting respective temperatures are attached to the inductor L and the energy transfer capacitor C0, and each temperature is detected.

図18は、本実施例による制御ユニット3の構成を示すブロック図である。制御ユニット3には、外部から変換主回路2の一次側端子電圧V1、二次側端子電圧V2、インダクタ電流IL、図示しない外部装置からのDC/DC電圧変換比指示、および、上記変換主回路2の温度検出用ダイオード271、273、インダクタ温度検出器28、キャパシタ温度検出器29からの信号が入力される。   FIG. 18 is a block diagram showing the configuration of the control unit 3 according to this embodiment. The control unit 3 includes an external primary terminal voltage V1, a secondary terminal voltage V2, an inductor current IL, a DC / DC voltage conversion ratio instruction from an external device (not shown), and the conversion main circuit. 2, signals from the temperature detection diodes 271 and 273, the inductor temperature detector 28, and the capacitor temperature detector 29 are input.

詳細には、インダクタ温度検出器28の信号は、インダクタ温度算出回路31に入力し、インダクタ温度TmLを出力する。キャパシタ温度検出器29の信号は、キャパシタ温度算出回路32に入力し、キャパシタ温度TmCを出力する。
また、温度検出用ダイオード271、273の信号は、半導体チップ温度算出回路33に入力し、FET1かFET3のいずれか高い方の半導体チップ温度Tmjを出力する。
温度検出用ダイオードは、所定の順バイアス電流を流しているという状態の下で、そのPN接合部の温度によってアノードAt−カソードKt間の電圧VFが変化するという性質を持っている。半導体チップ温度算出回路33は、この性質を用いてFET1、FET3の半導体チップ温度を算出する。
なお、便宜上FET2、FET4の半導体チップ温度は検出しない様態で説明しているが、必ずしもこの通りではなく、全ての電界効果トランジスタの半導体チップ温度を検出するものであっても、また、いずれか一つのみの半導体チップ温度を検出するものであっても良い。
Specifically, the signal of the inductor temperature detector 28 is input to the inductor temperature calculation circuit 31 and outputs the inductor temperature TmL. The signal of the capacitor temperature detector 29 is input to the capacitor temperature calculation circuit 32, and the capacitor temperature TmC is output.
The signals of the temperature detection diodes 271 and 273 are input to the semiconductor chip temperature calculation circuit 33, and the semiconductor chip temperature Tmj, which is the higher one of FET1 or FET3, is output.
The temperature detecting diode has a property that the voltage VF between the anode At and the cathode Kt varies depending on the temperature of the PN junction portion under the condition that a predetermined forward bias current is flowing. The semiconductor chip temperature calculation circuit 33 calculates the semiconductor chip temperatures of the FET1 and FET3 using this property.
For convenience, the semiconductor chip temperatures of FET2 and FET4 are not detected. However, this is not necessarily the case, and the semiconductor chip temperatures of all field effect transistors may be detected. Only one semiconductor chip temperature may be detected.

続いて、各温度TmL、TmC、Tmjは、スイッチング周波数調整手段である周波数調整器34に入力する。周波数調整器34は、これら入力した各温度に基づいて、電界効果トランジスタFET1、FET2、FET3、FET4のスイッチング周波数の適正値を選択する。
この適正値の選択は、インダクタLの温度あるいはエネルギ移行用キャパシタC0の温度が高温となり、規定動作温度範囲の上限に近付く場合に、スイッチング周波数を漸増させるよう調整することで行われる。
Subsequently, the temperatures TmL, TmC, and Tmj are input to the frequency adjuster 34 that is a switching frequency adjusting unit. The frequency adjuster 34 selects an appropriate value of the switching frequency of the field effect transistors FET1, FET2, FET3, and FET4 based on these input temperatures.
The appropriate value is selected by adjusting the switching frequency to be gradually increased when the temperature of the inductor L or the energy transfer capacitor C0 becomes high and approaches the upper limit of the specified operating temperature range.

このことを、図19を用いて説明する。図19(a)は、スイッチング周波数fcとインダクタL、エネルギ移行用キャパシタC0の発熱量との関係を説明する模式図である。図19(a)に示すように、スイッチング周波数fcが低いほど発熱量は多く、スイッチング周波数fcが高いほど発熱量は少なくなる。これは、実施の形態1にて説明したように、スイッチング周波数が高いほど、リップル電流成分である交流電流の振幅が低減して損失、即ち、発熱量が低減することに因る。同様に、エネルギ移行用キャパシタC0の発熱量が低減するのも交流電流の振幅が低減するためである。インダクタL、エネルギ移行用キャパシタC0の発熱量がスイッチング周波数fcの増加に連れて累乗根で減少するのは、発熱量が主に交流電流の累乗に依存した値となるためである。   This will be described with reference to FIG. FIG. 19A is a schematic diagram illustrating the relationship between the switching frequency fc, the amount of heat generated by the inductor L, and the energy transfer capacitor C0. As shown in FIG. 19A, the lower the switching frequency fc, the greater the amount of heat generation, and the higher the switching frequency fc, the smaller the amount of heat generation. As described in the first embodiment, this is because the higher the switching frequency, the smaller the amplitude of the alternating current, which is the ripple current component, and the more the loss, that is, the heat generation amount. Similarly, the amount of heat generated by the energy transfer capacitor C0 is reduced because the amplitude of the alternating current is reduced. The reason why the heat generation amount of the inductor L and the energy transfer capacitor C0 decreases at the power root as the switching frequency fc increases is that the heat generation amount mainly depends on the power of the alternating current.

図19(b)は、スイッチング周波数fcと半導体ユニットの発熱量との関係を説明する模式図である。図19(b)に示すように、スイッチング周波数fcが低いほど発熱量は少なく、スイッチング周波数fcが高いほど発熱量は多くなる。これは、スイッチング周波数が高いほど、所定時間当たりのスイッチング回数が増えることから、半導体スイッチ素子に生じるスイッチング損失と整流素子に生じる逆回復損失が増加するためである。なお、電界効果トランジスタは、半導体スイッチ素子と整流素子とが一体となった双方向導通デバイスである。
この図19(a)と図19(b)の特性から、スイッチング周波数fcが低いほどインダクタL、エネルギ移行用キャパシタC0は高温となり易く、スイッチング周波数fcが高いほど半導体スイッチ素子と整流素子は高温となり易い。
FIG. 19B is a schematic diagram illustrating the relationship between the switching frequency fc and the heat generation amount of the semiconductor unit. As shown in FIG. 19B, the lower the switching frequency fc, the smaller the heat generation amount, and the higher the switching frequency fc, the larger the heat generation amount. This is because, as the switching frequency is higher, the number of times of switching per predetermined time increases, so that the switching loss that occurs in the semiconductor switch element and the reverse recovery loss that occurs in the rectifier element increase. The field effect transistor is a bidirectional conduction device in which a semiconductor switching element and a rectifying element are integrated.
From the characteristics shown in FIGS. 19A and 19B, the lower the switching frequency fc, the higher the temperature of the inductor L and the energy transfer capacitor C0. The higher the switching frequency fc, the higher the temperature of the semiconductor switch element and the rectifying element. easy.

この特性から、周波数調整器34は以下のように動作する。図20は、周波数調整器34の詳細な構成を示すブロック図である。図において、341は周波数調整テーブルL、342は周波数調整テーブルC、343は周波数調整テーブルjである。また、344は選択処理手段である。
インダクタ温度算出回路31からのインダクタ温度TmLは周波数調整テーブルL341に入力し、テーブル参照によってTmLに適したスイッチング周波数候補fclを出力する。このテーブルでは、インダクタLの動作温度範囲Tl_minからTl_maxの範囲で閾値Tl_Fより低温時は初期値fc0を、閾値Tl_F以上の高温時はTl_maxに対応してfcl_maxとなるまでの間で漸増する設定としている。これは、図19(a)のスイッチング周波数が高い場合にインダクタLの発熱量が減少する特性に合わせて、高温時にはスイッチング周波数を漸増したいとするものである。
ここで、初期値fc0は、可聴周波数の上限以上の周波数であり、インダクタL、エネルギ移行用キャパシタC0、半導体ユニットの何れも高温でなく、過熱の懸念なしに通常の動作を行う場合のスイッチング周波数の基本設定値である。
From this characteristic, the frequency adjuster 34 operates as follows. FIG. 20 is a block diagram showing a detailed configuration of the frequency adjuster 34. In the figure, 341 is a frequency adjustment table L, 342 is a frequency adjustment table C, and 343 is a frequency adjustment table j. Reference numeral 344 denotes selection processing means.
The inductor temperature TmL from the inductor temperature calculation circuit 31 is input to the frequency adjustment table L341, and the switching frequency candidate fcl suitable for TmL is output by referring to the table. In this table, the initial value fc0 is set when the temperature is lower than the threshold value Tl_F in the range of the operating temperature range Tl_min to Tl_max of the inductor L, and is gradually increased until fcl_max is reached corresponding to Tl_max when the temperature is higher than the threshold value Tl_F. Yes. This is intended to gradually increase the switching frequency at high temperatures in accordance with the characteristic that the amount of heat generated by the inductor L decreases when the switching frequency in FIG. 19A is high.
Here, the initial value fc0 is a frequency that is equal to or higher than the upper limit of the audible frequency, and none of the inductor L, the energy transfer capacitor C0, and the semiconductor unit is at a high temperature and performs a normal operation without fear of overheating. This is the basic setting value.

同様に、キャパシタ温度算出回路32からのキャパシタ温度TmCは、周波数調整テーブルC342に入力し、テーブル参照にてTmCに適したスイッチング周波数候補fccを出力する。このテーブルでは、キャパシタCの動作温度範囲Tc_minからTc_maxの範囲で閾値Tc_Fより低温時は初期値fc0を、閾値Tc_F以上の高温時はTc_maxに対応してfcc_maxとなるまでの間で漸増する設定としている。これも上記のインダクタLでの場合と同様に、スイッチング周波数が高い場合にエネルギ移行用キャパシタC0の発熱量が減少する特性に合わせて、高温時にはスイッチング周波数を漸増したいとするものである。   Similarly, the capacitor temperature TmC from the capacitor temperature calculation circuit 32 is input to the frequency adjustment table C342, and a switching frequency candidate fcc suitable for TmC is output by referring to the table. In this table, the initial value fc0 is set when the temperature is lower than the threshold value Tc_F in the range of the operating temperature range Tc_min to Tc_max of the capacitor C, and gradually increases until fcc_max is reached corresponding to Tc_max when the temperature is higher than the threshold value Tc_F. Yes. Similarly to the case of the inductor L described above, it is desired to gradually increase the switching frequency at a high temperature in accordance with the characteristic that the calorific value of the energy transfer capacitor C0 decreases when the switching frequency is high.

また、半導体チップ温度算出回路33からの、温度検出した内で最も高い半導体チップ温度Tmjを、周波数調整テーブルj343に入力し、テーブル参照にてTmjに適したスイッチング周波数候補fcjを出力する。このテーブルでは、半導体ユニットの動作温度範囲Tj_minからTj_maxの範囲で閾値Tj_Fより低温時は初期値fcj_maxを、閾値Tj_F以上の高温時はTj_maxに対応してfcj_minとなるまでの間で漸減する設定としている。
これは、図19(b)のスイッチング周波数が低い場合に、半導体ユニットの発熱量が減少する特性に合わせて、高温時にはスイッチング周波数を漸減したいとするものである。
Further, the semiconductor chip temperature Tmj that is the highest detected temperature from the semiconductor chip temperature calculation circuit 33 is input to the frequency adjustment table j343, and a switching frequency candidate fcj suitable for Tmj is output by referring to the table. In this table, the initial value fcj_max is set when the temperature is lower than the threshold value Tj_F in the operating temperature range Tj_min to Tj_max of the semiconductor unit, and is gradually decreased until reaching fcj_min corresponding to Tj_max when the temperature is higher than the threshold value Tj_F. Yes.
This is because when the switching frequency in FIG. 19B is low, it is desired to gradually decrease the switching frequency at a high temperature in accordance with the characteristic that the heat generation amount of the semiconductor unit decreases.

続いて、選択処理手段344は、スイッチング周波数候補fcl、fcc、fcjを入力し、図21に示す処理フローにしたがってスイッチング周波数指示値fc_refを選択し出力する。
図21の処理フローで、先ず、ステップS101にてスイッチング周波数暫定指示値fc_tmpへfclとfccのいずれか大きい方の値を設定する。次に、ステップS102でスイッチング周波数暫定指示値fc_tmpとスイッチング周波数候補fcjとの大小関係を比較して、fc_tmp≦fcjならばステップS104へ進む。反対に、fc_tmp>fcjならばステップS103へ進む。ステップS103ではスイッチング周波数暫定指示値fc_tmpへfcjを設定する。
次に、ステップS104で暫定指示値fc_tmpをスイッチング周波数指示値fc_refへ設定する。このfc_refが選択処理手段344より出力される。
Subsequently, the selection processing unit 344 receives the switching frequency candidates fcl, fcc, and fcj, and selects and outputs the switching frequency instruction value fc_ref according to the processing flow shown in FIG.
In the processing flow of FIG. 21, first, in step S101, the larger one of fcl and fcc is set to the switching frequency provisional instruction value fc_tmp. Next, in step S102, the magnitude relationship between the switching frequency provisional instruction value fc_tmp and the switching frequency candidate fcj is compared. If fc_tmp ≦ fcj, the process proceeds to step S104. On the other hand, if fc_tmp> fcj, the process proceeds to step S103. In step S103, fcj is set to the switching frequency provisional instruction value fc_tmp.
Next, in step S104, the provisional instruction value fc_tmp is set to the switching frequency instruction value fc_ref. This fc_ref is output from the selection processing means 344.

これらの動作で、ステップS102での分岐とステップS103のスイッチング周波数暫定指示値fc_tmpへのfcjの設定は、インダクタL、あるいは、エネルギ移行用キャパシタC0が高温となってスイッチング周波数を漸増したい場合でも、半導体ユニットの半導体チップ温度もまた高温であってスイッチング周波数を漸減したければ、後者を優先してスイッチング周波数指示値に選択するという動作を表している。   In these operations, the branching in step S102 and the setting of fcj to the switching frequency provisional instruction value fc_tmp in step S103 are performed even when the inductor L or the energy transfer capacitor C0 is at a high temperature and it is desired to gradually increase the switching frequency. If the semiconductor chip temperature of the semiconductor unit is also high and the switching frequency is to be gradually decreased, the latter is preferentially selected as the switching frequency instruction value.

次に、選択処理手段344からのスイッチング周波数指示値fc_refは、周波数調整器34の出力としてゲートPWM生成部11bに入力する。ゲートPWM生成部11bは、図9に示す実施の形態1のゲートPWM生成部11と同様に、Ldutyの値に対応してパルス幅変調し、ゲート駆動信号8(Gate1、Gate2、Gate3、Gate4)の原信号となる矩形状のゲートPWM信号Gpwm1、Gpwm2、Gpwm3、Gpwm4を生成出力する。
この時、搬送波の周波数、即ち、スイッチング周波数を上記スイッチング周波数指示値fc_refに設定してゲートPWM信号を生成する。
上記に説明した内容を除く制御ユニット3の構成と動作は、実施の形態1で説明した制御ユニット3のものと同じであるため、説明を省略する。
Next, the switching frequency instruction value fc_ref from the selection processing unit 344 is input to the gate PWM generation unit 11 b as an output of the frequency adjuster 34. Similarly to the gate PWM generation unit 11 of the first embodiment shown in FIG. 9, the gate PWM generation unit 11b performs pulse width modulation corresponding to the value of Lduty, and gate drive signals 8 (Gate1, Gate2, Gate3, Gate4). And generate and output rectangular gate PWM signals Gpwm1, Gpwm2, Gpwm3, and Gpwm4.
At this time, the gate PWM signal is generated by setting the frequency of the carrier wave, that is, the switching frequency to the switching frequency instruction value fc_ref.
Since the configuration and operation of the control unit 3 excluding the contents described above are the same as those of the control unit 3 described in the first embodiment, description thereof will be omitted.

以上のように、本実施の形態3のDC/DC電圧変換装置1によれば、変換主回路のエネルギ移行用キャパシタとインダクタと半導体ユニットの温度に基づいて、半導体ユニットのスイッチング周波数を調整する。このため、半導体ユニットと比較して相対的に耐熱性が低い樹脂材料を用いてエネルギ移行用キャパシタやインダクタを構成したとしても、エネルギ移行用キャパシタやインダクタが高温となった際に、半導体ユニットの半導体チップ温度の上昇が問題とならない範囲でスイッチング周波数を漸増し、キャパシタやインダクタが過熱して損傷しないよう保護することが可能となる。   As described above, according to the DC / DC voltage converting apparatus 1 of the third embodiment, the switching frequency of the semiconductor unit is adjusted based on the energy transfer capacitor, the inductor, and the temperature of the semiconductor unit of the conversion main circuit. For this reason, even if the energy transfer capacitor or inductor is configured using a resin material having relatively low heat resistance compared to the semiconductor unit, when the energy transfer capacitor or inductor becomes high temperature, It is possible to protect the capacitor and the inductor from being overheated and damaged by gradually increasing the switching frequency within a range where the rise in the semiconductor chip temperature does not cause a problem.

実施の形態4.
以下、本発明の実施の形態4におけるDC/DC電圧変換装置を、図22から図30を用いて説明する。
本実施例では、DC/DC電圧変換装置が、実施の形態1で説明した形態のものと異なり、同時刻のスイッチオン、オフの状態が相補の関係となる2個で一組となる双方向に電流を導通可能な半導体ユニットを3組有する変換主回路2を備えている。
半導体ユニットが3組である変換主回路2を図22に示す。図22の変換主回路2は、半導体ユニットである電界効果トランジスタFET1、FET2、FET3、FET4、FET5、FET6、一次側平滑キャパシタC1、二次側平滑キャパシタC2、エネルギ移行用キャパシタC0a、C0b、およびインダクタLを備えている。
また、全ての半導体ユニットは、直列に接続されている。ここで、インダクタLのFET4側接続端子の電圧をVLと表す。
Embodiment 4 FIG.
Hereinafter, the DC / DC voltage converter in Embodiment 4 of this invention is demonstrated using FIGS. 22-30.
In this example, the DC / DC voltage converter is different from the one described in the first embodiment, and two sets of two switches in which the switch-on and off states at the same time have a complementary relationship form a pair. The conversion main circuit 2 includes three sets of semiconductor units capable of conducting current.
FIG. 22 shows a conversion main circuit 2 having three semiconductor units. The conversion main circuit 2 of FIG. 22 includes field effect transistors FET1, FET2, FET3, FET4, FET5, FET6, which are semiconductor units, a primary side smoothing capacitor C1, a secondary side smoothing capacitor C2, energy transfer capacitors C0a, C0b, and An inductor L is provided.
All the semiconductor units are connected in series. Here, the voltage at the FET4 side connection terminal of the inductor L is represented as VL.

続けて、変換主回路2の接続の詳細について説明する。
平滑キャパシタC1の両端子は、変換主回路2の一次側の正極側端子P1、負極側端子N1に接続されており、負極側端子N1は変換主回路2の二次側の正極側端子P2とも接続されている。
正極側端子P1は、平滑キャパシタC1の一方の端子とFET1のドレイン端子に接続され、平滑キャパシタC1の他方の端子は負極側端子N1に接続される。
また、平滑キャパシタC2の両端子は、変換主回路2の二次側の正極側端子P2、負極側端子N2に接続されている。
Next, details of the connection of the conversion main circuit 2 will be described.
Both terminals of the smoothing capacitor C1 are connected to the positive side terminal P1 and the negative side terminal N1 on the primary side of the conversion main circuit 2, and the negative side terminal N1 is also the positive side terminal P2 on the secondary side of the conversion main circuit 2 It is connected.
The positive terminal P1 is connected to one terminal of the smoothing capacitor C1 and the drain terminal of the FET1, and the other terminal of the smoothing capacitor C1 is connected to the negative terminal N1.
Further, both terminals of the smoothing capacitor C2 are connected to the positive side terminal P2 and the negative side terminal N2 on the secondary side of the conversion main circuit 2.

FET6のソース端子は変換主回路2の二次側の負極側端子N2に、ドレイン端子はFET5のソース端子に、FET5のドレイン端子はFET4のソース端子に、FET4のドレイン端子はFET3のソース端子に、FET3のドレイン端子はFET2のソース端子に、FET2のドレイン端子はFET1のソース端子に、それぞれ接続されている。
エネルギ移行用キャパシタC0aは、一方の端子をFET5とFET4との接続点に、他方の端子をFET3とFET2との接続点に接続されている。また、エネルギ移行用キャパシタC0bは、一方の端子をFET6とFET5との接続点に、他方の端子をFET2とFET1との接続点に接続されている。
The source terminal of the FET 6 is the secondary negative terminal N2 of the conversion main circuit 2, the drain terminal is the source terminal of the FET 5, the drain terminal of the FET 5 is the source terminal of the FET 4, and the drain terminal of the FET 4 is the source terminal of the FET 3. The drain terminal of FET3 is connected to the source terminal of FET2, and the drain terminal of FET2 is connected to the source terminal of FET1.
The energy transfer capacitor C0a has one terminal connected to the connection point between the FET 5 and the FET 4 and the other terminal connected to the connection point between the FET 3 and the FET 2. The energy transfer capacitor C0b has one terminal connected to the connection point between the FET 6 and the FET 5, and the other terminal connected to the connection point between the FET 2 and the FET 1.

なお、後段の動作説明で触れているように、この例では、FET1とFET6、FET2とFET5、FET3とFET4がそれぞれ組となり、各組をなす一対のFETは、いわゆる相補の関係を持つようにオンオフ制御される。   In this example, as mentioned in the explanation of the operation at the later stage, FET1 and FET6, FET2 and FET5, FET3 and FET4 are each a pair, and a pair of FETs forming each pair has a so-called complementary relationship. ON / OFF controlled.

インダクタLは、図22に示すように、一方の端子を変換主回路2の一次側の負極側端子N1に接続され、他方の端子を、上記した一対のFETであって互いに直接接続されているFET4とFET3との接続点に接続されている。   As shown in FIG. 22, the inductor L has one terminal connected to the primary negative terminal N1 on the primary side of the conversion main circuit 2, and the other terminal directly connected to each other as the pair of FETs described above. It is connected to the connection point between FET4 and FET3.

図22には示されない制御ユニット3からは、ゲート駆動信号8として電界効果トランジスタをオン、オフ制御するための信号がFET6、FET5、FET4、FET3、FET2、FET1に対応して、それぞれGate6、Gate5、Gate4、Gate3、Gate2、Gate1信号としてFET6からFET1のゲート電極(G)に接続されている。FET6はGate6信号の、FET5はGate5信号の、FET4はGate4信号の、FET3はGate3信号の、FET2はGate2信号の、FET1はGate1信号の電圧変化にしたがって、スイッチング動作する。   From the control unit 3 not shown in FIG. 22, signals for controlling on / off of the field effect transistor as the gate drive signal 8 correspond to FET6, FET5, FET4, FET3, FET2, and FET1, respectively, Gate6, Gate5. , Gate4, Gate3, Gate2, and Gate1 signals are connected from FET6 to the gate electrode (G) of FET1. The FET 6 performs a switching operation according to the voltage change of the Gate 6 signal, the FET 5 of the Gate 5 signal, the FET 4 of the Gate 4 signal, the FET 3 of the Gate 3 signal, the FET 2 of the Gate 2 signal, and the FET 1 of the Gate 1 signal.

電界効果トランジスタは、制御ユニット3からのゲート駆動信号8にしたがってスイッチオン、スイッチオフの動作が制御される。制御ユニット3は、実施の形態1の図9と相似であって、変換制御部10が算出したオンデューティの目標量LdutyがゲートPWM生成部11に入力する。ゲートPWM生成部11は、Ldutyの値に対応してパルス幅変調し、図23(a)、図24(a)、図25(a)、図26(a)、図27(a)、図28(a)、図29(a)、図30(a)に示されるゲート駆動信号8(Gate1、Gate2、Gate3、Gate4、Gate5、Gate6)の原信号となる矩形状のゲートPWM信号Gpwm1、Gpwm2、Gpwm3、Gpwm4、Gpwm5、Gpwm6を生成出力する。   The field effect transistor is controlled to be switched on and off in accordance with the gate drive signal 8 from the control unit 3. The control unit 3 is similar to FIG. 9 of the first embodiment, and the on-duty target amount Lduty calculated by the conversion control unit 10 is input to the gate PWM generation unit 11. The gate PWM generator 11 performs pulse width modulation corresponding to the value of Lduty, and FIG. 23 (a), FIG. 24 (a), FIG. 25 (a), FIG. 26 (a), FIG. The rectangular gate PWM signals Gpwm1 and Gpwm2 that are the original signals of the gate drive signals 8 (Gate1, Gate2, Gate3, Gate4, Gate5, and Gate6) shown in 28 (a), FIG. 29 (a), and FIG. 30 (a). , Gpwm3, Gpwm4, Gpwm5, and Gpwm6 are generated and output.

ここで、図23は、力行動作時の降圧動作でゲート駆動信号のオンデューティが100/3%未満の場合の波形を図示する。(a)はゲート駆動信号、(b)はインダクタ電流IL、(c)はスイッチングモードとその切替わりタイミングを示している。
同様に、図24は、力行動作時の降圧動作でゲート駆動信号のオンデューティが100/3%以上で50%未満の場合、図25は、力行動作時の昇圧動作でゲート駆動信号のオンデューティが50%以上で100×(2/3)%未満の場合、図26は、力行動作時の昇圧動作でゲート駆動信号のオンデューティが100×(2/3)%以上の場合の波形を図示する。それぞれ、(a)はゲート駆動信号、(b)はインダクタ電流IL、(c)はスイッチングモードとその切替わりタイミングを示している。
インダクタ電流ILは、インダクタLをFET4側接続端子から負極側端子N1側接続端子の方向に流れる極性を正とする。
Here, FIG. 23 illustrates a waveform when the on-duty of the gate drive signal is less than 100/3% in the step-down operation during the power running operation. (A) shows the gate drive signal, (b) shows the inductor current IL, and (c) shows the switching mode and its switching timing.
Similarly, FIG. 24 shows a case where the on-duty of the gate drive signal is 100/3% or more and less than 50% in the step-down operation during the power running operation, and FIG. 26 is a waveform when the on-duty of the gate drive signal is 100 × (2/3)% or more in the step-up operation during the power running operation when the value is 50% or more and less than 100 × (2/3)%. To do. (A) shows the gate drive signal, (b) shows the inductor current IL, and (c) shows the switching mode and its switching timing.
The inductor current IL has a positive polarity in which the inductor L flows in the direction from the FET4 side connection terminal to the negative terminal N1 side connection terminal.

ゲートPWM信号Gpwm1、Gpwm2、Gpwm3、Gpwm4、Gpwm5、Gpwm6は、ゲート駆動回路12に入力する。ゲート駆動回路12は、ゲートPWM信号の論理に応じて半導体スイッチ素子をオン、オフ動作させるゲート駆動信号8を出力する。
Gpwm1はFET1、Gpwm2はFET2、Gpwm3はFET3、Gpwm4はFET4、Gpwm5はFET5、Gpwm6はFET6にそれぞれ対応し、電界効果トランジスタのスイッチング動作を制御する。
The gate PWM signals Gpwm1, Gpwm2, Gpwm3, Gpwm4, Gpwm5, and Gpwm6 are input to the gate drive circuit 12. The gate drive circuit 12 outputs a gate drive signal 8 for turning on and off the semiconductor switch element according to the logic of the gate PWM signal.
Gpwm1 corresponds to FET1, Gpwm2 corresponds to FET2, Gpwm3 corresponds to FET3, Gpwm4 corresponds to FET4, Gpwm5 corresponds to FET5, and Gpwm6 corresponds to FET6, and controls the switching operation of the field effect transistor.

また、図示しないものの、ソース電位が個別である各電界効果トランジスタを動作させるよう、ゲート駆動回路12はゲート駆動回路(1)121、ゲート駆動回路(2)122、ゲート駆動回路(3)123、ゲート駆動回路(4)124、ゲート駆動回路(5)125、ゲート駆動回路(6)126に分かれる。
ゲート電源回路13は、6通りの相互に絶縁された電源電圧VD1、VD2、VD3、VD4、VD5、VD6を作り、それぞれのゲート駆動回路121から126に供給する。
Although not shown, the gate drive circuit 12 includes a gate drive circuit (1) 121, a gate drive circuit (2) 122, a gate drive circuit (3) 123, It is divided into a gate drive circuit (4) 124, a gate drive circuit (5) 125, and a gate drive circuit (6) 126.
The gate power supply circuit 13 generates six mutually isolated power supply voltages VD1, VD2, VD3, VD4, VD5, and VD6 and supplies them to the respective gate drive circuits 121 to 126.

次に、このゲート駆動信号8による電圧変換の制御について、力行動作時と回生動作時とに分けて説明する。
力行動作時:
1)オンデューティが100/3%未満で降圧動作の場合:
一次側から二次側へ電力を供給する力行動作時であって、二次側電圧V2<一次側電圧V1の降圧を行うオンデューティが100/3%未満の動作について説明する。
図23(a)において、Gate1信号がハイの場合にFET1が、Gate2信号がハイの場合にFET2が、Gate3信号がハイの場合にFET3がオンし、ドレインからソースに向けて電流が流れる。また、Gate4信号がハイの場合にFET4が、Gate5信号がハイの場合にFET5が、Gate6信号がハイの場合にFET6がオンするが、力行動作時には電流がソースからドレインに向けてFET4、FET5、FET6に内在する寄生ダイオードの替わりにトランジスタ部分を流れる。
Next, voltage conversion control by the gate drive signal 8 will be described separately for the power running operation and the regenerative operation.
During power running:
1) When the on-duty is less than 100/3% and step-down operation:
An operation in which the on-duty for stepping down the secondary side voltage V2 <the primary side voltage V1 during powering operation for supplying power from the primary side to the secondary side is less than 100/3% will be described.
In FIG. 23A, FET1 is turned on when the Gate1 signal is high, FET2 is turned on when the Gate2 signal is high, and FET3 is turned on when the Gate3 signal is high, and a current flows from the drain toward the source. Further, the FET 4 is turned on when the Gate 4 signal is high, the FET 5 is turned on when the Gate 5 signal is high, and the FET 6 is turned on when the Gate 6 signal is high. Instead of the parasitic diode inherent in the FET 6, it flows through the transistor portion.

ここで、Gate1信号とGate6信号、Gate2信号とGate5信号、Gate3信号とGate4信号とは、互いにハイ、ローの論理が相反する相補信号である。図23(a)に示す通り、ゲート駆動信号8は、相補信号として対を成す信号が3通り有って、互いの位相差が等間隔となっている。
この時、Gate1からGate6のゲート駆動信号のハイ、ローの論理の組合わせは、スイッチングモードE、F、G、Hの4種に分類され H→E→G→E→F→E→H の順に切替わる。
Here, the Gate 1 signal and the Gate 6 signal, the Gate 2 signal and the Gate 5 signal, and the Gate 3 signal and the Gate 4 signal are complementary signals in which logics of high and low are opposite to each other. As shown in FIG. 23A, the gate drive signal 8 has three pairs of complementary signals, and the phase difference between them is equal.
At this time, the high and low logic combinations of the gate drive signals from Gate 1 to Gate 6 are classified into four types of switching modes E, F, G, and H, and H → E → G → E → F → E → H It switches in order.

スイッチングモードFでは、FET1、FET4、FET5がオン、FET2、FET3、FET6がオフであって、
電流が、正極側端子P1→FET1→エネルギ移行用キャパシタC0b→FET5→FET4→インダクタL→負極側端子N1の経路に流れ、エネルギがエネルギ移行用キャパシタC0bに蓄えられる。電気機器5には、平滑キャパシタC2の両端電圧が印加され、平滑キャパシタC2からエネルギが供給される。
また、FET1、FET4、FET5がオンであって電流が導通することから、エネルギ移行用キャパシタC0bのFET5側接続端子の電位はおよそVL、FET1側接続端子の電位はおよそV1となる。
よって、インダクタLのFET4側接続端子の電圧VLは、VL=V1−Vc0bとなる。ここでVc0bは、エネルギ移行用キャパシタC0bの両端電圧である。
In switching mode F, FET1, FET4, FET5 are on, FET2, FET3, FET6 are off,
The current flows through the path of the positive terminal P1, the FET 1, the energy transfer capacitor C0b, the FET 5, the FET 4, the inductor L, and the negative terminal N1, and the energy is stored in the energy transfer capacitor C0b. A voltage across the smoothing capacitor C2 is applied to the electric device 5, and energy is supplied from the smoothing capacitor C2.
Since FET1, FET4, and FET5 are on and current is conducted, the potential of the FET5 side connection terminal of the energy transfer capacitor C0b is about VL, and the potential of the FET1 side connection terminal is about V1.
Therefore, the voltage VL at the connection terminal of the inductor L on the FET 4 side is VL = V1−Vc0b. Here, Vc0b is a voltage across the energy transfer capacitor C0b.

スイッチングモードHでは、FET3、FET5、FET6がオン、FET1、FET2、FET4がオフであって、
電流が、負極側端子N2→FET6→FET5→エネルギ移行用キャパシタC0a→FET3→インダクタL→正極側端子P2→電気機器5→負極側端子N2の経路に流れ、エネルギがエネルギ移行用キャパシタC0aから放出する。
また、FET3、FET5、FET6がオンであって電流が導通することから、エネルギ移行用キャパシタC0aのFET3側接続端子の電位はおよそVL、FET5側接続端子の電位はおよそ−V2となる。
よって、インダクタLのFET4側接続端子の電圧VLは、VL=−V2+Vc0aとなる。ここで、Vc0aは、エネルギ移行用キャパシタC0aの両端電圧である。
In switching mode H, FET3, FET5, FET6 are on, FET1, FET2, FET4 are off,
The current flows in the path of the negative electrode side terminal N2, FET6, FET5, energy transfer capacitor C0a, FET3, inductor L, positive electrode side terminal P2, electrical equipment 5, and negative electrode terminal N2, and energy is discharged from the energy transfer capacitor C0a. To do.
Further, since FET3, FET5, and FET6 are on and the current is conducted, the potential of the FET3 side connection terminal of the energy transfer capacitor C0a is about VL, and the potential of the FET5 side connection terminal is about -V2.
Therefore, the voltage VL at the connection terminal of the inductor L on the FET 4 side is VL = −V2 + Vc0a. Here, Vc0a is a voltage across the energy transfer capacitor C0a.

スイッチングモードEでは、FET4、FET5、FET6がオン、FET1、FET2、FET3がオフであって、
電流が、負極側端子N2→FET6→FET5→FET4→インダクタL→正極側端子P2→電気機器5→負極側端子N2の経路に流れ、インダクタLに蓄積されたエネルギが放出される。
また、FET4、FET5、FET6がオンであって電流が導通することから、電圧VLはおよそ−V2となる。インダクタLのFET4側接続端子の電圧VLと負極側端子N1側の接続端子の電圧との差は、(−V2−0)で負となり、インダクタ電流ILは、IL≧0の状態で、負の方向へ向けて減少する。
In switching mode E, FET4, FET5, FET6 are on, FET1, FET2, FET3 are off,
The current flows through the path of the negative terminal N2 → FET6 → FET5 → FET4 → inductor L → positive terminal P2 → electric device 5 → negative terminal N2, and the energy accumulated in the inductor L is released.
Further, since FET4, FET5, and FET6 are on and current is conducted, the voltage VL is approximately -V2. The difference between the voltage VL at the connection terminal on the FET4 side of the inductor L and the voltage at the connection terminal on the negative terminal N1 side is negative at (−V2-0), and the inductor current IL is negative when IL ≧ 0. Decrease in the direction.

スイッチングモードGでは、FET2、FET4、FET6がオン、FET1、FET3、FET5がオフであって、
電流が、負極側端子N2→FET6→エネルギ移行用キャパシタC0b→FET2→エネルギ移行用キャパシタC0a→FET4→インダクタL→正極側端子P2→電気機器5→負極側端子N2の経路に流れ、エネルギはエネルギ移行用キャパシタC0aに蓄えられ、エネルギ移行用キャパシタC0bから放出される。
また、FET2、FET4、FET6がオンであって電流が導通することから、エネルギ移行用キャパシタC0aのFET4側接続端子の電位はおよそVL、FET2側接続端子の電位はエネルギ移行用キャパシタC0bのFET2側接続端子の電位とほぼ等しくなる。また、エネルギ移行用キャパシタC0bのFET6側接続端子の電位はおよそ−V2となる。
よって、インダクタLのFET4側接続端子の電圧VLは、VL=(−V2+Vc0b−Vc0a)となる。
In switching mode G, FET2, FET4, FET6 are on, FET1, FET3, FET5 are off,
The current flows through the path of the negative terminal N2 → FET6 → energy transfer capacitor C0b → FET2 → energy transfer capacitor C0a → FET4 → inductor L → positive terminal P2 → electric device 5 → negative terminal N2. It is stored in the transfer capacitor C0a and discharged from the energy transfer capacitor C0b.
Since the FET2, FET4, and FET6 are on and the current is conducted, the potential of the FET4 side connection terminal of the energy transfer capacitor C0a is approximately VL, and the potential of the FET2 side connection terminal is the FET2 side of the energy transfer capacitor C0b. It becomes almost equal to the potential of the connection terminal. In addition, the potential of the FET6 side connection terminal of the energy transfer capacitor C0b is approximately −V2.
Therefore, the voltage VL at the connection terminal of the inductor L on the FET 4 side is VL = (− V2 + Vc0b−Vc0a).

ここで、Gate1信号、Gate2信号、Gate3信号のオンデューティは等しい。その動作より、スイッチングモードF、G、Hにおける電圧VLは時間平均的に等しく、V1−Vc0b=−V2+Vc0b−Vc0a=−V2+Vc0aの関係となる。よって、Vc0b=(2/3)・(V1+V2)、Vc0a=(1/3)・(V1+V2) となる。
このことから、インダクタLの両端の電位差と、FET1、FET2、FET3のスイッチオン時間ton、スイッチオフ時間toffは、次の関係で表される。
Here, the on-duty of the Gate 1 signal, the Gate 2 signal, and the Gate 3 signal is equal. From this operation, the voltages VL in the switching modes F, G, and H are equal in terms of time average, and the relationship is V1−Vc0b = −V2 + Vc0b−Vc0a = −V2 + Vc0a. Therefore, Vc0b = (2/3) · (V1 + V2) and Vc0a = (1/3) · (V1 + V2).
From this, the potential difference between both ends of the inductor L, the switch-on time ton and the switch-off time toff of the FET1, FET2, and FET3 are expressed by the following relationship.

スイッチングモードF、G、H: L・ILrpl=ton・(V1−2・V2)/3
・・(8a)
スイッチングモードE: L・ILrpl=−toff・(−V2) ・・(8b)
Switching modes F, G, H: L · ILrpl = ton · (V1-2 · V2) / 3
.. (8a)
Switching mode E: L.ILrpl = -toff (-V2) (8b)

式(8a)と式(8b)との左辺同士が等しいことから、次の関係が成り立つ。   Since the left sides of Expression (8a) and Expression (8b) are equal, the following relationship is established.

ton・(V1−2・V2)/3=−toff・(−V2) ・・(9)   ton. (V1-2.V2) / 3 = -toff. (-V2) (9)

上の式(9)を一次側端子電圧V1と二次側端子電圧V2について整理すると次のようになる。 The above formula (9) can be summarized with respect to the primary terminal voltage V1 and the secondary terminal voltage V2 as follows.

(V2/V1)=ton/(3・toff+2・ton)=ton/((2/3)・T+toff)
= (ton/T)/(1−ton/T) ・・(10)
但し、ton+toff=T/3
(V2 / V1) = ton / (3 · toff + 2 · ton) = ton / ((2/3) · T + toff)
= (Ton / T) / (1-ton / T) (10)
However, ton + toff = T / 3

上の式(10)で、周期Tは、スイッチングモードH→E→G→E→F→E→H の順に切替わって一周する期間を示しており、T/3=ton+toffである。式(10)の左辺(V2/V1)はDC/DC電圧変換比である。
図23に示されるゲート駆動信号のオンデューティが100/3%未満の動作では、(ton/T)<(1/3)であり、式(10)に当てはめると、DC/DC電圧変換比は、1/2未満となる。よって、V2<(V1/2)である。
In the above equation (10), the period T indicates a period in which the switching mode is switched in the order of H → E → G → E → F → E → H and makes a round, and T / 3 = ton + toff. The left side (V2 / V1) of Expression (10) is a DC / DC voltage conversion ratio.
In an operation in which the on-duty of the gate drive signal shown in FIG. 23 is less than 100/3%, (ton / T) <(1/3), and when applied to Expression (10), the DC / DC voltage conversion ratio is , Less than 1/2. Therefore, V2 <(V1 / 2).

これらから、スイッチングモードF、G、Hでは、インダクタLのFET4側接続端子の電圧VLはVL=(V1−2・V2)/3>0、インダクタLの負極側端子N1側の接続端子の電圧が0である。
よって、インダクタLの両端間の電位差は正となり、インダクタ電流ILは正の方向へ増加する。また、上述の通りスイッチングモードEでは、インダクタ電流ILは、IL≧0の状態で、負の方向へ向けて変化する。
From these, in the switching modes F, G, and H, the voltage VL at the connection terminal on the FET4 side of the inductor L is VL = (V1-2 · V2) / 3> 0, and the voltage at the connection terminal on the negative terminal N1 side of the inductor L Is 0.
Therefore, the potential difference between both ends of the inductor L becomes positive, and the inductor current IL increases in the positive direction. Further, as described above, in the switching mode E, the inductor current IL changes in the negative direction when IL ≧ 0.

以上のように、スイッチングモードH→E→G→E→F→E→Hの切替わりにおいて、
スイッチングモードF、G、Hでは、インダクタ電流ILは、IL≧0の状態から更に正の方向へ増加するよう変化し、
スイッチングモードEでは、インダクタ電流ILは、IL<0の状態に向けて変化する。
このことから、電界効果トランジスタのスイッチング周期Tに亘ってインダクタ電流ILの増加、減少はT/3周期で3回繰り返されることとなる。
従って、電界効果トランジスタのスイッチング周波数に対してインダクタLには3倍の周波数の交流電流が導通することとなる。
As described above, in the switching mode H → E → G → E → F → E → H,
In the switching modes F, G, and H, the inductor current IL changes so as to increase further in the positive direction from the state of IL ≧ 0,
In the switching mode E, the inductor current IL changes toward the state where IL <0.
From this, the increase and decrease of the inductor current IL are repeated three times in the T / 3 period over the switching period T of the field effect transistor.
Accordingly, an alternating current having a frequency three times that of the switching frequency of the field effect transistor is conducted to the inductor L.

2)オンデューティが100/3%以上かつ50%未満で降圧動作の場合:
次に、ゲート駆動信号のオンデューティが100/3%以上かつ50%未満で降圧動作時である場合について説明する。
図24(a)において、Gate1信号がハイの場合にFET1が、Gate2信号がハイの場合にFET2が、Gate3信号がハイの場合にFET3がオンし、ドレインからソースに向けて電流が流れる。
また、Gate4信号がハイの場合にFET4が、Gate5信号がハイの場合にFET5が、Gate6信号がハイの場合にFET6がオンするが、力行動作時には電流がソースからドレインに向けてFET4、FET5、FET6に内在する寄生ダイオードの替わりにトランジスタ部分を流れる。
2) When the on-duty is 100/3% or more and less than 50% and the step-down operation is:
Next, a case where the on-duty of the gate drive signal is 100/3% or more and less than 50% and the step-down operation is performed will be described.
In FIG. 24A, FET1 is turned on when the Gate1 signal is high, FET2 is turned on when the Gate2 signal is high, and FET3 is turned on when the Gate3 signal is high, and a current flows from the drain toward the source.
Further, the FET 4 is turned on when the Gate 4 signal is high, the FET 5 is turned on when the Gate 5 signal is high, and the FET 6 is turned on when the Gate 6 signal is high. Instead of the parasitic diode inherent in the FET 6, it flows through the transistor portion.

Gate1信号とGate6信号、Gate2信号とGate5信号、Gate3信号とGate4信号は、互いにハイ、ローの論理が相反する相補信号であり、ゲート駆動信号8は相補信号として対を成す信号が3通り有って、互いの位相差が等間隔となっている。
この時、Gate1からGate6のゲート駆動信号のハイ、ローの論理の組合わせは、スイッチングモードF、G、H、I、J、Kの6種に分類され、G→J→H→K→F→I→Gの順に切替わる。
The Gate1 signal and Gate6 signal, the Gate2 signal and Gate5 signal, the Gate3 signal and Gate4 signal are complementary signals in which the logics of high and low are opposite to each other, and the gate drive signal 8 has three types of signals that form a pair as complementary signals. Thus, the mutual phase differences are equally spaced.
At this time, the high and low logic combinations of the gate drive signals from Gate 1 to Gate 6 are classified into six types of switching modes F, G, H, I, J, and K, and G → J → H → K → F. Switching in order of → I → G.

スイッチングモードF、G、Hでの各電界効果トランジスタの状態、電流の導通経路、インダクタLのFET4側接続端子の電圧VLは、上述の力行動作時の1)項 オンデューティが100/3%未満である場合と同じであるため、説明を省略する。   The state of each field effect transistor in the switching modes F, G, and H, the current conduction path, and the voltage VL at the FET4 side connection terminal of the inductor L are the item 1) during the powering operation described above. The on-duty is less than 100/3% Since this is the same as the case of, the description is omitted.

スイッチングモードIでは、FET1、FET2、FET4がオン、FET3、FET5、FET6がオフであって、
電流が、正極側端子P1→FET1→FET2→エネルギ移行用キャパシタC0a→FET4→インダクタL→負極側端子N1の経路に流れ、エネルギ移行用キャパシタC0aにエネルギが蓄えられる。
電気機器5には平滑キャパシタC2の両端電圧が印加され、平滑キャパシタC2からエネルギが供給される。
FET1、FET2、FET4がオンして電流が導通することから、エネルギ移行用キャパシタC0aのFET2側接続端子の電位はおよそV1、FET4側接続端子の電位はおよそVLとなる。よって、インダクタLのFET4側接続端子の電圧VLは、VL=V1−Vc0aとなる。インダクタLの負極側端子N1側接続端子の電圧は0であり、インダクタLのFET4側接続端子の電圧VLと負極側端子N1側の接続端子の電圧の差は、(V1−Vc0a)である。
In switching mode I, FET1, FET2, FET4 are on, FET3, FET5, FET6 are off,
The current flows in the path of the positive terminal P1, the FET1, the FET2, the energy transfer capacitor C0a, the FET4, the inductor L, and the negative terminal N1, and the energy is stored in the energy transfer capacitor C0a.
The voltage across the smoothing capacitor C2 is applied to the electric device 5, and energy is supplied from the smoothing capacitor C2.
Since FET1, FET2, and FET4 are turned on and current is conducted, the potential of the FET2 side connection terminal of the energy transfer capacitor C0a is approximately V1, and the potential of the FET4 side connection terminal is approximately VL. Therefore, the voltage VL at the connection terminal of the inductor L on the FET 4 side is VL = V1−Vc0a. The voltage at the negative terminal N1 side connecting terminal of the inductor L is 0, and the difference between the voltage VL at the FET4 side connecting terminal of the inductor L and the voltage at the negative terminal N1 side connecting terminal is (V1−Vc0a).

スイッチングモードJでは、FET2、FET3、FET6がオン、FET1、FET4、FET5がオフであって、
電流が、負極側端子N2→FET6→エネルギ移行用キャパシタC0b→FET2→FET3→インダクタL→正極側端子P2→電気機器5→負極側端子N2の経路に流れ、エネルギ移行用キャパシタC0bからはエネルギが放出される。また、同時に平滑キャパシタC2にも電流が流れてエネルギが蓄えられる。
FET2、FET3、FET6がオンして電流が導通することから、インダクタLのFET4側接続端子の電圧VLは、エネルギ移行用キャパシタC0bのFET2と接続する高電位側端子の電位と等しくなる。また、エネルギ移行用キャパシタC0bのFET6と接続する低電位側端子の電位は、負極側端子N2の電圧−V2と等しくなる。よって、インダクタLのFET4側接続端子の電圧VLはVL=−V2+Vc0bとなり、インダクタLの電圧VLと負極側端子N1側の接続端子の電圧との差は、(−V2+Vc0b−0)である。
In switching mode J, FET2, FET3, FET6 are on, FET1, FET4, FET5 are off,
The current flows in the path of the negative terminal N2 → FET6 → energy transfer capacitor C0b → FET2 → FET3 → inductor L → positive electrode terminal P2 → electric device 5 → negative electrode terminal N2, and energy is transferred from the energy transfer capacitor C0b. Released. At the same time, a current also flows through the smoothing capacitor C2 to store energy.
Since FET2, FET3, and FET6 are turned on and current is conducted, the voltage VL at the FET4 side connection terminal of the inductor L becomes equal to the potential of the high potential side terminal connected to the FET2 of the energy transfer capacitor C0b. Further, the potential of the low potential side terminal connected to the FET 6 of the energy transfer capacitor C0b becomes equal to the voltage −V2 of the negative side terminal N2. Therefore, the voltage VL at the connection terminal on the FET 4 side of the inductor L is VL = −V2 + Vc0b, and the difference between the voltage VL of the inductor L and the voltage at the connection terminal on the negative terminal N1 side is (−V2 + Vc0b−0).

スイッチングモードKでは、FET1、FET3、FET5がオン、FET2、FET4、FET6がオフであって、
電流が、正極側端子P1→FET1→エネルギ移行用キャパシタC0b→FET5→エネルギ移行用キャパシタC0a→FET3→インダクタL→負極側端子N1の経路に流れ、エネルギがエネルギ移行用キャパシタC0aから放出され、エネルギ移行用キャパシタC0bに蓄えられる。電気機器5には、平滑キャパシタC2の両端電圧が印加され、平滑キャパシタC2からエネルギが供給される。
In switching mode K, FET1, FET3, FET5 are on, FET2, FET4, FET6 are off,
The current flows through the path of the positive terminal P1, the FET 1, the energy transfer capacitor C0b, the FET 5, the energy transfer capacitor C0a, the FET 3, the inductor L, and the negative terminal N1, and the energy is discharged from the energy transfer capacitor C0a. Stored in the transfer capacitor C0b. A voltage across the smoothing capacitor C2 is applied to the electric device 5, and energy is supplied from the smoothing capacitor C2.

FET1、FET3、FET5がオンして電流が導通することから、エネルギ移行用キャパシタC0aのFET5側接続端子の電位は、エネルギ移行用キャパシタC0bのFET5側接続端子の電位と等しくなる。
また、エネルギ移行用キャパシタC0aのFET3側接続端子の電位は、およそVLとなる。エネルギ移行用キャパシタC0bのFET1側接続端子の電位は、およそV1となる。
よって、インダクタLのFET3側接続端子の電圧VLは、VL=(V1−Vc0b+Vc0a)となる。
よって、インダクタLのFET3側接続端子の電圧VLと負極側端子N1側の接続端子の電圧との差は、(V1−Vc0b+Vc0a)である。
Since FET1, FET3, and FET5 are turned on and current is conducted, the potential of the FET5 side connection terminal of the energy transfer capacitor C0a becomes equal to the potential of the FET5 side connection terminal of the energy transfer capacitor C0b.
Further, the potential of the FET3 side connection terminal of the energy transfer capacitor C0a is approximately VL. The potential of the FET1 side connection terminal of the energy transfer capacitor C0b is approximately V1.
Therefore, the voltage VL at the FET3 side connection terminal of the inductor L is VL = (V1−Vc0b + Vc0a).
Therefore, the difference between the voltage VL at the connection terminal on the FET3 side of the inductor L and the voltage at the connection terminal on the negative terminal N1 side is (V1−Vc0b + Vc0a).

ここで、Gate1信号、Gate2信号、Gate3信号のオンデューティは等しい。その動作より、スイッチングモードF、G、Hにおける電圧VLは時間平均的に等しく、V1−Vc0b=−V2+Vc0b−Vc0a=−V2+Vc0aの関係となる。これから、Vc0b=2・Vc0aである。
また、スイッチングモードI、J、Kにおける電圧VLは時間平均的に等しく、V1−Vc0a=(−V2+Vc0b)=(V1−Vc0b+Vc0a)の関係となる。これらより、ゲート駆動信号のオンデューティが100/3%未満である場合と同様に、Vc0b=(2/3)・(V1+V2)、Vc0a=(1/3)・(V1+V2) となる。
このことから、インダクタLの両端の電位差、FET1、FET2、FET3のスイッチオン時間ton、スイッチオフ時間toffは、次の関係で表される。
Here, the on-duty of the Gate 1 signal, the Gate 2 signal, and the Gate 3 signal is equal. From this operation, the voltages VL in the switching modes F, G, and H are equal in terms of time average, and the relationship is V1−Vc0b = −V2 + Vc0b−Vc0a = −V2 + Vc0a. From this, Vc0b = 2 · Vc0a.
Further, the voltages VL in the switching modes I, J, and K are equal in terms of time average, and the relationship is V1−Vc0a = (− V2 + Vc0b) = (V1−Vc0b + Vc0a). Accordingly, Vc0b = (2/3) · (V1 + V2) and Vc0a = (1/3) · (V1 + V2), as in the case where the on-duty of the gate drive signal is less than 100/3%.
From this, the potential difference between both ends of the inductor L, the switch-on time ton and the switch-off time toff of the FET1, FET2, and FET3 are expressed by the following relationship.

スイッチングモードF、G、H:
L・ILrpl=(T/3−ton+T/3)・(V1−2・V2)/3
=(2・T/3−ton)・(V1−2・V2)/3 ・・(11a)
スイッチングモードI、J、K:
L・ILrpl=−(ton−T/3)・(2・V1−V2)/3 ・・(11b)
但し、ton+toff=T
Switching modes F, G, H:
L · ILrpl = (T / 3−ton + T / 3) · (V1-2 · V2) / 3
= (2 · T / 3-ton) · (V1-2 · V2) / 3 (11a)
Switching modes I, J, K:
L.ILrpl =-(ton-T / 3). (2.V1-V2) / 3 .. (11b)
However, ton + toff = T

式(11a)と式(11b)の左辺同士が等しいことから、次の関係が成り立つ。   Since the left sides of Expression (11a) and Expression (11b) are equal, the following relationship is established.

(2・T/3−ton)・(V1−2・V2)/3
=−(ton−T/3)・(2・V1−V2)/3 ・・(12)
(2 · T / 3-ton) · (V1-2 · V2) / 3
=-(Ton-T / 3). (2.V1-V2) / 3 .. (12)

上の式(12)を一次側端子電圧V1と二次側端子電圧V2について整理すると次のようになる。   The above equation (12) can be summarized with respect to the primary terminal voltage V1 and the secondary terminal voltage V2 as follows.

(V2/V1)=ton/(T−ton)=(ton/T)/(1−ton/T)
・・(13)
但し、ton+toff=T
(V2 / V1) = ton / (T-ton) = (ton / T) / (1-ton / T)
(13)
However, ton + toff = T

上の式(13)で、周期Tは、スイッチングモードG→J→H→K→F→I→Gの順に切替わって一周する期間を示しており、T=ton+toffである。式(13)の左辺(V2/V1)はDC/DC電圧変換比である。
図24に示されるゲート駆動信号のオンデューティが100/3%以上かつ50%未満の動作では、(1/3)≦(ton/T)<(1/2)であり、式(13)に当てはめると、DC/DC電圧変換比は、1/2以上で1未満となる。よって、(V1/2)≦V2<V1である。
In the above equation (13), the period T indicates a period in which the switching mode G → J → H → K → F → I → G makes a round, and T = ton + toff. The left side (V2 / V1) of Expression (13) is a DC / DC voltage conversion ratio.
In the operation in which the on-duty of the gate drive signal shown in FIG. 24 is 100/3% or more and less than 50%, (1/3) ≦ (ton / T) <(1/2). When applied, the DC / DC voltage conversion ratio is ½ or more and less than 1. Therefore, (V1 / 2) ≦ V2 <V1.

これらから、スイッチングモードF、G、Hでは、インダクタLのFET4側接続端子の電圧VLは0から(−V1/3)の範囲、インダクタLの負極側端子N1側の接続端子の電圧が0である。よって、インダクタLの両端間の電位差は負となり、インダクタ電流ILは、IL≧0の状態で、負の方向へ向けて変化する。
また、スイッチングモードI、J、Kでは、インダクタLのFET4側接続端子の電圧VLはV1/2からV1/3の範囲、インダクタLの負極側端子N1側の接続端子の電圧が0である。よって、インダクタLの両端間の電位差は正となり、インダクタ電流ILは正の方向に増加する。
From these, in the switching modes F, G, and H, the voltage VL of the connection terminal on the FET4 side of the inductor L is in the range of 0 to (−V1 / 3), and the voltage of the connection terminal on the negative electrode side N1 side of the inductor L is 0. is there. Therefore, the potential difference between both ends of the inductor L becomes negative, and the inductor current IL changes in the negative direction in a state where IL ≧ 0.
In switching modes I, J, and K, the voltage VL at the connection terminal on the FET 4 side of the inductor L is in the range of V1 / 2 to V1 / 3, and the voltage at the connection terminal on the negative terminal N1 side of the inductor L is 0. Therefore, the potential difference between both ends of the inductor L becomes positive, and the inductor current IL increases in the positive direction.

以上のように、スイッチングモードG→J→H→K→F→I→Gの切替わりにおいて、
スイッチングモードF、G、Hでは、インダクタ電流ILは、IL≧0の状態からIL<0の状態に向けて変化し、
スイッチングモードI、J、Kでは、インダクタ電流ILは、更に正の方向へ増加するよう変化する。
このことから、電界効果トランジスタのスイッチング周期Tに亘ってインダクタ電流ILの増加、減少はT/3周期で3回繰り返されることとなる。従って、電界効果トランジスタのスイッチング周波数に対してインダクタLには3倍の周波数の交流電流が導通することとなる。
As described above, in the switching mode G → J → H → K → F → I → G,
In the switching modes F, G, and H, the inductor current IL changes from the state of IL ≧ 0 toward the state of IL <0,
In the switching modes I, J, and K, the inductor current IL further changes to increase in the positive direction.
From this, the increase and decrease of the inductor current IL are repeated three times in the T / 3 period over the switching period T of the field effect transistor. Accordingly, an alternating current having a frequency three times that of the switching frequency of the field effect transistor is conducted to the inductor L.

3)オンデューティが50%以上かつ100×(2/3)%未満で昇圧動作の場合:
次に、力行動作時でゲート駆動信号のオンデューティが50%以上かつ100×(2/3)%未満である場合について説明する。
図25(a)において、Gate1信号がハイの場合にFET1が、Gate2信号がハイの場合にFET2が、Gate3信号がハイの場合にFET3がオンし、ドレインからソースに向けて電流が流れる。
また、Gate4信号がハイの場合にFET4が、Gate5信号がハイの場合にFET5が、Gate6信号がハイの場合にFET6がオンするが、力行動作時には電流がソースからドレインに向けてFET4、FET5、FET6に内在する寄生ダイオードの替わりにトランジスタ部分を流れる。
3) When the on-duty is 50% or more and less than 100 × (2/3)% and the boost operation is performed
Next, the case where the on-duty of the gate drive signal is 50% or more and less than 100 × (2/3)% during the power running operation will be described.
In FIG. 25A, FET1 turns on when the Gate1 signal is high, FET2 turns on when the Gate2 signal is high, and FET3 turns on when the Gate3 signal is high, and a current flows from the drain toward the source.
Further, the FET 4 is turned on when the Gate 4 signal is high, the FET 5 is turned on when the Gate 5 signal is high, and the FET 6 is turned on when the Gate 6 signal is high. Instead of the parasitic diode inherent in the FET 6, it flows through the transistor portion.

上述の力行動作時の2)項 オンデューティが100/3%以上かつ50%未満で降圧動作の場合と同様に、
Gate1信号とGate6信号、Gate2信号とGate5信号、Gate3信号とGate4信号は、互いにハイ、ローの論理が相反する相補信号であり、ゲート駆動信号8は相補信号として対を成す信号が3通り有って、互いの位相差が等間隔となっている。
この時、Gate1からGate6のゲート駆動信号のハイ、ローの論理の組合わせは、スイッチングモードF、G、H、I、J、Kの6種に分類され、G→J→H→K→F→I→Gの順に切替わる。
As in the case of the step-down operation when the on-duty is 100/3% or less and less than 50%,
The Gate1 signal and Gate6 signal, the Gate2 signal and Gate5 signal, the Gate3 signal and Gate4 signal are complementary signals in which the logics of high and low are opposite to each other, and the gate drive signal 8 has three types of signals that form a pair as complementary signals. Thus, the mutual phase differences are equally spaced.
At this time, the high and low logic combinations of the gate drive signals from Gate 1 to Gate 6 are classified into six types of switching modes F, G, H, I, J, and K, and G → J → H → K → F. Switching in order of → I → G.

スイッチングモードF、G、H、I、J、Kでの各電界効果トランジスタの状態、電流の導通経路、インダクタLのFET4側接続端子の電圧VLは、上述の力行動作時の2)項 オンデューティが100/3%以上かつ50%未満で降圧動作の場合と同じであるため、説明を省略する。
これらより、インダクタLの両端の電位差、FET1、FET2、FET3のスイッチオン時間ton、スイッチオフ時間toffの関係は、同様に、式(11a)、式(11b)、式(12)で表される。よって、一次側端子電圧V1と二次側端子電圧V2について、DC/DC電圧変換比(V2/V1)は式(13)のように表される。
The state of each field effect transistor in the switching modes F, G, H, I, J, and K, the current conduction path, and the voltage VL at the FET4 side connection terminal of the inductor L are the item 2) on-duty during the powering operation described above. Is 100/3% or more and less than 50%, which is the same as in the step-down operation, and the description thereof is omitted.
From these, the relationship between the potential difference between both ends of the inductor L, the switch-on time ton, and the switch-off time toff of the FET1, FET2, and FET3 is similarly expressed by Expression (11a), Expression (11b), and Expression (12). . Therefore, for the primary side terminal voltage V1 and the secondary side terminal voltage V2, the DC / DC voltage conversion ratio (V2 / V1) is expressed as in Expression (13).

上の式(13)で、周期Tは、スイッチングモードG→J→H→K→F→I→Gの順に切替わって一周する期間を示しており、T=ton+toffである。
図25に示されるゲート駆動信号の50%以上かつ100×(2/3)%未満の動作では、(1/2)≦(ton/T)<(2/3)であり、式(13)に当てはめると、DC/DC電圧変換比は、1以上で2未満となる。よって、V1≦V2<(2・V1)である。
In the above equation (13), the period T indicates a period in which the switching mode G → J → H → K → F → I → G makes a round, and T = ton + toff.
In the operation of 50% or more and less than 100 × (2/3)% of the gate drive signal shown in FIG. 25, (1/2) ≦ (ton / T) <(2/3), and Expression (13) Is applied, the DC / DC voltage conversion ratio is 1 or more and less than 2. Therefore, V1 ≦ V2 <(2 · V1).

これらから、スイッチングモードF、G、Hでは、インダクタLのFET4側接続端子の電圧VLは(−V1/3)から(−V1)の範囲、インダクタLの負極側端子N1側の接続端子の電圧が0である。よって、インダクタLの両端間の電位差は負となり、インダクタ電流ILは、IL≧0の状態で、負の方向へ向けて変化する。
また、スイッチングモードI、J、Kでは、インダクタLのFET4側接続端子の電圧VLは(V1/3)から0の範囲、インダクタLの負極側端子N1側の接続端子の電圧が0である。よって、インダクタLの両端間の電位差は正となり、インダクタ電流ILは正の方向に増加する。
From these, in the switching modes F, G, and H, the voltage VL of the connection terminal on the FET4 side of the inductor L is in the range of (−V1 / 3) to (−V1), and the voltage of the connection terminal on the negative terminal N1 side of the inductor L. Is 0. Therefore, the potential difference between both ends of the inductor L becomes negative, and the inductor current IL changes in the negative direction in a state where IL ≧ 0.
In the switching modes I, J, and K, the voltage VL at the connection terminal on the FET4 side of the inductor L is in the range from (V1 / 3) to 0, and the voltage at the connection terminal on the negative terminal N1 side of the inductor L is 0. Therefore, the potential difference between both ends of the inductor L becomes positive, and the inductor current IL increases in the positive direction.

以上のように、上述の力行動作時の2)項 オンデューティが100/3%以上かつ50%未満で降圧動作の場合と同じく、スイッチングモードG→J→H→K→F→I→Gの切替わりにおいて、
スイッチングモードF、G、Hでは、インダクタ電流ILは、IL≧0の状態からIL<0の状態に向けて変化し、
スイッチングモードI、J、Kでは、インダクタ電流ILは、更に正の方向へ増加するよう変化する。
このことから、電界効果トランジスタのスイッチング周期Tに亘ってインダクタ電流ILの増加、減少はT/3周期で3回繰り返されることとなる。
従って、電界効果トランジスタのスイッチング周波数に対してインダクタLには3倍の周波数の交流電流が導通することとなる。
As described above, the same as in the case of the step-down operation when the on-duty is 100/3% or less and less than 50% and the switching mode G → J → H → K → F → I → G In switching,
In the switching modes F, G, and H, the inductor current IL changes from the state of IL ≧ 0 toward the state of IL <0,
In the switching modes I, J, and K, the inductor current IL further changes to increase in the positive direction.
From this, the increase and decrease of the inductor current IL are repeated three times in the T / 3 period over the switching period T of the field effect transistor.
Accordingly, an alternating current having a frequency three times that of the switching frequency of the field effect transistor is conducted to the inductor L.

4)オンデューティが100×(2/3)%以上で昇圧動作の場合:
次に、力行動作時でゲート駆動信号のオンデューティが100×(2/3)%以上である場合について説明する。
図26(a)において、Gate1信号がハイの場合にFET1が、Gate2信号がハイの場合にFET2が、Gate3信号がハイの場合にFET3がオンし、ドレインからソースに向けて電流が流れる。
また、Gate4信号がハイの場合にFET4が、Gate5信号がハイの場合にFET5が、Gate6信号がハイの場合にFET6がオンするが、力行動作時には電流がソースからドレインに向けてFET4、FET5、FET6に内在する寄生ダイオードの替わりにトランジスタ部分を流れる。
4) When the on-duty is 100 x (2/3)% or more and boosting operation:
Next, a case where the on-duty of the gate drive signal is 100 × (2/3)% or more during the power running operation will be described.
In FIG. 26A, FET1 is turned on when the Gate1 signal is high, FET2 is turned on when the Gate2 signal is high, and FET3 is turned on when the Gate3 signal is high, and a current flows from the drain toward the source.
Further, the FET 4 is turned on when the Gate 4 signal is high, the FET 5 is turned on when the Gate 5 signal is high, and the FET 6 is turned on when the Gate 6 signal is high. Instead of the parasitic diode inherent in the FET 6, it flows through the transistor portion.

Gate1信号とGate6信号、Gate2信号とGate5信号、Gate3信号とGate4信号とは、互いにハイ、ローの論理が相反する相補信号であり、ゲート駆動信号8は相補信号として対を成す信号が3通り有って、互いの位相差が等間隔となっている。
この時、Gate1からGate6のゲート駆動信号のハイ、ローの論理の組合わせは、スイッチングモードI、J、K、Mの4種に分類され M→K→M→I→M→J→M の順に切替わる。
The Gate1 signal and Gate6 signal, the Gate2 signal and Gate5 signal, the Gate3 signal and Gate4 signal are complementary signals whose logics of high and low are opposite to each other, and the gate drive signal 8 has three types of signals that form a pair as complementary signals. Thus, the mutual phase difference is equally spaced.
At this time, the high and low logic combinations of the gate drive signals from Gate 1 to Gate 6 are classified into four types of switching modes I, J, K, and M. M → K → M → I → M → J → M It switches in order.

スイッチングモードI、J、Kでの各電界効果トランジスタの状態、電流の導通経路、インダクタLのFET4側接続端子の電圧VLは、上述の力行動作時の2)項 オンデューティが100/3%以上かつ50%未満で降圧動作の場合と同じであるため、説明を省略する。   The state of each field effect transistor in switching modes I, J, and K, the current conduction path, and the voltage VL at the FET4 side connection terminal of the inductor L are the item 2) during the powering operation described above. The on-duty is 100/3% or more Since it is the same as the step-down operation at less than 50%, the description is omitted.

スイッチングモードMでは、FET1、FET2、FET3がオン、FET4、FET5、FET6がオフであって、
電流が、正極側端子P1→FET1→FET2→FET3→インダクタL→負極側端子N1の経路に流れ、インダクタLにエネルギが蓄えられる。
また、FET1、FET2、FET3がオンして電流が導通することより、電圧VLはおよそV1となる。インダクタLのFET3側接続端子の電圧VLと負極側端子N1側の接続端子の電圧との差は、(V1−0)で正となり、インダクタ電流ILは更に正の方向に増加する。
電気機器5には、平滑キャパシタC2の両端電圧が印加され、平滑キャパシタC2からエネルギが供給される。
In switching mode M, FET1, FET2, FET3 are on, FET4, FET5, FET6 are off,
The current flows through the path of the positive terminal P1, the FET 1, the FET 2, the FET 3, the inductor L, and the negative terminal N1, and energy is stored in the inductor L.
In addition, since the FET1, FET2, and FET3 are turned on to conduct current, the voltage VL becomes approximately V1. The difference between the voltage VL at the FET3 side connection terminal of the inductor L and the voltage at the connection terminal on the negative side terminal N1 side becomes positive at (V1-0), and the inductor current IL further increases in the positive direction.
A voltage across the smoothing capacitor C2 is applied to the electric device 5, and energy is supplied from the smoothing capacitor C2.

ここで、Gate1信号、Gate2信号、Gate3信号のオンデューティは等しい。その動作より、スイッチングモードI、J、Kにおける電圧VLは時間平均的に等しく (V1−Vc0a)=(−V2+Vc0b)=(V1−Vc0b+Vc0a) の関係となる。
よって、ゲート駆動信号のオンデューティが100/3%以上で50%未満である場合と同様に、Vc0b=(2/3)・(V1+V2)、Vc0a=(1/3)・(V1+V2) となる。
このことから、インダクタLの両端の電位差、FET1、FET2、FET3のスイッチオン時間ton、スイッチオフ時間toffは、次の関係で表される。
Here, the on-duty of the Gate 1 signal, the Gate 2 signal, and the Gate 3 signal is equal. Due to this operation, the voltages VL in the switching modes I, J, and K are equal in terms of time average, and the relationship is (V1−Vc0a) = (− V2 + Vc0b) = (V1−Vc0b + Vc0a).
Therefore, Vc0b = (2/3) · (V1 + V2), Vc0a = (1/3) · (V1 + V2), as in the case where the on-duty of the gate drive signal is 100% or more and less than 50%. .
From this, the potential difference between both ends of the inductor L, the switch-on time ton and the switch-off time toff of the FET1, FET2, and FET3 are expressed by the following relationship.

スイッチングモードM: L・ILrpl=(T/3−toff)・V1・・(14a)

スイッチングモードI、J、K:L・ILrpl=−toff・(2・V1−V2)/3 ・・(14b)但し、ton+toff=T
Switching mode M: L.ILrpl = (T / 3-toff) .V1 .. (14a)

Switching modes I, J, K: L · ILrpl = −toff · (2 · V1−V2) / 3 ·· (14b) where ton + toff = T

式(14a)と式(14b)の左辺同士が等しいことから、次の関係が成り立つ。   Since the left sides of Expression (14a) and Expression (14b) are equal, the following relationship is established.

(T/3−toff)・V1=−toff・(2・V1−V2)/3 ・・(15)   (T / 3−toff) · V1 = −toff · (2 · V1−V2) / 3 (15)

上の式(15)を一次側端子電圧V1と二次側端子電圧V2について整理すると次のようになる。   The above formula (15) can be summarized with respect to the primary terminal voltage V1 and the secondary terminal voltage V2 as follows.

(V2/V1)=(T−toff)/toff=ton/(T−ton)
=(ton/T)/(1−ton/T) ・・(16)
但し、ton+toff=T
(V2 / V1) = (T-toff) / toff = ton / (T-ton)
= (Ton / T) / (1-ton / T) (16)
However, ton + toff = T

上の式(16)で周期Tは、スイッチングモードM→K→M→I→M→J→Mの順に切替わって一周する期間を示しており、T=ton+toffである。式(16)の左辺(V2/V1)はDC/DC電圧変換比である。
図26に示されるゲート駆動信号のオンデューティが100×(2/3)%以上の動作では、(2/3)≦(ton/T)であり、式(16)に当てはめると、DC/DC電圧変換比は2以上となる。よって、(2・V1)≦V2である。
In the above equation (16), the period T indicates a period in which the switching mode M → K → M → I → M → J → M is switched in order, and T = ton + toff. The left side (V2 / V1) of Expression (16) is a DC / DC voltage conversion ratio.
In the operation in which the on-duty of the gate drive signal shown in FIG. 26 is 100 × (2/3)% or more, (2/3) ≦ (ton / T), and when applied to the equation (16), DC / DC The voltage conversion ratio is 2 or more. Therefore, (2 · V1) ≦ V2.

これらから、スイッチングモードI、J、Kでは、インダクタLのFET4側接続端子の電圧VLは、VL=(2・V1−V2)/3<0である。インダクタLの負極側端子N1側の接続端子の電圧は0である。
よって、インダクタLの両端間の電位差は負となり、インダクタ電流ILは、IL≧0の状態で、負の方向へ向けて変化する。
また、上述の通りスイッチングモードMではインダクタ電流ILは更に正の方向に増加する。
From these, in the switching modes I, J, and K, the voltage VL at the FET4 side connection terminal of the inductor L is VL = (2 · V1−V2) / 3 <0. The voltage at the connection terminal on the negative electrode side N1 side of the inductor L is zero.
Therefore, the potential difference between both ends of the inductor L becomes negative, and the inductor current IL changes in the negative direction in a state where IL ≧ 0.
As described above, in the switching mode M, the inductor current IL further increases in the positive direction.

以上のように、スイッチングモードM→K→M→I→M→J→Mの切替わりにおいて、
スイッチングモードI、J、Kでは、インダクタ電流ILは、IL≧0の状態からIL<0の状態に向けて変化し、
スイッチングモードMでは、インダクタ電流ILは、IL≧0の状態から更に正の方向に増加する。
このことから、電界効果トランジスタのスイッチング周期Tに亘ってインダクタ電流ILの増加、減少はT/3周期で3回繰り返されることとなる。
従って、電界効果トランジスタのスイッチング周波数に対してインダクタLには3倍の周波数の交流電流が導通することとなる。
また、式(10)、式(13)、式(16)は等しいものであり、即ち、オンデューティが何れの値であっても無関係にオンデューティの変化に合わせて連続的にDC/DC電圧変換比は調整される。
As described above, in the switching mode M → K → M → I → M → J → M,
In switching modes I, J, and K, the inductor current IL changes from the state of IL ≧ 0 toward the state of IL <0,
In the switching mode M, the inductor current IL further increases in the positive direction from the state where IL ≧ 0.
From this, the increase and decrease of the inductor current IL are repeated three times in the T / 3 period over the switching period T of the field effect transistor.
Accordingly, an alternating current having a frequency three times that of the switching frequency of the field effect transistor is conducted to the inductor L.
In addition, the equations (10), (13), and (16) are equal, that is, the DC / DC voltage is continuously adjusted according to the change of the on-duty regardless of the on-duty. The conversion ratio is adjusted.

次に、回生動作時について説明する。
回生動作時:
本実施の形態においても、実施の形態1で説明した力行時と回生時との動作の対称性を持つ。本実施の形態での回生時の動作はDC/DC電圧変換装置1の二次側に接続した電気機器5が発生する電力をV2からV1へDC/DC電圧変換して直流電源4で回収する。
この際、降圧動作では電圧V1>電圧V2の関係で、昇圧動作では電圧V1≦電圧V2の関係で、DC/DC電圧変換を行う。
ゲート駆動信号8の波形は、図27(a)、図28(a)、図29(a)、図30(a)に示されるものであって、力行動作時と同じである。即ち、
図27(a)は、ゲート駆動信号のオンデューティが100/3%未満の場合、
図28(a)は、ゲート駆動信号のオンデューティが100/3%以上かつ50%未満の場合、
図29(a)は、ゲート駆動信号のオンデューティが50%以上かつ100×(2/3)%未満の場合、
図30(a)は、ゲート駆動信号のオンデューティが100×(2/3)%以上の場合のゲート駆動信号の波形となる。
Next, the regenerative operation will be described.
During regenerative operation:
The present embodiment also has the symmetry of operation between powering and regeneration described in the first embodiment. The operation at the time of regeneration in the present embodiment is that the electric power generated by the electrical device 5 connected to the secondary side of the DC / DC voltage converter 1 is DC / DC voltage converted from V2 to V1 and recovered by the DC power supply 4. .
At this time, DC / DC voltage conversion is performed in a voltage V1> voltage V2 relationship in the step-down operation and in a relationship V1 ≦ voltage V2 in the voltage step-up operation.
The waveform of the gate drive signal 8 is shown in FIG. 27A, FIG. 28A, FIG. 29A, and FIG. 30A, and is the same as that during the power running operation. That is,
FIG. 27A shows that when the on-duty of the gate drive signal is less than 100/3%,
FIG. 28A shows a case where the on-duty of the gate drive signal is 100/3% or more and less than 50%.
FIG. 29A shows a case where the on-duty of the gate drive signal is 50% or more and less than 100 × (2/3)%.
FIG. 30A shows the waveform of the gate drive signal when the on-duty of the gate drive signal is 100 × (2/3)% or more.

1)オンデューティが100/3%未満で降圧動作の場合:
二次側から一次側へ電力を供給する回生動作時であって、二次側電圧V2<一次側電圧V1の降圧を行うオンデューティが100/3%未満の動作について説明する。尚、二次側電圧V2を基にすれば、V1/V2>1の関係の昇圧となる。
図27(a)において、Gate4信号がハイの場合にFET4が、Gate5信号がハイの場合にFET5が、Gate6信号がハイの場合にFET6がオンし、ドレインからソースに向けて電流が流れる。
また、Gate1信号がハイの場合にFET1が、Gate2信号がハイの場合にFET2が、Gate3信号がハイの場合にFET3がオンするが、回生動作時には電流がソースからドレインに向けてFET1、FET2、FET3に内在する寄生ダイオードの替わりにトランジスタ部分を流れる。
1) When the on-duty is less than 100/3% and step-down operation:
An operation in which the on-duty for reducing the secondary side voltage V2 <the primary side voltage V1 during the regenerative operation for supplying power from the secondary side to the primary side is less than 100/3% will be described. Note that, based on the secondary side voltage V2, the voltage is boosted in a relationship of V1 / V2> 1.
In FIG. 27A, the FET 4 is turned on when the Gate 4 signal is high, the FET 5 is turned on when the Gate 5 signal is high, and the FET 6 is turned on when the Gate 6 signal is high, and a current flows from the drain toward the source.
In addition, FET1 is turned on when the Gate1 signal is high, FET2 is turned on when the Gate2 signal is high, and FET3 is turned on when the Gate3 signal is high. However, during the regenerative operation, the current flows from the source to the drain. Instead of the parasitic diode inherent in the FET 3, it flows through the transistor portion.

Gate1からGate6のゲート駆動信号のハイ、ローの論理の組合わせは、ゲート駆動信号のオンデューティが100/3%未満では図27(c)の、ゲート駆動信号のオンデューティが100/3%以上かつ50%未満では図28(c)の、ゲート駆動信号のオンデューティが50%以上かつ100×(2/3)%未満では図29(c)の、ゲート駆動信号のオンデューティが100×(2/3)%以上では図30(c)の通りとなる。
即ち、スイッチングモードは E、F、G、H、I、J、K、Mの8通りとなる。
The combination of high and low logic of the gate drive signals from Gate 1 to Gate 6 is shown in FIG. 27C when the on-duty of the gate drive signal is less than 100/3%, and the on-duty of the gate drive signal is 100/3% or more. If it is less than 50%, the on-duty of the gate drive signal shown in FIG. 28C is 50 × or more and less than 100 × (2/3)%, and the on-duty of the gate drive signal shown in FIG. At 2/3)% or more, the result is as shown in FIG.
That is, there are eight switching modes: E, F, G, H, I, J, K, and M.

スイッチングモードEでは、
電流が、正極側端子P2→インダクタL→FET4→FET5→FET6→負極側端子N2→電気機器5→正極側端子P2の経路に流れ、インダクタLにエネルギが蓄えられる。また、FET4、FET5、FET6がオンして電流が導通することから、電圧VLはおよそ−V2となる。また、二次側の正極側端子P2は一次側の負極側端子N1と接続しているため、インダクタLのFET4側接続端子の電圧VLと正極側端子P2側の接続端子の電圧との差は(−V2−0)で負となり、インダクタ電流ILは、IL<0の状態で更に負の方向に増加する。
In switching mode E,
The current flows through the path of the positive terminal P2, the inductor L, the FET 4, the FET 5, the FET 6, the negative terminal N2, the electrical device 5, and the positive terminal P2, and energy is stored in the inductor L. Further, since FET4, FET5, and FET6 are turned on and current is conducted, the voltage VL is approximately -V2. Further, since the secondary side positive terminal P2 is connected to the primary side negative terminal N1, the difference between the voltage VL of the FET 4 side connection terminal of the inductor L and the voltage of the connection terminal on the positive side terminal P2 side is It becomes negative at (−V2-0), and the inductor current IL further increases in the negative direction when IL <0.

スイッチングモードFでは、
電流が、負極側端子N1→インダクタL→FET4→FET5→エネルギ移行用キャパシタC0b→FET1→正極側端子P1→直流電源4→負極側端子N1の経路に流れ、エネルギがエネルギ移行用キャパシタC0bから放出される。平滑キャパシタC2には電気機器5の両端電圧が印加され、電気機器5からの発電エネルギが供給される。
また、FET1、FET4、FET5がオンであって電流が導通することから、エネルギ移行用キャパシタC0bのFET5側接続端子の電位はおよそVL、FET1側接続端子の電位はおよそV1となる。
よって、インダクタLのFET4側接続端子の電圧VLは、VL=V1−Vc0bとなる。
In switching mode F,
The current flows through the path of the negative terminal N1, the inductor L, the FET 4, the FET 5, the energy transfer capacitor C0b, the FET 1, the positive terminal P1, the DC power supply 4, the negative terminal N1, and the energy is discharged from the energy transfer capacitor C0b. Is done. The smoothing capacitor C <b> 2 is applied with the voltage across the electric device 5, and the generated energy from the electric device 5 is supplied.
Since FET1, FET4, and FET5 are on and current is conducted, the potential of the FET5 side connection terminal of the energy transfer capacitor C0b is about VL, and the potential of the FET1 side connection terminal is about V1.
Therefore, the voltage VL at the connection terminal of the inductor L on the FET 4 side is VL = V1−Vc0b.

スイッチングモードGでは、
正極側端子P2→インダクタL→FET4→エネルギ移行用キャパシタC0a→FET2→エネルギ移行用キャパシタC0b→FET6→負極側端子N2→電気機器5→正極側端子P2の経路に流れ、エネルギはエネルギ移行用キャパシタC0aから放出され、エネルギ移行用キャパシタC0bに蓄えられる。
また、FET2、FET4、FET6がオンして電流が導通することから、電圧VLはおよそ(−V2+Vc0b−Vc0a)となる。
In switching mode G,
Positive side terminal P2 → Inductor L → FET 4 → Energy transfer capacitor C0a → FET 2 → Energy transfer capacitor C0b → FET 6 → Negative side terminal N2 → Electrical device 5 → Positive side terminal P2 Released from C0a and stored in energy transfer capacitor C0b.
Further, since FET2, FET4, and FET6 are turned on and current is conducted, the voltage VL is approximately (−V2 + Vc0b−Vc0a).

スイッチングモードHでは、
電流が、正極側端子P2→インダクタL→FET3→エネルギ移行用キャパシタC0a→FET5→FET6→負極側端子N2→電気機器5→正極側端子P2の経路に流れ、エネルギがエネルギ移行用キャパシタC0aに蓄えられる。
また、FET3、FET5、FET6がオンして電流が導通することから、電圧VLはおよそ(−V2+Vc0a)となる。
In switching mode H,
The current flows in the path of the positive terminal P2, the inductor L, the FET 3, the energy transfer capacitor C0a, the FET 5, the FET 6, the negative terminal N2, the electrical device 5, and the positive terminal P2, and the energy is stored in the energy transfer capacitor C0a. It is done.
Further, since FET3, FET5, and FET6 are turned on and current is conducted, the voltage VL is approximately (−V2 + Vc0a).

スイッチングモードIでは、
電流が、インダクタL→FET4→エネルギ移行用キャパシタC0a→FET2→FET1→正極側端子P1→直流電源4→負極側端子N1→インダクタLの経路に流れ、エネルギ移行用キャパシタC0aからエネルギが放出される。
また、FET1、FET2、FET4がオンして電流が導通することから、電圧VLはおよそ、(V1−Vc0a)となる。
In switching mode I,
The current flows in the path of inductor L → FET 4 → energy transfer capacitor C0a → FET 2 → FET 1 → positive terminal P1 → DC power supply 4 → negative terminal N1 → inductor L, and energy is released from the energy transfer capacitor C0a. .
Further, since FET1, FET2, and FET4 are turned on and current is conducted, the voltage VL is approximately (V1-Vc0a).

スイッチングモードJでは、
電流が、正極側端子P2→インダクタL→FET3→FET2→エネルギ移行用キャパシタC0b→FET6→負極側端子N2→電気機器5→正極側端子P2の経路に流れ、エネルギがエネルギ移行用キャパシタC0bに蓄えられる。
また、FET2、FET3、FET6がオンして電流が導通することから、電圧VLはおよそ(−V2+Vc0b)となる。
In switching mode J,
The current flows through the path of the positive terminal P2, the inductor L, the FET 3, the FET 2, the energy transfer capacitor C0b, the FET 6, the negative terminal N2, the electrical device 5, and the positive terminal P2, and the energy is stored in the energy transfer capacitor C0b. It is done.
Further, since FET2, FET3, and FET6 are turned on and current is conducted, the voltage VL is approximately (−V2 + Vc0b).

スイッチングモードKでは、
電流が、インダクタL→FET3→エネルギ移行用キャパシタC0a→FET5→エネルギ移行用キャパシタC0b→FET1→正極側端子P1→直流電源4→負極側端子N1→インダクタLの経路に流れ、
エネルギがエネルギ移行用キャパシタC0bから放出しエネルギ移行用キャパシタC0aに蓄えられる。
また、FET1、FET3、FET5がオンして電流が導通することから、電圧VLはおよそ(V1−Vc0b+Vc0a)となる。
In switching mode K,
The current flows through the path of inductor L → FET 3 → energy transfer capacitor C0a → FET 5 → energy transfer capacitor C0b → FET 1 → positive terminal P1 → DC power supply 4 → negative terminal N1 → inductor L,
Energy is released from the energy transfer capacitor C0b and stored in the energy transfer capacitor C0a.
Further, since FET1, FET3, and FET5 are turned on to conduct current, the voltage VL is approximately (V1−Vc0b + Vc0a).

スイッチングモードMでは、
電流が、インダクタL→FET3→FET2→FET1→正極側端子P1→直流電源4→負極側端子N1→インダクタLの経路に流れ、エネルギがインダクタLから放出される。
また、FET1、FET2、FET3がオンして電流が導通することから、電圧VLはおよそ、V1となる。
インダクタLのFET3側接続端子の電圧VLと負極側端子N1側の接続端子の電圧との差は(V1−0)で正となり、インダクタ電流ILは、IL<0の状態で正の方向に向けて変化する。
In switching mode M,
A current flows in a path of inductor L → FET 3 → FET 2 → FET 1 → positive terminal P 1 → DC power supply 4 → negative terminal N 1 → inductor L, and energy is released from the inductor L.
Further, since FET1, FET2, and FET3 are turned on and current is conducted, the voltage VL is approximately V1.
The difference between the voltage VL at the FET3 side connection terminal of the inductor L and the voltage at the connection terminal on the negative side terminal N1 side is positive at (V1-0), and the inductor current IL is directed in the positive direction when IL <0. Change.

続いて、ゲート駆動信号のオンデューティの各範囲と、対応するスイッチングモードの切替わりについて説明する。
1)オンデューティが100/3%未満で降圧動作の場合:
ゲート駆動信号のオンデューティが100/3%未満では図27(c)に示されるように、スイッチングモードH→E→G→E→F→E→Hの順に切替わって、周期Tで一周する。
力行動作時と同様に、スイッチングモードF、G、Hにおける電圧VLは時間平均的に等しく、(V1−Vc0b)=(−V2+Vc0b−Vc0a)=(−V2+Vc0a)の関係となる。よって、Vc0b=(2/3)・(V1+V2)、Vc0a=(1/3)・(V1+V2) となる。
インダクタLの両端の電位差、FET1、FET2、FET3のスイッチオン時間ton、スイッチオフ時間toff、一次側端子電圧V1、二次側端子電圧V2には、式(8a)、式(8b)、式(9)の関係が成り立つ。
Subsequently, each range of the on-duty of the gate drive signal and switching of the corresponding switching mode will be described.
1) When the on-duty is less than 100/3% and step-down operation:
When the on-duty of the gate drive signal is less than 100/3%, as shown in FIG. 27 (c), the switching mode is switched in the order of H → E → G → E → F → E → H, and makes a round with a period T. .
As in the power running operation, the voltages VL in the switching modes F, G, and H are equal in terms of time average, and the relationship is (V1−Vc0b) = (− V2 + Vc0b−Vc0a) = (− V2 + Vc0a). Therefore, Vc0b = (2/3) · (V1 + V2) and Vc0a = (1/3) · (V1 + V2).
The potential difference between both ends of the inductor L, the switch-on time ton, the switch-off time toff, the primary terminal voltage V1, and the secondary terminal voltage V2 of the FET1, FET2, and FET3 are expressed by the following equations (8a), (8b), and ( 9) is established.

従って、DC/DC電圧変換装置1の電圧変換比(V2/V1)は、式(10)で示されるものとなる。
ゲート駆動信号のオンデューティが100/3%未満の動作では、(ton/T)<(1/3)であり、式(10)に当てはめるとDC/DC電圧変換比は1/2未満となる。よって、V2<(V1/2)である。即ち、二次側端子電圧V2は、一次側端子電圧V1の1/2倍よりも低い電圧へ降圧される。
Therefore, the voltage conversion ratio (V2 / V1) of the DC / DC voltage conversion device 1 is represented by Expression (10).
In an operation in which the on-duty of the gate drive signal is less than 100/3%, (ton / T) <(1/3), and the DC / DC voltage conversion ratio is less than 1/2 when applied to the equation (10). . Therefore, V2 <(V1 / 2). That is, the secondary side terminal voltage V2 is stepped down to a voltage lower than ½ times the primary side terminal voltage V1.

これらから、スイッチングモードF、G、Hでは、インダクタLのFET4側接続端子の電圧VL=(V1−2・V2)/3>0、インダクタLの負極側端子N1側接続端子の電圧が0である。よって、インダクタLの両端間の電位差は正となり、インダクタ電流ILは正の方向へ向けて変化する。
スイッチングモードEでは、上述のように、IL<0の状態で更に負の方向に増加する。
以上のように、スイッチングモードH→E→G→E→F→E→Hの切替わりにおいて、
スイッチングモードF、G、Hでは、インダクタ電流ILは、IL<0の状態からIL≧0の状態に向けて変化し、
スイッチングモードEでは、インダクタ電流ILは、IL<0の状態から、更に負の方向に向けて増加する。
このことから、電界効果トランジスタのスイッチング周期Tに亘ってインダクタ電流ILの増加、減少はT/3周期で3回繰り返され、インダクタLには電界効果トランジスタのスイッチング周波数に対して3倍の周波数の交流電流が導通することとなる。
From these, in the switching modes F, G, and H, the voltage VL = (V1-2 · V2) / 3> 0 of the FET4 side connection terminal of the inductor L, and the voltage of the negative terminal N1 side connection terminal of the inductor L is 0. is there. Therefore, the potential difference between both ends of the inductor L becomes positive, and the inductor current IL changes in the positive direction.
In the switching mode E, as described above, it further increases in the negative direction when IL <0.
As described above, in the switching mode H → E → G → E → F → E → H,
In the switching modes F, G, and H, the inductor current IL changes from the state of IL <0 toward the state of IL ≧ 0,
In the switching mode E, the inductor current IL increases further in the negative direction from the state of IL <0.
From this, the increase and decrease of the inductor current IL are repeated three times in the T / 3 period over the switching period T of the field effect transistor, and the inductor L has a frequency three times the switching frequency of the field effect transistor. An alternating current will be conducted.

2)オンデューティが100/3%以上かつ50%未満で降圧動作の場合:
次に、ゲート駆動信号のオンデューティが100/3%以上で50%未満である場合は、図28(c)に示されるように、スイッチングモードG→J→H→K→F→I→Gの順に切替わって、周期Tで一周する。
力行動作時と同様に、スイッチングモードF、G、Hにおける電圧VLは時間平均的に等しく、(V1−Vc0b)=(−V2+Vc0b−Vc0a)=(−V2+Vc0a) となる。
また、スイッチングモードI、J、Kにおける電圧VLも時間平均的に等しく、 (V1−Vc0a)=(−V2+Vc0b)=(V1−Vc0b+Vc0a)の関係となる。これらより、ゲート駆動信号のオンデューティが100/3%未満である場合と同様に、エネルギ移行用キャパシタの両端の電圧は、Vc0b=(2/3)・(V1+V2)、Vc0a=(1/3)・(V1+V2)となる。
これより、 インダクタLの両端の電位差、FET1、FET2、FET3のスイッチオン時間ton、スイッチオフ時間toff、一次側接続端子電圧V1、二次側接続端子電圧V2には式(11a)、式(11b)、式(12)の関係が成り立つ。
2) When the on-duty is 100/3% or more and less than 50% and the step-down operation is:
Next, when the on-duty of the gate drive signal is 100/3% or more and less than 50%, as shown in FIG. 28C, the switching mode G → J → H → K → F → I → G In this order, and makes a round with a period T.
Similarly to the power running operation, the voltages VL in the switching modes F, G, and H are equal in time average, and (V1−Vc0b) = (− V2 + Vc0b−Vc0a) = (− V2 + Vc0a).
The voltages VL in the switching modes I, J, and K are also equal on a time average basis, and the relationship is (V1−Vc0a) = (− V2 + Vc0b) = (V1−Vc0b + Vc0a). Accordingly, as in the case where the on-duty of the gate drive signal is less than 100/3%, the voltages at both ends of the energy transfer capacitor are Vc0b = (2/3) · (V1 + V2) and Vc0a = (1/3). ) · (V1 + V2).
Thus, the potential difference between both ends of the inductor L, the switch-on time ton, the switch-off time toff, the primary side connection terminal voltage V1, and the secondary side connection terminal voltage V2 of the FET1, FET2, and FET3 are expressed by the equations (11a) and (11b). ), The relationship of Expression (12) is established.

従って、DC/DC電圧変換装置1の電圧変換比(V2/V1)は、式(13)で示されるものとなる。
ゲート駆動信号のオンデューティが100/3%以上で50%未満である動作では、(1/3)≦(ton/T)<(1/2)であり、式(13)に当てはめるとDC/DC電圧変換比は、1/2以上で1未満となる。よって、(V1/2)≦V2<V1である。即ち、二次側端子電圧V2は一次側端子電圧V1の(1/2)倍以上で1倍未満の電圧へ降圧される。
Therefore, the voltage conversion ratio (V2 / V1) of the DC / DC voltage converter 1 is represented by the equation (13).
In an operation in which the on-duty of the gate drive signal is 100/3% or more and less than 50%, (1/3) ≦ (ton / T) <(1/2), and DC / The DC voltage conversion ratio is ½ or more and less than 1. Therefore, (V1 / 2) ≦ V2 <V1. That is, the secondary side terminal voltage V2 is stepped down to a voltage that is (1/2) times or more and less than 1 time the primary side terminal voltage V1.

これらから、スイッチングモードF、G、Hでは、インダクタLのFET4側接続端子の電圧VLは0から(−V1/3)の範囲であり、インダクタLの負極側端子N1側の接続端子の電圧が0である。よって、インダクタLの両端間の電位差は負となり、インダクタ電流ILは更に負の方向へ増加する。
スイッチングモードI、J、Kでは、インダクタLのFET4側接続端子の電圧VLは(V1/2)から(V1/3)の範囲であり、インダクタLの負極側端子N1側の接続端子の電圧が0である。よって、インダクタLの両端間の電位差は正となり、インダクタ電流ILは、IL<0の状態で正の方向へ向けて変化する。
From these, in the switching modes F, G, and H, the voltage VL at the connection terminal on the FET4 side of the inductor L is in the range of 0 to (−V1 / 3), and the voltage at the connection terminal on the negative electrode side terminal N1 side of the inductor L is 0. Therefore, the potential difference between both ends of the inductor L becomes negative, and the inductor current IL further increases in the negative direction.
In the switching modes I, J, and K, the voltage VL at the FET4 side connection terminal of the inductor L is in the range of (V1 / 2) to (V1 / 3), and the voltage at the connection terminal on the negative electrode side N1 side of the inductor L is 0. Therefore, the potential difference between both ends of the inductor L becomes positive, and the inductor current IL changes in the positive direction when IL <0.

以上のように、スイッチングモードG→J→H→K→F→I→Gの切替わりにおいて、
スイッチングモードF、G、Hでは、インダクタ電流ILは、IL<0の状態から、更に負の方向に向けて増加し、
スイッチングモードI、J、Kでは、インダクタ電流ILは、IL<0の状態から、IL≧0の状態に向けて変化する。
このことから、電界効果トランジスタのスイッチング周期Tに亘ってインダクタ電流ILの増加、減少はT/3周期で3回繰り返され、インダクタLには電界効果トランジスタのスイッチング周波数に対して3倍の周波数の交流電流が導通することとなる。
As described above, in the switching mode G → J → H → K → F → I → G,
In the switching modes F, G, and H, the inductor current IL increases from the state of IL <0 further in the negative direction,
In the switching modes I, J, and K, the inductor current IL changes from the state of IL <0 toward the state of IL ≧ 0.
From this, the increase and decrease of the inductor current IL are repeated three times in the T / 3 period over the switching period T of the field effect transistor, and the inductor L has a frequency three times the switching frequency of the field effect transistor. An alternating current will be conducted.

3)オンデューティが50%以上かつ100×(2/3)%未満で昇圧動作の場合:
次に、ゲート駆動信号のオンデューティが50%以上かつ100×(2/3)%未満である場合は、図29(c)に示されるように、スイッチングモードG→J→H→K→F→I→Gの順に切替わって、周期Tで一周する。
上述の回生動作時の2)項 オンデューティが100/3%以上かつ50%未満で降圧動作の場合と同様に、スイッチングモードF、G、Hにおける電圧VLは時間平均的に等しく、(V1−Vc0b)=(−V2+Vc0b−Vc0a)=(−V2+Vc0a)となる。
また、スイッチングモードI、J、Kにおける電圧VLも時間平均的に等しく、(V1−Vc0a)=(−V2+Vc0b)=(V1−Vc0b+Vc0a)の関係となる。これらより、ゲート駆動信号のオンデューティが100/3%未満である場合と同様に、エネルギ移行用キャパシタの両端の電圧は、Vc0b=(2/3)・(V1+V2)、
Vc0a=(1/3)・(V1+V2) となる。
よって、インダクタLの両端の電位差、FET1、FET2、FET3のスイッチオン時間ton、スイッチオフ時間toff、一次側接続端子電圧V1、二次側接続端子電圧V2についても同様に、式(11a)、式(11b)、式(12)の関係が成り立つ。
3) When the on-duty is 50% or more and less than 100 × (2/3)% and the boost operation is performed
Next, when the on-duty of the gate drive signal is 50% or more and less than 100 × (2/3)%, as shown in FIG. 29 (c), the switching mode G → J → H → K → F It changes in the order of → I → G, and makes a round with a period T.
Item 2) at the time of the regenerative operation As in the case of the step-down operation with the on-duty being 100% or more and less than 50%, the voltages VL in the switching modes F, G, and H are equal in time average, and (V1− Vc0b) = (− V2 + Vc0b−Vc0a) = (− V2 + Vc0a).
In addition, the voltages VL in the switching modes I, J, and K are also equal in time average, and the relationship is (V1−Vc0a) = (− V2 + Vc0b) = (V1−Vc0b + Vc0a). From these, as in the case where the on-duty of the gate drive signal is less than 100/3%, the voltage across the energy transfer capacitor is Vc0b = (2/3) · (V1 + V2),
Vc0a = (1/3) · (V1 + V2).
Accordingly, the potential difference between both ends of the inductor L, the switch-on time ton, the switch-off time toff, the primary side connection terminal voltage V1, and the secondary side connection terminal voltage V2 of the FET1, FET2, and FET3 are similarly expressed by the equations (11a) and (11). The relationship of (11b) and Formula (12) is established.

従って、DC/DC電圧変換装置1の電圧変換比(V2/V1)は式(13)で示され、
ゲート駆動信号のオンデューティが50%以上かつ100×(2/3)%未満である動作では、(1/2)≦(ton/T)<(2/3)であり、式(13)に当てはめるとDC/DC電圧変換比は、1以上で2未満となる。よって、V1≦V2<(2・V1)である。即ち、二次側端子電圧V2は一次側端子電圧V1の1倍より高く2倍未満の電圧へ昇圧される。
Therefore, the voltage conversion ratio (V2 / V1) of the DC / DC voltage converter 1 is expressed by the equation (13),
In an operation in which the on-duty of the gate drive signal is 50% or more and less than 100 × (2/3)%, (1/2) ≦ (ton / T) <(2/3), and Expression (13) When applied, the DC / DC voltage conversion ratio is 1 or more and less than 2. Therefore, V1 ≦ V2 <(2 · V1). That is, the secondary terminal voltage V2 is boosted to a voltage that is higher than 1 time and lower than twice the primary side terminal voltage V1.

これらから、スイッチングモードF、G、Hでは、インダクタLのFET4側接続端子の電圧VLは(−V1/3)から(−V1)の範囲であり、インダクタLの負極側端子N1側の接続端子の電圧が0である。よって、インダクタLの両端間の電位差は負となり、インダクタ電流ILは更に負の方向へ増加する。
スイッチングモードI、J、Kでは、インダクタLのFET4側接続端子の電圧VLは0から(V1/3)の範囲であり、インダクタLの負極側端子N1側の接続端子の電圧が0である。よって、インダクタLの両端間の電位差は正となり、インダクタ電流ILは、IL<0の状態で正の方向へ向けて変化する。
From these, in the switching modes F, G, and H, the voltage VL of the FET4 side connection terminal of the inductor L is in the range of (−V1 / 3) to (−V1), and the connection terminal of the inductor L on the negative electrode side terminal N1 side. Is 0. Therefore, the potential difference between both ends of the inductor L becomes negative, and the inductor current IL further increases in the negative direction.
In the switching modes I, J, and K, the voltage VL at the connection terminal on the FET4 side of the inductor L is in the range of 0 to (V1 / 3), and the voltage at the connection terminal on the negative electrode side terminal N1 side of the inductor L is 0. Therefore, the potential difference between both ends of the inductor L becomes positive, and the inductor current IL changes in the positive direction when IL <0.

以上のように、上述の回生動作時の2)項 オンデューティが100/3%以上かつ50%未満で降圧動作の場合と同じく、スイッチングモードG→J→H→K→F→I→Gの切替わりにおいて、
スイッチングモードF、G、Hでは、インダクタ電流ILは、IL<0の状態から、更に負の方向に向けて増加し、
スイッチングモードI、J、Kでは、インダクタ電流ILは、IL<0の状態から、IL≧0の状態に向けて変化する。
このことから、電界効果トランジスタのスイッチング周期Tに亘ってインダクタ電流ILの増加、減少はT/3周期で3回繰り返され、インダクタLには電界効果トランジスタのスイッチング周波数に対して3倍の周波数の交流電流が導通することとなる。
As described above, the same as in the case of the step-down operation when the on-duty is 100/3% or less and less than 50% and the switching mode G → J → H → K → F → I → G In switching,
In the switching modes F, G, and H, the inductor current IL increases from the state of IL <0 further in the negative direction,
In the switching modes I, J, and K, the inductor current IL changes from the state of IL <0 toward the state of IL ≧ 0.
From this, the increase and decrease of the inductor current IL are repeated three times in the T / 3 period over the switching period T of the field effect transistor, and the inductor L has a frequency three times the switching frequency of the field effect transistor. An alternating current will be conducted.

4)オンデューティが100×(2/3)%以上で昇圧動作の場合:
更に、ゲート駆動信号のオンデューティが100×(2/3)%以上である場合は、図30(c)に示されるように、スイッチングモードM→K→M→I→M→J→Mの順に切替わって、周期Tで一周する。
力行動作時と同様に、スイッチングモードI、J、Kにおける電圧VLは時間平均的に等しく、(V1−Vc0a)=(−V2+Vc0b)=(V1−Vc0b+Vc0a) の関係となる。
よって、Vc0b=(2/3)・(V1+V2)、
Vc0a=(1/3)・(V1+V2) となる。
インダクタLの両端の電位差、FET1、FET2、FET3のスイッチオン時間ton、スイッチオフ時間toff、一次側端子電圧V1、二次側端子電圧V2には、力行動作時と同様に、式(14a)、式(14b)、式(15)の関係が成り立つ。
4) When the on-duty is 100 x (2/3)% or more and boosting operation:
Further, when the on-duty of the gate drive signal is 100 × (2/3)% or more, as shown in FIG. 30C, the switching mode M → K → M → I → M → J → M It switches in order and makes one round with the period T.
Similarly to the power running operation, the voltages VL in the switching modes I, J, and K are equal in terms of time average, and the relationship is (V1−Vc0a) = (− V2 + Vc0b) = (V1−Vc0b + Vc0a).
Therefore, Vc0b = (2/3) · (V1 + V2),
Vc0a = (1/3) · (V1 + V2).
The potential difference between both ends of the inductor L, the switch-on time ton, the switch-off time toff, the primary terminal voltage V1, and the secondary terminal voltage V2 of the FET1, FET2, and FET3 are expressed by the equation (14a), as in the powering operation. The relationship of Formula (14b) and Formula (15) is established.

従って、DC/DC電圧変換装置1の電圧変換比(V2/V1)は、式(16)で示されるものとなる。
ゲート駆動信号のオンデューティが100×(2/3)%以上の動作では、(2/3)≦(ton/T)であり、式(16)に当てはめるとDC/DC電圧変換比は2以上となる。よって、(2×V1)≦V2である。即ち、二次側端子電圧V2は、一次側端子電圧V1の2倍より高い電圧へ昇圧される。
Therefore, the voltage conversion ratio (V2 / V1) of the DC / DC voltage converter 1 is represented by the equation (16).
In an operation in which the on-duty of the gate drive signal is 100 × (2/3)% or more, (2/3) ≦ (ton / T), and the DC / DC voltage conversion ratio is 2 or more when applied to the equation (16). It becomes. Therefore, (2 × V1) ≦ V2. That is, the secondary terminal voltage V2 is boosted to a voltage higher than twice the primary terminal voltage V1.

これらから、スイッチングモードI、J、Kでは、インダクタLのFET4側接続端子の電圧VLはVL≦0、インダクタLの負極側端子N1側の接続端子の電圧が0である。よって、インダクタLの両端間の電位差は負となり、インダクタ電流ILは更に負の方向へ増加する。
スイッチングモードMでは、上述のようにインダクタ電流ILは、IL<0の状態からIL≧0の状態へ向けて変化する。
Accordingly, in the switching modes I, J, and K, the voltage VL at the connection terminal on the FET4 side of the inductor L is VL ≦ 0, and the voltage at the connection terminal on the negative electrode side N1 side of the inductor L is 0. Therefore, the potential difference between both ends of the inductor L becomes negative, and the inductor current IL further increases in the negative direction.
In the switching mode M, as described above, the inductor current IL changes from the state of IL <0 toward the state of IL ≧ 0.

以上のように、スイッチングモードM→K→M→I→M→J→Mの切替わりにおいて、
スイッチングモードI、J、Kでは、インダクタ電流ILは、更に負の方向へ増加し、
スイッチングモードMでは、インダクタ電流ILは、IL<0の状態から、IL≧0の状態へ向けて変化する。
このことから、電界効果トランジスタのスイッチング周期Tに亘ってインダクタ電流ILの増加、減少はT/3周期で3回繰り返され、インダクタLには、電界効果トランジスタのスイッチング周波数に対して3倍の周波数の交流電流が導通することとなる。
As described above, in the switching mode M → K → M → I → M → J → M,
In switching modes I, J, and K, the inductor current IL further increases in the negative direction,
In the switching mode M, the inductor current IL changes from the state of IL <0 toward the state of IL ≧ 0.
Therefore, the increase and decrease of the inductor current IL is repeated three times in the T / 3 period over the switching period T of the field effect transistor, and the inductor L has a frequency three times the switching frequency of the field effect transistor. AC current will be conducted.

以上で説明した動作内容の通り、本実施の形態4のDC/DC電圧変換装置は、力行動作時と回生動作時のいずれの場合も電界効果トランジスタのスイッチング周波数に対してインダクタLには3倍の周波数の交流電流が導通する。
従って、実施の形態1でのDC/DC電圧変換装置と比較して、インダクタLのリップル電流成分の周波数が更に高くなるため、インダクタLのインダクタンスを下げることが可能となり、インダクタの容積と重量が従来技術に基づくものに比べ格段に低減する。
As described above, the DC / DC voltage converter according to the fourth embodiment has the inductor L three times as large as the switching frequency of the field effect transistor in both the power running operation and the regenerative operation. AC current with a frequency of
Accordingly, since the frequency of the ripple current component of the inductor L is further increased as compared with the DC / DC voltage conversion device in the first embodiment, the inductance of the inductor L can be reduced, and the volume and weight of the inductor are reduced. Compared to the conventional technology, it is significantly reduced.

また、実施の形態1の変形例として説明したように、インダクタLに流れる交流成分の周波数を、可聴周波数の上限以上と設定する場合等も、電界効果トランジスタのスイッチング周波数を実施の形態1の場合より低い値に設定してもよいので、そのスイッチング損失等を実施の形態1の場合より低減させることができるという利点がある。   As described as a modification of the first embodiment, the switching frequency of the field-effect transistor is the same as that of the first embodiment even when the frequency of the AC component flowing through the inductor L is set to be equal to or higher than the upper limit of the audible frequency. Since it may be set to a lower value, there is an advantage that the switching loss and the like can be reduced as compared with the case of the first embodiment.

更に、この他にも実施の形態1と同様の効果を得ることができる。即ち、電界効果トランジスタには、ワイドバンドギャップの半導体材料によるものを適用することから、DC/DC電圧変換装置の出力電力容量を増加して半導体ユニットで生じる損失が増えたとしても、半導体ユニットの耐熱温度が高くなることから、取り扱い可能な出力電力容量を拡大し、電力密度が向上しつつも、小型で軽量なDC/DC電圧変換装置を実現可能である。
また、インダクタLとエネルギ移行用キャパシタC0a、C0b、平滑キャパシタC1、C2で顕著であった耳障りな可聴騒音の発生を解消または低減できる。
In addition, the same effects as those of the first embodiment can be obtained. That is, since the field effect transistor is made of a wide band gap semiconductor material, even if the output power capacity of the DC / DC voltage converter increases and the loss generated in the semiconductor unit increases, Since the heat-resistant temperature becomes high, it is possible to realize a small and lightweight DC / DC voltage conversion device while expanding the output power capacity that can be handled and improving the power density.
Further, it is possible to eliminate or reduce the generation of annoying audible noise, which is remarkable with the inductor L, the energy transfer capacitors C0a and C0b, and the smoothing capacitors C1 and C2.

以上のように、本発明に関する実施例を実施の形態1から実施の形態4によって説明したが、これらは本発明の好適な実施事例を例示したものに過ぎない。
例えば、可聴周波数の上限を20kHzとしたが、DC/DC電圧変換装置の可聴騒音の問題を解消するという目的のもとで、指標とする可聴周波数の上限は、また別な値へ設定され得る。
本発明は、これら実施の形態の構成、動作に限定されるものでなく、本発明の範囲内にある限り、別な構成、動作へ変更を加えて実施してもよい。
As mentioned above, although the Example regarding this invention was demonstrated by Embodiment 1-Embodiment 4, these are only what illustrated the preferable Example of this invention.
For example, although the upper limit of the audible frequency is 20 kHz, the upper limit of the audible frequency as an index can be set to another value for the purpose of solving the problem of audible noise of the DC / DC voltage converter. .
The present invention is not limited to the configurations and operations of these embodiments, and may be implemented with modifications to other configurations and operations as long as they are within the scope of the present invention.

1 DC/DC電圧変換装置、2 変換主回路、3 制御ユニット、4 直流電源、
5 電気機器、8 ゲート駆動信号、11,11a,11b ゲートPWM生成部、
12,12a ゲート駆動回路、23 回路切替え器、25,26 スイッチオフ回路、271,273 温度検出用ダイオード、28 インダクタ温度検出器、
29 キャパシタ温度検出器、C1,C2 平滑キャパシタ、
C0,C0a,C0b エネルギ移行用キャパシタ、
FET1〜FET6 電界効果トランジスタ、L インダクタ。
1 DC / DC voltage converter, 2 conversion main circuit, 3 control unit, 4 DC power supply,
5 Electrical equipment, 8 Gate drive signal, 11, 11a, 11b Gate PWM generator,
12, 12a Gate drive circuit, 23 circuit switcher, 25, 26 switch-off circuit, 271, 273 temperature detection diode, 28 inductor temperature detector,
29 capacitor temperature detector, C1, C2 smoothing capacitor,
C0, C0a, C0b Energy transfer capacitors,
FET1-FET6 Field effect transistor, L inductor.

Claims (16)

変換主回路と制御ユニットとを備え、一次側と二次側との間で双方向に電力を授受して昇降圧の直流電圧変換を行うDC/DC電圧変換装置であって、
前記主変換回路は、前記一次側の正極側端子と負極側端子との間に接続され前記一次側の電圧を平滑する一次側平滑キャパシタと、前記二次側の正極側端子と負極側端子との間に接続され前記二次側の電圧を平滑する二次側平滑キャパシタと、エネルギの蓄積、放出を行うエネルギ移行用キャパシタおよびインダクタと、オンオフのスイッチング動作と逆方向導通動作とが可能な半導体ユニットを2n(nは2以上の整数)個互いに直列に接続して前記一次側の正極側端子と前記二次側の負極側端子との間に接続してなるパワーモジュールとを備え、
前記一次側の負極側端子は前記二次側の正極側端子に接続され、
前記制御ユニットは、前記2n個の半導体ユニットを2個で一対となるn個の組に分け、前記各組を構成する一対の半導体ユニットのオンオフが互いに反対となる相補の関係を持つように、かつ、前記インダクタに流れる電流の交流成分が前記半導体ユニットをオンオフ制御するスイッチング周波数の前記n倍となるように制御し、
前記エネルギ移行用キャパシタは、前記半導体ユニットの内、前記一次側の正極側端子に直接接続される半導体ユニットと前記二次側の負極側端子に直接接続される半導体ユニットとを除いて、前記各組の一対の半導体ユニットにおける、前記一次側の正極側端子に最も近い端子と前記二次側の負極側端子に最も近い端子との間に接続し、
前記インダクタは、前記一対の半導体ユニットであって互いに直接接続されるものの当該接続点と前記一次側の負極側端子との間に接続するようにしたDC/DC電圧変換装置。
A DC / DC voltage converter that includes a conversion main circuit and a control unit, and exchanges power in both directions between the primary side and the secondary side to perform DC voltage conversion of the step-up / down,
The main conversion circuit includes a primary side smoothing capacitor connected between the primary side positive side terminal and the negative side terminal and smoothing the primary side voltage; the secondary side positive side terminal and the negative side terminal; , A secondary side smoothing capacitor that smoothes the secondary side voltage, an energy transfer capacitor and inductor that stores and discharges energy, and a semiconductor that can perform on / off switching operation and reverse conduction operation 2n (n is an integer of 2 or more) units connected in series and connected between the primary side positive side terminal and the secondary side negative side terminal, and a power module,
The primary side negative side terminal is connected to the secondary side positive side terminal,
The control unit divides the 2n semiconductor units into two pairs of n pairs, and has a complementary relationship in which on / off of the pair of semiconductor units constituting each pair is opposite to each other. And controlling the alternating current component of the current flowing through the inductor to be n times the switching frequency for controlling the on / off of the semiconductor unit,
The energy transfer capacitor is the semiconductor unit except for the semiconductor unit directly connected to the primary-side positive terminal and the semiconductor unit directly connected to the secondary-side negative terminal. In a pair of semiconductor units, connected between a terminal closest to the primary positive terminal on the primary side and a terminal closest to the secondary negative terminal on the secondary side,
The inductor is a DC / DC voltage converter that is connected between the connection point of the pair of semiconductor units that are directly connected to each other and the negative terminal on the primary side.
前記パワーモジュールは、前記一次側の正極側端子に接続される方から順に第1、第2、第3、第4の互いに直列に接続された4個の半導体ユニットで構成し、
前記制御ユニットは、前記第1および第4の半導体ユニット、前記第2および第3の半導体ユニットをそれぞれ前記一対の組として制御し、
前記エネルギ移行用キャパシタは、前記第1と第2の半導体ユニットの接続点と前記第3と第4の半導体ユニットの接続点との間に接続し、
前記インダクタは、前記第2と第3の半導体ユニットの接続点と前記一次側の負極側端子との間に接続するようにしたことを特徴とする請求項1記載のDC/DC電圧変換装置。
The power module is composed of four semiconductor units connected in series, first, second, third, and fourth, in order from the one connected to the positive terminal on the primary side,
The control unit controls the first and fourth semiconductor units, the second and third semiconductor units as the pair, respectively.
The energy transfer capacitor is connected between a connection point of the first and second semiconductor units and a connection point of the third and fourth semiconductor units,
2. The DC / DC voltage converter according to claim 1, wherein the inductor is connected between a connection point of the second and third semiconductor units and the negative terminal on the primary side.
前記制御ユニットは、前記一次側の電圧をV1、前記二次側の電圧をV2としたとき、
前記一次側から二次側に電力を供給する場合、前記第1および第2の半導体ユニットをそれぞれ、オンデューティを50%未満でオンオフ制御することにより電圧変換比(V2/V1)が1未満となる降圧動作を行い、オンデューティを50%以上でオンオフ制御することにより電圧変換比(V2/V1)が1以上となる昇圧動作を行い、
前記二次側から一次側に電力を供給する場合、前記第1および第2の半導体ユニットをそれぞれ、オンデューティを50%未満でオンオフ制御することにより電圧変換比(V2/V1)が1未満となる降圧動作を行い、オンデューティを50%以上でオンオフ制御することにより電圧変換比(V2/V1)が1以上となる昇圧動作を行うようにしたことを特徴とする請求項2記載のDC/DC電圧変換装置。
The control unit is configured such that when the primary side voltage is V1, and the secondary side voltage is V2,
When power is supplied from the primary side to the secondary side, the voltage conversion ratio (V2 / V1) is less than 1 by controlling on / off of the first and second semiconductor units with an on-duty of less than 50%. The step-down operation is performed and the voltage conversion ratio (V2 / V1) is increased to 1 or more by performing on-off control with an on-duty of 50% or more.
When power is supplied from the secondary side to the primary side, the voltage conversion ratio (V2 / V1) is less than 1 by controlling on / off of the first and second semiconductor units with an on-duty of less than 50%. The DC / DC converter according to claim 2, wherein the step-down operation is performed and the voltage conversion ratio (V2 / V1) is set to 1 or more by performing on-off control with an on-duty of 50% or more. DC voltage converter.
前記パワーモジュールは、前記一次側の正極側端子に接続される方から順に第1、第2、第3、第4、第5、第6の互いに直列に接続された6個の半導体ユニットで構成し、
前記制御ユニットは、前記第1および第6の半導体ユニット、前記第2および第5の半導体ユニット、前記第3および第4の半導体ユニットをそれぞれ前記一対の組として制御し、
前記エネルギ移行用キャパシタは、前記第2と第3の半導体ユニットの接続点と前記第4と第5の半導体ユニットの接続点との間に接続した第1のキャパシタと、前記第1と第2の半導体ユニットの接続点と前記第5と第6の半導体ユニットの接続点との間に接続した第2のキャパシタとで構成し、
前記インダクタは、前記第3と第4の半導体ユニットの接続点と前記一次側の負極側端子との間に接続するようにしたことを特徴とする請求項1記載のDC/DC電圧変換装置。
The power module is composed of six semiconductor units connected in series, first, second, third, fourth, fifth, and sixth, in order from the one connected to the positive terminal on the primary side. And
The control unit controls the first and sixth semiconductor units, the second and fifth semiconductor units, and the third and fourth semiconductor units as the pair, respectively.
The energy transfer capacitor includes a first capacitor connected between a connection point of the second and third semiconductor units and a connection point of the fourth and fifth semiconductor units, and the first and second capacitors. And a second capacitor connected between the connection point of the semiconductor unit and the connection point of the fifth and sixth semiconductor units,
2. The DC / DC voltage converter according to claim 1, wherein the inductor is connected between a connection point of the third and fourth semiconductor units and the negative terminal on the primary side.
前記制御ユニットは、前記一次側の電圧をV1、前記二次側の電圧をV2としたとき、
前記一次側から二次側に電力を供給する場合、前記第1、第2および第3の半導体ユニットをそれぞれ、オンデューティを(100×(1/3))%未満でオンオフ制御することにより電圧変換比(V2/V1)が(1/2)未満となる降圧動作を行い、オンデューティを(100×(1/3))%以上50%未満でオンオフ制御することにより電圧変換比(V2/V1)が(1/2)以上1未満となる降圧動作を行い、オンデューティを50%以上(100×(2/3))%未満でオンオフ制御することにより電圧変換比(V2/V1)が1以上2未満となる昇圧動作を行い、オンデューティを(100×(2/3))%以上でオンオフ制御することにより電圧変換比(V2/V1)が2以上となる昇圧動作を行い、
前記二次側から一次側に電力を供給する場合、前記第1、第2および第3の半導体ユニットをそれぞれ、オンデューティを(100×(1/3))%未満でオンオフ制御することにより電圧変換比(V2/V1)が(1/2)未満となる降圧動作を行い、オンデューティを(100×(1/3))%以上50%未満でオンオフ制御することにより電圧変換比(V2/V1)が(1/2)以上1未満となる降圧動作を行い、オンデューティを50%以上(100×(2/3))%未満でオンオフ制御することにより電圧変換比(V2/V1)が1以上2未満となる昇圧動作を行い、オンデューティを(100×(2/3))%以上でオンオフ制御することにより電圧変換比(V2/V1)が2以上となる昇圧動作を行うようにしたことを特徴とする請求項4記載のDC/DC電圧変換装置。
The control unit is configured such that when the primary side voltage is V1, and the secondary side voltage is V2,
When power is supplied from the primary side to the secondary side, the first, second, and third semiconductor units are each turned on / off with an on-duty less than (100 × (1/3))%. The voltage conversion ratio (V2 / V1) is reduced by performing a step-down operation in which the conversion ratio (V2 / V1) is less than (1/2) and performing on / off control with an on-duty of (100 × (1/3))% or more and less than 50%. The voltage conversion ratio (V2 / V1) is reduced by performing a step-down operation in which V1) is (1/2) or more and less than 1 and ON / OFF control is performed with an on-duty of 50% or more (100 × (2/3))%. A boost operation is performed so that the voltage conversion ratio (V2 / V1) is 2 or more by performing on / off control with an on-duty of (100 × (2/3)) or more.
When power is supplied from the secondary side to the primary side, the first, second, and third semiconductor units are each turned on and off with an on-duty control less than (100 × (1/3))%. The voltage conversion ratio (V2 / V1) is reduced by performing a step-down operation in which the conversion ratio (V2 / V1) is less than (1/2) and performing on / off control with an on-duty of (100 × (1/3))% or more and less than 50%. The voltage conversion ratio (V2 / V1) is reduced by performing a step-down operation in which V1) is (1/2) or more and less than 1 and ON / OFF control is performed with an on-duty of 50% or more (100 × (2/3))%. A boost operation is performed so that the voltage conversion ratio (V2 / V1) is 2 or more by performing a boost operation of 1 or more and less than 2 and performing on / off control with an on-duty of (100 × (2/3)) or more. Characterized by DC / DC voltage converter according to claim 4, wherein.
前記制御ユニットは、前記インダクタに流れる電流の交流成分が可聴周波数の上限以上の周波数となるよう前記スイッチング周波数を設定することを特徴とする請求項1ないし5のいずれか1項に記載のDC/DC電圧変換装置。 The said control unit sets the said switching frequency so that the alternating current component of the electric current which flows into the said inductor may become a frequency more than the upper limit of an audible frequency, DC / of any one of Claim 1 thru | or 5 characterized by the above-mentioned. DC voltage converter. 前記半導体ユニットは、電界効果トランジスタであることを特徴とする請求項1ないし6のいずれか1項に記載のDC/DC電圧変換装置。 The DC / DC voltage converter according to any one of claims 1 to 6, wherein the semiconductor unit is a field effect transistor. 前記制御ユニットは、前記スイッチング周波数を可聴周波数の上限以上とするとともに、
前記電界効果トランジスタは、そのバンドギャップがシリコンのそれより大きいワイドバンドギャップ半導体で形成したことを特徴とする請求項7記載のDC/DC電圧変換装置。
The control unit makes the switching frequency equal to or higher than the upper limit of the audible frequency,
8. The DC / DC voltage converter according to claim 7, wherein the field effect transistor is formed of a wide band gap semiconductor having a band gap larger than that of silicon.
前記制御ユニットは、前記スイッチング周波数を可聴周波数の上限以上とするとともに、
前記半導体ユニットは、いずれもそのバンドギャップがシリコンのそれより大きいワイドバンドギャップ半導体で形成した電界効果トランジスタとこの電界効果トランジスタと逆並列に接続された整流素子とでなるものであることを特徴とする請求項1ないし6のいずれか1項に記載のDC/DC電圧変換装置。
The control unit makes the switching frequency equal to or higher than the upper limit of the audible frequency,
Each of the semiconductor units is composed of a field effect transistor formed of a wide band gap semiconductor whose band gap is larger than that of silicon, and a rectifier element connected in reverse parallel to the field effect transistor. The DC / DC voltage converter according to any one of claims 1 to 6.
前記制御ユニットは、前記スイッチング周波数を可聴周波数の上限以上とするとともに、
前記半導体ユニットは、IGBTとこのIGBTと逆並列に接続されそのバンドギャップがシリコンのそれより大きいワイドバンドギャップ半導体で形成した整流素子とでなるものであることを特徴とする請求項1ないし6のいずれか1項に記載のDC/DC電圧変換装置。
The control unit makes the switching frequency equal to or higher than the upper limit of the audible frequency,
7. The semiconductor unit according to claim 1, wherein the semiconductor unit is composed of an IGBT and a rectifying element formed of a wide band gap semiconductor connected in anti-parallel with the IGBT and having a band gap larger than that of silicon. The DC / DC voltage converter of any one of Claims.
前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化珪素系、窒化ガリウム系またはダイヤモンドのいずれかであることを特徴とする請求項8ないし10のいずれか1項に記載のDC/DC電圧変換装置。 The DC / DC voltage converter according to any one of claims 8 to 10, wherein the wide band gap semiconductor is any one of silicon carbide, gallium nitride, and diamond. 前記制御ユニットは、前記半導体ユニットへのゲート信号を立ち下げ前記半導体ユニットをオフさせるときの前記立ち下げ峻度を、前記半導体ユニットのオン時間のスイッチング周期に対する比であるオンデューティに基づいて調整するオフ信号調整手段を備えたことを特徴とする請求項1ないし11のいずれか1項に記載のDC/DC電圧変換装置。 The control unit adjusts the falling steepness when the gate signal to the semiconductor unit is lowered and the semiconductor unit is turned off based on an on-duty that is a ratio of an on-time of the semiconductor unit to a switching cycle. The DC / DC voltage converter according to any one of claims 1 to 11, further comprising an off signal adjusting unit. 前記オフ信号調整手段は、前記立ち下がり峻度に関し所定の第1の設定値とこの第1の設定値より小さい第2の設定値および前記オンデューティに関し所定の第1の閾値とこの第1の閾値より大きい第2の閾値を設け、
前記オンデューティが前記第1の閾値未満のときは前記立ち下がり峻度を前記第1の設定値とし、前記オンデューティが上昇して前記第2の閾値以上となったときは前記立ち下がり峻度を前記第2の設定値に切り替え、前記オンデューティが下降して前記第1の閾値未満になったときは前記立ち下がり峻度を前記第1の設定値に切り替えるようにしたことを特徴とする請求項12記載のDC/DC電圧変換装置。
The off signal adjusting means includes a predetermined first set value regarding the falling steepness, a second set value smaller than the first set value, a predetermined first threshold value regarding the on-duty, and the first set value. Providing a second threshold greater than the threshold;
When the on-duty is less than the first threshold, the falling steepness is set as the first set value, and when the on-duty is increased to be equal to or higher than the second threshold, the falling steepness is set. Is switched to the second set value, and when the on-duty falls and becomes less than the first threshold value, the falling steepness is switched to the first set value. The DC / DC voltage converter according to claim 12.
前記制御ユニットは、前記エネルギ移行用キャパシタと前記インダクタと前記半導体ユニットとの温度を検出する手段、および前記エネルギ移行用キャパシタと前記インダクタと前記半導体ユニットとの前記検出温度に基づいて前記スイッチング周波数を調整するスイッチング周波数調整手段を備えたことを特徴とする請求項1ないし13のいずれか1項に記載のDC/DC電圧変換装置。 The control unit is configured to detect a temperature of the energy transfer capacitor, the inductor, and the semiconductor unit, and to set the switching frequency based on the detected temperature of the energy transfer capacitor, the inductor, and the semiconductor unit. The DC / DC voltage converter according to any one of claims 1 to 13, further comprising a switching frequency adjusting means for adjusting. 前記スイッチング周波数調整手段は、前記エネルギ移行用キャパシタと前記インダクタとの前記検出温度が上昇すると前記スイッチング周波数を上昇させるように、前記半導体ユニットの前記検出温度が上昇すると前記スイッチング周波数を下降させるように前記スイッチング周波数を調整することを特徴とする請求項14記載のDC/DC電圧変換装置。 The switching frequency adjusting means is configured to increase the switching frequency when the detection temperature of the energy transfer capacitor and the inductor is increased, and to decrease the switching frequency when the detection temperature of the semiconductor unit is increased. The DC / DC voltage converter according to claim 14, wherein the switching frequency is adjusted. 直流電源と、車両の駆動動力源となる回転電機と、前記回転電機に接続されて直流電圧と交流電圧との間で電力変換を行うインバータとから構成される車両用電動駆動システムに組み込まれるものであって、
前記直流電源と前記インバータとの間に挿入され、前記直流電源と前記インバータとの間で双方向に電力を授受して昇降圧の直流電圧変換を行うことを特徴とする請求項1ないし15のいずれか1項に記載のDC/DC電圧変換装置。
Incorporated in a vehicle electric drive system comprising a DC power source, a rotating electrical machine serving as a driving power source for a vehicle, and an inverter connected to the rotating electrical machine and performing power conversion between a DC voltage and an AC voltage Because
16. The method according to claim 1, wherein the DC power source is inserted between the DC power source and the inverter and bi-directionally exchanges power between the DC power source and the inverter to perform step-up / step-down DC voltage conversion. The DC / DC voltage converter of any one of Claims.
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