JP2012205427A - Bi-directional converter and method of controlling the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、双方向コンバータ及び双方向コンバータの制御方法に関する。 The present invention relates to a bidirectional converter and a control method of the bidirectional converter.
従来、図7に示す双方向コンバータが知られている。双方向コンバータは、昇降圧部10とマイコン(スイッチング制御部)200とを備える。昇降圧部10は、電圧源A、Bが接続されており、マイコン200の制御に基づいて、電流の向き1または電流の向き2のそれぞれで、降圧動作または昇圧動作を行う。即ち、この双方向コンバータは、4つの動作モード(I:電流の向き1で降圧動作、II:電流の向き1で昇圧動作、III:電流の向き2で降圧動作、IV:電流の向き2で昇圧動作)で動作できる。図示したマイコン200の各ブロックの接続は、電流の向き1で定電圧制御を行う場合におけるものである。電圧源Aと電圧源Bの少なくとも負荷側のものとして、蓄電池が用いられる。
Conventionally, a bidirectional converter shown in FIG. 7 is known. The bidirectional converter includes a step-up / step-
マイコン200は、電流の向き1であって、設定された目標電圧が電圧源Aの電圧A(入力電圧)より低い時(動作モードI)、降圧動作を行うために第1および第2のスイッチ素子S1,S2を排他的にPWM制御する。つまり、マイコン200において、比較部201は、目標電圧と電圧Aを比較する。比較部201は、目標電圧が電圧Aより低いため、降圧制御部202を動作させる。降圧制御部202は、電圧源Bの電圧B(出力電圧)が目標電圧より高いか低いかに応じた降圧用制御信号を生成する。排他制御部204は、降圧用制御信号に基づいて、降圧用PWM信号PWM1と、降圧用PWM信号PWM1とは排他的な降圧用PWM信号PWM2とを生成する。第1のスイッチ素子S1は、降圧用PWM信号PWM1が供給されてスイッチング動作する。第2のスイッチ素子S2は、降圧用PWM信号PWM2が供給されて、第1のスイッチ素子S1とは排他的にスイッチング動作する。第3のスイッチ素子S3は、排他制御部204からローレベルの昇圧用PWM信号PWM3が供給されてオフ状態となり、ダイオードとして機能する。第4のスイッチ素子S4は、排他制御部204からハイレベルの昇圧用PWM信号PWM4が供給されてオン状態となる。これにより、第1のスイッチ素子S1、第2のスイッチ素子S2、インダクタ(磁性部品)Mおよび第2の容量C2は、同期整流方式の降圧コンバータとして機能する。
When the current direction is 1 and the set target voltage is lower than the voltage A (input voltage) of the voltage source A (operation mode I), the
また、マイコン200は、電流の向き1であって、設定された目標電圧が電圧源Aの電圧A(入力電圧)より高い時(動作モードII)、昇圧動作を行うために第3および第4のスイッチ素子S3,S4を排他的にPWM制御する。つまり、マイコン200において、比較部201は、目標電圧が電圧Aより高いため、昇圧制御部203を動作させる。昇圧制御部203は、電圧源Bの電圧B(出力電圧)が目標電圧より高いか低いかに応じた昇圧用制御信号を生成する。排他制御部204は、昇圧用制御信号に基づいて、昇圧用PWM信号PWM3と、昇圧用PWM信号PWM3とは排他的な昇圧用PWM信号PWM4とを生成する。第3のスイッチ素子S3は、昇圧用PWM信号PWM3が供給されてスイッチング動作する。第4のスイッチ素子S4は、昇圧用PWM信号PWM4が供給されて、第3のスイッチ素子S3とは排他的にスイッチング動作する。第1のスイッチ素子S1は、排他制御部204からハイレベルの降圧用PWM信号PWM1が供給されてオン状態となる。第2のスイッチ素子S2は、排他制御部204からローレベルの降圧用PWM信号PWM4が供給されてオフ状態となる。これにより、第3のスイッチ素子S3、第4のスイッチ素子S4、インダクタMおよび第2の容量C2は、同期整流方式の昇圧コンバータとして機能する。他の動作モードに関しても同様に動作する。
Further, the
なお、上記双方向コンバータに関連して、例えば、特許文献1に記載されている双方向コンバータも知られている。
In addition, in relation to the bidirectional converter, for example, a bidirectional converter described in
しかしながら、上記双方向コンバータの第1から第4のスイッチ素子S1〜S4を駆動するために、4種類のPWM信号(PWM1〜PWM4)が必要である。そのため、マイコン200には、それらの信号を出力する4つのPWM出力端子が必要である。また、4種類のPWM信号は同期している必要があると共に、それらのPWM信号を排他制御する必要もある。よって、制御が複雑になるため、高機能で、大型且つ高価なマイコン200が必要になるという問題がある。
However, four types of PWM signals (PWM1 to PWM4) are required to drive the first to fourth switch elements S1 to S4 of the bidirectional converter. Therefore, the
さらに、例えば、電流の向き1で降圧動作時に、電圧源Bの電圧Bが上昇して「電圧源Aの電圧A<電圧源Bの電圧B」になった場合、第4のスイッチ素子S4とインダクタMと第1のスイッチ素子S1とを介して電流が逆流する。このような電圧条件は、例えば、電圧源Bとして蓄電池と太陽電池が並列接続されていて、太陽電池の出力電圧が上昇した場合に起こり得る。同様に、他の動作モードにおいても、電圧源A,Bの電圧が変動すると電流が逆流する場合がある。これにより、電圧源A,B又は双方向コンバータを破壊する恐れがある。
Further, for example, when the voltage B of the voltage source B rises and becomes “voltage A of the voltage source A <voltage B of the voltage source B” during the step-down operation in the
そこで、本発明に係る実施例では、安価に構成でき、且つ、電流の逆流を防止できる双方向コンバータ及び双方向コンバータの制御方法を提供する。 Therefore, the embodiment according to the present invention provides a bidirectional converter and a bidirectional converter control method that can be configured at low cost and can prevent a backflow of current.
本発明の一態様に係る実施例に従った双方向コンバータは、
第1の入出力端子および第2の入出力端子のうちの一方の入出力端子から入力される入力電圧に基づいて、他方の入出力端子から出力電圧を出力する双方向コンバータであって、
磁性部品と、前記第1の入出力端子と前記磁性部品の一端との間に接続された第1のスイッチ素子と、前記磁性部品の前記一端と基準電位との間に接続された第2のスイッチ素子と、前記磁性部品の他端と前記基準電位との間に接続された第3のスイッチ素子と、前記磁性部品の前記他端と前記第2の入出力端子との間に接続された第4のスイッチ素子と、を有し、前記第1から第4のスイッチ素子はオフ時に一方向のみに電流を流す、昇降圧部と、
前記第2の入出力端子から前記出力電圧を出力する場合、前記第2のスイッチ素子および前記第4のスイッチ素子をオフして、降圧動作時に前記第1のスイッチ素子のスイッチングを制御すると共に前記第3のスイッチ素子をオフして、昇圧動作時に前記第1のスイッチ素子をオンすると共に前記第3のスイッチ素子のスイッチングを制御して、前記第1の入出力端子から前記出力電圧を出力する場合、前記第1のスイッチ素子及び前記第3のスイッチ素子をオフして、前記降圧動作時に前記第4のスイッチ素子のスイッチングを制御すると共に前記第2のスイッチ素子をオフして、前記昇圧動作時に前記第4のスイッチ素子をオンすると共に前記第2のスイッチ素子のスイッチングを制御するスイッチング制御部と、を備える
ことを特徴とする。
A bidirectional converter according to an embodiment of one aspect of the present invention includes:
A bidirectional converter that outputs an output voltage from the other input / output terminal based on an input voltage input from one of the first input / output terminal and the second input / output terminal;
A magnetic component; a first switch element connected between the first input / output terminal and one end of the magnetic component; and a second switch connected between the one end of the magnetic component and a reference potential. A switching element, a third switching element connected between the other end of the magnetic component and the reference potential, and a connection between the other end of the magnetic component and the second input / output terminal A step-up / step-down unit that includes a fourth switch element, and the first to fourth switch elements flow current only in one direction when turned off,
When outputting the output voltage from the second input / output terminal, the second switch element and the fourth switch element are turned off to control switching of the first switch element during the step-down operation and The third switch element is turned off, the first switch element is turned on during the boosting operation, and the switching of the third switch element is controlled to output the output voltage from the first input / output terminal. In this case, the first switch element and the third switch element are turned off to control the switching of the fourth switch element during the step-down operation, and the second switch element is turned off to perform the boost operation. And a switching control unit for turning on the fourth switch element and controlling the switching of the second switch element. To do.
また、前記スイッチング制御部は、
前記出力電圧が目標電圧より低い場合に制御信号を増加させて、前記出力電圧が前記目標電圧より高い場合に前記制御信号を減少させる制御部と、
前記制御信号が昇圧基準値より小さい場合、前記制御信号の値に応じた降圧PWM信号と、第1の値の昇圧PWM信号とを出力し、前記制御信号が前記昇圧基準値以上の場合、第2の値の前記降圧PWM信号と、前記制御信号の値に応じた前記昇圧PWM信号とを出力するPWM信号分配部と、
前記第2の入出力端子から前記出力電圧を出力する場合、前記降圧PWM信号を前記第1のスイッチ素子に供給すると共に前記昇圧PWM信号を前記第3のスイッチ素子に供給し、前記第1の入出力端子から前記出力電圧を出力する場合、前記降圧PWM信号を前記第4のスイッチ素子に供給すると共に前記昇圧PWM信号を前記第2のスイッチ素子に供給する信号切り替え部と、を有してもよい。
In addition, the switching control unit
A control unit that increases a control signal when the output voltage is lower than a target voltage, and decreases the control signal when the output voltage is higher than the target voltage;
When the control signal is smaller than the boost reference value, a step-down PWM signal corresponding to the value of the control signal and a boost PWM signal having a first value are output, and when the control signal is equal to or greater than the boost reference value, A PWM signal distribution unit that outputs the step-down PWM signal having a value of 2 and the step-up PWM signal according to the value of the control signal;
When outputting the output voltage from the second input / output terminal, the step-down PWM signal is supplied to the first switch element and the step-up PWM signal is supplied to the third switch element. A signal switching unit for supplying the step-down PWM signal to the fourth switch element and supplying the step-up PWM signal to the second switch element when the output voltage is output from an input / output terminal; Also good.
また、前記PWM信号分配部は、前記制御信号の値に応じたデューティ比の前記降圧PWM信号または前記昇圧PWM信号を出力してもよい。 Further, the PWM signal distribution unit may output the step-down PWM signal or the step-up PWM signal having a duty ratio corresponding to the value of the control signal.
さらに、前記PWM信号分配部は、前記制御信号が前記昇圧基準値以上の場合、前記制御信号から前記昇圧基準値を減算した値に応じたデューティ比の前記昇圧PWM信号を出力してもよい。 Furthermore, the PWM signal distribution unit may output the boost PWM signal having a duty ratio corresponding to a value obtained by subtracting the boost reference value from the control signal when the control signal is equal to or higher than the boost reference value.
また、前記第1のスイッチ素子は、並列接続された第1のトランジスタと第1のダイオードとを含み、
前記第2のスイッチ素子は、並列接続された第2のトランジスタと第2のダイオードとを含み、
前記第3のスイッチ素子は、並列接続された第3のトランジスタと第3のダイオードとを含み、
前記第4のスイッチ素子は、並列接続された第4のトランジスタと第4のダイオードとを含み、
前記第1のダイオードは、カソードが前記第1の入出力端子に接続され、アノードが前記磁性部品の前記一端に接続され、
前記第2のダイオードは、カソードが前記磁性部品の前記一端に接続され、アノードが前記基準電位に接続され、
前記第3のダイオードは、カソードが前記磁性部品の前記他端に接続され、アノードが前記基準電位に接続され、
前記第4のダイオードは、カソードが前記第2の入出力端子に接続され、アノードが前記磁性部品の前記他端に接続されていてもよい。
The first switch element includes a first transistor and a first diode connected in parallel,
The second switch element includes a second transistor and a second diode connected in parallel,
The third switch element includes a third transistor and a third diode connected in parallel,
The fourth switch element includes a fourth transistor and a fourth diode connected in parallel,
The first diode has a cathode connected to the first input / output terminal, an anode connected to the one end of the magnetic component,
The second diode has a cathode connected to the one end of the magnetic component, an anode connected to the reference potential,
The third diode has a cathode connected to the other end of the magnetic component, an anode connected to the reference potential,
The fourth diode may have a cathode connected to the second input / output terminal and an anode connected to the other end of the magnetic component.
また、前記第1から第4のトランジスタは、N型MOSトランジスタであり、
前記第1から第4のダイオードは、前記N型MOSトランジスタのソースとドレインとの間に接続された寄生ダイオードであってもよい。
The first to fourth transistors are N-type MOS transistors,
The first to fourth diodes may be parasitic diodes connected between the source and drain of the N-type MOS transistor.
さらに、前記昇降圧部は、
前記第1の入出力端子と前記基準電位との間に接続された第1の容量と、
前記第2の入出力端子と前記基準電位との間に接続された第2の容量と、をさらに有してもよい。
Furthermore, the step-up / step-down unit includes:
A first capacitor connected between the first input / output terminal and the reference potential;
And a second capacitor connected between the second input / output terminal and the reference potential.
また、前記第1の値はローレベルであり、前記第2の値はハイレベルであってもよい。 The first value may be a low level, and the second value may be a high level.
また、前記磁性部品はインダクタであってもよい。 The magnetic component may be an inductor.
本発明の一態様に係る実施例に従った双方向コンバータの制御方法は、
磁性部品と、
第1の入出力端子と前記磁性部品の一端との間に接続された第1のスイッチ素子と、
前記磁性部品の前記一端と基準電位との間に接続された第2のスイッチ素子と、
前記磁性部品の他端と前記基準電位との間に接続された第3のスイッチ素子と、
前記磁性部品の前記他端と第2の入出力端子との間に接続された第4のスイッチ素子と、を備え、
前記第1から第4のスイッチ素子はオフ時に一方向のみに電流を流し、
前記第1の入出力端子および前記第2の入出力端子のうちの一方の入出力端子から入力される入力電圧に基づいて、他方の入出力端子から出力電圧を出力する双方向コンバータの制御方法であって、
前記第2の入出力端子から前記出力電圧を出力する場合、前記第2のスイッチ素子および前記第4のスイッチ素子をオフして、降圧動作時に前記第1のスイッチ素子のスイッチングを制御すると共に前記第3のスイッチ素子をオフして、昇圧動作時に前記第1のスイッチ素子をオンすると共に前記第3のスイッチ素子のスイッチングを制御して、
前記第1の入出力端子から前記出力電圧を出力する場合、前記第1のスイッチ素子及び前記第3のスイッチ素子をオフして、前記降圧動作時に前記第4のスイッチ素子のスイッチングを制御すると共に前記第2のスイッチ素子をオフして、前記昇圧動作時に前記第4のスイッチ素子をオンすると共に前記第2のスイッチ素子のスイッチングを制御する
ことを特徴とする。
A control method of a bidirectional converter according to an embodiment according to an aspect of the present invention includes:
Magnetic parts,
A first switch element connected between a first input / output terminal and one end of the magnetic component;
A second switch element connected between the one end of the magnetic component and a reference potential;
A third switch element connected between the other end of the magnetic component and the reference potential;
A fourth switch element connected between the other end of the magnetic component and a second input / output terminal;
The first to fourth switching elements pass current only in one direction when turned off,
A bidirectional converter control method for outputting an output voltage from the other input / output terminal based on an input voltage input from one of the first input / output terminal and the second input / output terminal Because
When outputting the output voltage from the second input / output terminal, the second switch element and the fourth switch element are turned off to control switching of the first switch element during the step-down operation and Turning off the third switch element, turning on the first switch element during the boosting operation and controlling the switching of the third switch element;
When outputting the output voltage from the first input / output terminal, the first switch element and the third switch element are turned off to control switching of the fourth switch element during the step-down operation. The second switch element is turned off, the fourth switch element is turned on during the boosting operation, and the switching of the second switch element is controlled.
また、前記出力電圧が目標電圧より低い場合に制御信号を増加させて、
前記出力電圧が前記目標電圧より高い場合に前記制御信号を減少させて、
前記制御信号が昇圧基準値より小さい場合、前記制御信号の値に応じた降圧PWM信号と、第1の値の昇圧PWM信号とを生成し、
前記制御信号が前記昇圧基準値以上の場合、第2の値の前記降圧PWM信号と、前記制御信号の値に応じた前記昇圧PWM信号とを生成し、
前記第2の入出力端子から前記出力電圧を出力する場合、前記降圧PWM信号を前記第1のスイッチ素子に供給すると共に前記昇圧PWM信号を前記第3のスイッチ素子に供給し、
前記第1の入出力端子から前記出力電圧を出力する場合、前記降圧PWM信号を前記第4のスイッチ素子に供給すると共に前記昇圧PWM信号を前記第2のスイッチ素子に供給してもよい。
Further, when the output voltage is lower than the target voltage, the control signal is increased,
Reducing the control signal when the output voltage is higher than the target voltage;
When the control signal is smaller than a boost reference value, a step-down PWM signal corresponding to the value of the control signal and a step-up PWM signal having a first value are generated,
When the control signal is equal to or higher than the boost reference value, the step-down PWM signal having a second value and the boost PWM signal corresponding to the value of the control signal are generated.
When outputting the output voltage from the second input / output terminal, the step-down PWM signal is supplied to the first switch element and the step-up PWM signal is supplied to the third switch element,
When outputting the output voltage from the first input / output terminal, the step-down PWM signal may be supplied to the fourth switch element and the step-up PWM signal may be supplied to the second switch element.
また、前記制御信号の値に応じたデューティ比の前記降圧PWM信号または前記昇圧PWM信号を生成してもよい。 Further, the step-down PWM signal or the step-up PWM signal having a duty ratio corresponding to the value of the control signal may be generated.
さらに、前記制御信号が前記昇圧基準値以上の場合、前記制御信号から前記昇圧基準値を減算した値に応じたデューティ比の前記昇圧PWM信号を生成してもよい。 Further, when the control signal is equal to or higher than the boost reference value, the boost PWM signal having a duty ratio corresponding to a value obtained by subtracting the boost reference value from the control signal may be generated.
また、前記第1のスイッチ素子は、並列接続された第1のトランジスタと第1のダイオードとを含み、
前記第2のスイッチ素子は、並列接続された第2のトランジスタと第2のダイオードとを含み、
前記第3のスイッチ素子は、並列接続された第3のトランジスタと第3のダイオードとを含み、
前記第4のスイッチ素子は、並列接続された第4のトランジスタと第4のダイオードとを含み、
前記第1のダイオードは、カソードが前記第1の入出力端子に接続され、アノードが前記磁性部品の前記一端に接続され、
前記第2のダイオードは、カソードが前記磁性部品の前記一端に接続され、アノードが前記基準電位に接続され、
前記第3のダイオードは、カソードが前記磁性部品の前記他端に接続され、アノードが前記基準電位に接続され、
前記第4のダイオードは、カソードが前記第2の入出力端子に接続され、アノードが前記磁性部品の前記他端に接続されていてもよい。
The first switch element includes a first transistor and a first diode connected in parallel,
The second switch element includes a second transistor and a second diode connected in parallel,
The third switch element includes a third transistor and a third diode connected in parallel,
The fourth switch element includes a fourth transistor and a fourth diode connected in parallel,
The first diode has a cathode connected to the first input / output terminal, an anode connected to the one end of the magnetic component,
The second diode has a cathode connected to the one end of the magnetic component, an anode connected to the reference potential,
The third diode has a cathode connected to the other end of the magnetic component, an anode connected to the reference potential,
The fourth diode may have a cathode connected to the second input / output terminal and an anode connected to the other end of the magnetic component.
前記第1から第4のトランジスタは、N型MOSトランジスタであり、
前記第1から第4のダイオードは、前記N型MOSトランジスタのソースとドレインとの間に接続された寄生ダイオードであってもよい。
The first to fourth transistors are N-type MOS transistors,
The first to fourth diodes may be parasitic diodes connected between the source and drain of the N-type MOS transistor.
前記第1の入出力端子と前記基準電位との間に接続された第1の容量と、
前記第2の入出力端子と前記基準電位との間に接続された第2の容量と、をさらに有してもよい。
A first capacitor connected between the first input / output terminal and the reference potential;
And a second capacitor connected between the second input / output terminal and the reference potential.
前記第1の値はローレベルであり、前記第2の値はハイレベルであってもよい。 The first value may be a low level, and the second value may be a high level.
前記磁性部品はインダクタであってもよい。 The magnetic component may be an inductor.
本発明の一態様に係る双方向コンバータ及び双方向コンバータの制御方法によれば、スイッチング制御部が、第2の入出力端子から出力電圧を出力する場合、第2及び第4のスイッチ素子をオフして、降圧動作時に第1のスイッチ素子のスイッチングを制御すると共に第3のスイッチ素子をオフして、昇圧動作時に第1のスイッチ素子をオンすると共に第3のスイッチ素子のスイッチングを制御するようにしている。また、第1の入出力端子から出力電圧を出力する場合、第1及び第3のスイッチ素子をオフして、降圧動作時に第4のスイッチ素子のスイッチングを制御すると共に第2のスイッチ素子をオフして、昇圧動作時に第4のスイッチ素子をオンすると共に第2のスイッチ素子のスイッチングを制御するようにしている。このように、同期整流しないようにしているので、2種類の降圧用PWM信号と昇圧用PWM信号を用いて、双方向で昇圧または降圧動作が行える。従って、制御が簡単になるので、スイッチング制御部を構成するマイコンとして、安価なものを用いることができる。
さらに、第2の入出力端子から出力電圧を出力する場合には、第4のスイッチ素子をオフに制御して電流を一方向のみに流すようにしていると共に、第1の入出力端子から出力電圧を出力する場合には、第1のスイッチ素子をオフに制御して電流を一方向のみに流すようにしているので、電流の逆流を防止できる。
According to the bidirectional converter and the control method of the bidirectional converter according to one aspect of the present invention, when the switching control unit outputs the output voltage from the second input / output terminal, the second and fourth switch elements are turned off. Then, the switching of the first switch element is controlled during the step-down operation and the third switch element is turned off, and the first switch element is turned on and the switching of the third switch element is controlled during the step-up operation. I have to. When the output voltage is output from the first input / output terminal, the first and third switch elements are turned off to control the switching of the fourth switch element during the step-down operation and the second switch element is turned off. Thus, the fourth switch element is turned on and the switching of the second switch element is controlled during the boosting operation. As described above, since synchronous rectification is not performed, the boosting or stepping-down operation can be performed bidirectionally using the two types of step-down PWM signals and the step-up PWM signals. Therefore, since the control is simplified, an inexpensive microcomputer can be used as the switching control unit.
Further, when the output voltage is output from the second input / output terminal, the fourth switch element is controlled to be turned off so that the current flows only in one direction, and the output is output from the first input / output terminal. In the case of outputting a voltage, the first switch element is controlled to be turned off so that the current flows only in one direction, so that the reverse current can be prevented.
以下、本発明に係る一実施例について図面に基づいて説明する。 Hereinafter, an embodiment according to the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明の実施例1に係る双方向コンバータのブロック図である。図1に示すように、双方向コンバータは、昇降圧部10と、スイッチング制御部20と、を備える。
FIG. 1 is a block diagram of a bidirectional converter according to
昇降圧部10は、第1の入出力端子T1と、第1の基準端子RT1と、第2の入出力端子T2と、第2の基準端子RT2と、インダクタ(磁性部品)Mと、第1のスイッチ素子S1と、第2のスイッチ素子S2と、第3のスイッチ素子S3と、第4のスイッチ素子S4と、第1の容量C1と、第2の容量C2と、を有する。
The step-up / step-down
第1の入出力端子T1と第1の基準端子RT1には、電圧源Aが接続される。第1の入出力端子T1と第1の基準端子RT1との間の電圧は、電圧Aである。 A voltage source A is connected to the first input / output terminal T1 and the first reference terminal RT1. The voltage between the first input / output terminal T1 and the first reference terminal RT1 is a voltage A.
第2の入出力端子T2と第2の基準端子RT2には、電圧源Bが接続される。第2の入出力端子T2と第2の基準端子RT2との間の電圧は、電圧Bである。 A voltage source B is connected to the second input / output terminal T2 and the second reference terminal RT2. The voltage between the second input / output terminal T2 and the second reference terminal RT2 is a voltage B.
第1の基準端子RT1と第2の基準端子RT2には、基準電位(例えば接地電位)が供給される。電圧源Aと電圧源Bの少なくとも負荷側のものとして、蓄電池が用いられる。 A reference potential (for example, a ground potential) is supplied to the first reference terminal RT1 and the second reference terminal RT2. A storage battery is used as at least the load side of the voltage source A and the voltage source B.
第1のスイッチ素子S1は、第1の入出力端子T1とインダクタMの一端との間に接続されている。第2のスイッチ素子S2は、インダクタMの一端と基準電位との間に接続されている。第3のスイッチ素子S3は、インダクタMの他端と基準電位との間に接続されている。第4のスイッチ素子S4は、インダクタMの他端と第2の入出力端子T2との間に接続されている。 The first switch element S1 is connected between the first input / output terminal T1 and one end of the inductor M. The second switch element S2 is connected between one end of the inductor M and the reference potential. The third switch element S3 is connected between the other end of the inductor M and the reference potential. The fourth switch element S4 is connected between the other end of the inductor M and the second input / output terminal T2.
第1の容量C1は、第1の入出力端子T1と基準電位との間に接続されている。第2の容量C2は、第2の入出力端子T2と基準電位との間に接続されている。 The first capacitor C1 is connected between the first input / output terminal T1 and the reference potential. The second capacitor C2 is connected between the second input / output terminal T2 and the reference potential.
第1のスイッチ素子S1は、並列接続された第1のN型MOSトランジスタ(第1のトランジスタ)TR1と第1のダイオードD1とを含む。
第2のスイッチ素子S2は、並列接続された第2のN型MOSトランジスタ(第2のトランジスタ)TR2と第2のダイオードD2とを含む。
The first switch element S1 includes a first N-type MOS transistor (first transistor) TR1 and a first diode D1 connected in parallel.
The second switch element S2 includes a second N-type MOS transistor (second transistor) TR2 and a second diode D2 connected in parallel.
第3のスイッチ素子S3は、並列接続された第3のN型MOSトランジスタ(第3のトランジスタ)TR3と第3のダイオードD3とを含む。
第4のスイッチ素子S4は、並列接続された第4のN型MOSトランジスタ(第4のトランジスタ)TR4と第4のダイオードD4とを含む。
The third switch element S3 includes a third N-type MOS transistor (third transistor) TR3 and a third diode D3 connected in parallel.
The fourth switch element S4 includes a fourth N-type MOS transistor (fourth transistor) TR4 and a fourth diode D4 connected in parallel.
第1のN型MOSトランジスタTR1のドレインと第1のダイオードD1のカソードは、第1の入出力端子T1に接続されている。第1のN型MOSトランジスタTR1のソースと第1のダイオードD1のアノードは、インダクタMの一端に接続されている。 The drain of the first N-type MOS transistor TR1 and the cathode of the first diode D1 are connected to the first input / output terminal T1. The source of the first N-type MOS transistor TR1 and the anode of the first diode D1 are connected to one end of the inductor M.
第2のN型MOSトランジスタTR2のドレインと第2のダイオードD2のカソードは、インダクタMの一端に接続されている。第2のN型MOSトランジスタTR2のソースと第2のダイオードD2のアノードは、基準電位に接続されている。 The drain of the second N-type MOS transistor TR2 and the cathode of the second diode D2 are connected to one end of the inductor M. The source of the second N-type MOS transistor TR2 and the anode of the second diode D2 are connected to the reference potential.
第3のN型MOSトランジスタTR3のドレインと第3のダイオードD3のカソードは、インダクタMの他端に接続されている。第3のN型MOSトランジスタTR3のソースと第3のダイオードD3のアノードは、基準電位に接続されている。 The drain of the third N-type MOS transistor TR3 and the cathode of the third diode D3 are connected to the other end of the inductor M. The source of the third N-type MOS transistor TR3 and the anode of the third diode D3 are connected to the reference potential.
第4のN型MOSトランジスタTR4のドレインと第4のダイオードD4のカソードは、第2の入出力端子T2に接続されている。第4のN型MOSトランジスタTR4のソースと第4のダイオードD4のアノードは、インダクタMの他端に接続されている。 The drain of the fourth N-type MOS transistor TR4 and the cathode of the fourth diode D4 are connected to the second input / output terminal T2. The source of the fourth N-type MOS transistor TR4 and the anode of the fourth diode D4 are connected to the other end of the inductor M.
第1から第4のダイオードD1〜D4は、対応するN型MOSトランジスタTR1〜TR4のソースとドレインとの間に接続された寄生ダイオードである。 The first to fourth diodes D1 to D4 are parasitic diodes connected between the sources and drains of the corresponding N-type MOS transistors TR1 to TR4.
第1から第4のスイッチ素子S1〜S4は、オフ時に、第1から第4のダイオードD1〜D4により一方向のみに電流を流すように構成されている。 The first to fourth switch elements S1 to S4 are configured to allow current to flow only in one direction by the first to fourth diodes D1 to D4 when they are off.
スイッチング制御部20は、第2の入出力端子T2から出力電圧(電圧B)を出力する場合、第2のスイッチ素子S2および第4のスイッチ素子S4をオフして、降圧動作時に第1のスイッチ素子S1のスイッチングを制御すると共に第3のスイッチ素子S3をオフして、昇圧動作時に第1のスイッチ素子S1をオンすると共に第3のスイッチ素子S3のスイッチングを制御する。
When the output voltage (voltage B) is output from the second input / output terminal T2, the switching
また、スイッチング制御部20は、第1の入出力端子T1から出力電圧(電圧A)を出力する場合、第1のスイッチ素子S1及び第3のスイッチ素子S3をオフして、降圧動作時に第4のスイッチ素子S4のスイッチングを制御すると共に第2のスイッチ素子S2をオフして、昇圧動作時に第4のスイッチ素子S4をオンすると共に第2のスイッチ素子S2のスイッチングを制御する。
Further, when the output voltage (voltage A) is output from the first input / output terminal T1, the switching
スイッチング制御部20の詳細な動作について以下に説明する。
本実施例において、スイッチング制御部20は、セレクタSELと、制御部21と、PWM信号分配部22と、信号切り替え部23と、インバータINVと、を有する。例えば、制御部21とPWM信号分配部22はマイコンで構成されている。スイッチング制御部20の全体がマイコンで構成されていても良い。
The detailed operation of the switching
In this embodiment, the switching
セレクタSELは、方向切り替え信号に従って、昇降圧部10から供給された電圧Aと電圧Bの何れか一方(出力電圧)を制御部21に出力する。
The selector SEL outputs either one of the voltage A and the voltage B (output voltage) (output voltage) supplied from the step-up / step-down
この方向切り替え信号は、昇降圧部10における第1のスイッチ素子S1や第4のスイッチ素子S4を流れる電流Iの向きを切り替える信号である。本実施例では、方向切り替え信号がローレベルの時に電流の向き1(電圧源Aから電圧源Bの向き)となり、ハイレベルの時に電流の向き2(電圧源Bから電圧源Aの向き)となる一例について説明する。即ち、セレクタSELは、昇降圧部10からの出力電圧として、方向切り替え信号がローレベルの時に電圧Bを選択して出力し、方向切り替え信号がハイレベルの時に電圧Aを選択して出力する。
This direction switching signal is a signal for switching the direction of the current I flowing through the first switch element S1 and the fourth switch element S4 in the step-up / step-down
双方向コンバータは、電流の向き1の場合、電圧源Aから第1の入出力端子T1に入力される入力電圧(電圧A)に基づいて、他方の第2の入出力端子T2から出力電圧(電圧B)を出力する。
In the case of
双方向コンバータは、電流の向き2の場合、電圧源Bから第2の入出力端子T2に入力される入力電圧(電圧B)に基づいて、他方の第1の入出力端子T1から出力電圧(電圧A)を出力する。
In the case of
即ち、双方向コンバータは、第1の入出力端子T1および第2の入出力端子T2のうちの一方の入出力端子から入力される入力電圧に基づいて、他方の入出力端子から出力電圧を出力する。 That is, the bidirectional converter outputs an output voltage from the other input / output terminal based on the input voltage input from one of the first input / output terminal T1 and the second input / output terminal T2. To do.
制御部21は、セレクタSELから供給された出力電圧(電圧A又は電圧B)が目標電圧より低い場合に制御信号を増加させて、出力電圧(電圧A又は電圧B)が目標電圧より高い場合に制御信号を減少させる(定電圧制御)。また、制御部21は、電流Iが目標電流より小さい場合に制御信号を減少させて、電流Iが目標電流より大きい場合に制御信号を増加させる(定電流制御)。目標電圧と目標電流は、外部から設定される。制御部21は、外部からの設定に応じて、出力電圧(電圧A又は電圧B)と電流Iの少なくとも何れかに基づいて制御信号を変化させる。つまり、制御部21は、定電圧制御を行う場合と、定電流制御を行う場合と、定電圧制御および定電流制御を行う場合とがある。
The
本実施例では、この制御信号は0%から200%の範囲で変化する信号(例えばデジタル信号)であるとする。制御信号がデューティ比0%から200%のPWM信号に対応すると考えて、PWM信号分配部22は、0%以上、100%未満の範囲の制御信号を降圧PWM信号として分配して、100%以上、200%以下の範囲の制御信号を昇圧PWM信号として分配する。
In this embodiment, it is assumed that this control signal is a signal (for example, a digital signal) that varies in the range of 0% to 200%. Assuming that the control signal corresponds to a PWM signal having a duty ratio of 0% to 200%, the PWM
具体的には、PWM信号分配部22は、制御信号が昇圧基準値(100%)より小さい場合、制御信号の値に応じたデューティ比の降圧PWM信号と、ローレベル(第1の値)の昇圧PWM信号とを出力する。
Specifically, when the control signal is smaller than the boost reference value (100%), the PWM
例えば、PWM信号分配部22は、制御信号が60%の場合、この値(60%)に応じたデューティ比60%の降圧PWM信号と、ローレベル(即ちデューティ比0%)の昇圧PWM信号とを出力する。
For example, when the control signal is 60%, the PWM
また、PWM信号分配部22は、制御信号が昇圧基準値(100%)以上の場合、ハイレベル(第2の値)の降圧PWM信号と、制御信号の値に応じたデューティ比の昇圧PWM信号とを出力する。
Further, when the control signal is equal to or higher than the boost reference value (100%), the PWM
より詳細には、PWM信号分配部22は、制御信号が昇圧基準値以上の場合、制御信号から昇圧基準値を減算した値に応じたデューティ比の昇圧PWM信号を出力する。
More specifically, when the control signal is equal to or higher than the boost reference value, the PWM
例えば、PWM信号分配部22は、制御信号が130%の場合、ハイレベル(即ちデューティ比100%)の降圧PWM信号と、130%から昇圧基準値(100%)を減算した値(30%)に応じたデューティ比30%の昇圧PWM信号を出力する。
For example, when the control signal is 130%, the PWM
信号切り替え部23は、電流の向き1であって第2の入出力端子T2から出力電圧(電圧B)を出力する場合、降圧PWM信号を第1のスイッチ素子S1に供給すると共に昇圧PWM信号を第3のスイッチ素子S3に供給する。また、ローレベルの信号を第2のスイッチ素子S2と第4のスイッチ素子S4に供給する。
The
また、信号切り替え部23は、電流の向き2であって第1の入出力端子T1から出力電圧(電圧A)を出力する場合、降圧PWM信号を第4のスイッチ素子S4に供給すると共に昇圧PWM信号を第2のスイッチ素子S2に供給する。また、ローレベルの信号を第1のスイッチ素子S1と第3のスイッチ素子S3に供給する。
When the
本実施例において、信号切り替え部23は、AND回路A1,A2,A3,A4と、バッファB1,B2,B3,B4と、を有する。
In this embodiment, the
AND回路A1は、一方の入力端子にバッファB1を介して降圧PWM信号が入力され、他方の入力端子にバッファB3を介して信号LtoRが入力され、出力端子が第1のN型MOSトランジスタTR1のゲートに接続されている。信号LtoRは、方向切り替え信号をインバータINVで反転させた信号である。 In the AND circuit A1, the step-down PWM signal is input to one input terminal via the buffer B1, the signal LtoR is input to the other input terminal via the buffer B3, and the output terminal is the first N-type MOS transistor TR1. Connected to the gate. The signal LtoR is a signal obtained by inverting the direction switching signal using the inverter INV.
AND回路A2は、一方の入力端子にバッファB2を介して昇圧PWM信号が入力され、他方の入力端子にバッファB4を介して信号RtoLが入力され、出力端子が第2のN型MOSトランジスタTR2のゲートに接続されている。信号RtoLは、方向切り替え信号と同一の信号である。 In the AND circuit A2, the step-up PWM signal is input to one input terminal via the buffer B2, the signal RtoL is input to the other input terminal via the buffer B4, and the output terminal is the second N-type MOS transistor TR2. Connected to the gate. The signal RtoL is the same signal as the direction switching signal.
AND回路A3は、一方の入力端子にバッファB2を介して昇圧PWM信号が入力され、他方の入力端子にバッファB3を介して信号LtoRが入力され、出力端子が第3のN型MOSトランジスタTR3のゲートに接続されている。 In the AND circuit A3, the boosted PWM signal is input to one input terminal via the buffer B2, the signal LtoR is input to the other input terminal via the buffer B3, and the output terminal is the third N-type MOS transistor TR3. Connected to the gate.
AND回路A4は、一方の入力端子にバッファB1を介して降圧PWM信号が入力され、他方の入力端子にバッファB4を介して信号RtoLが入力され、出力端子が第4のN型MOSトランジスタTR4のゲートに接続されている。 In the AND circuit A4, the step-down PWM signal is input to one input terminal via the buffer B1, the signal RtoL is input to the other input terminal via the buffer B4, and the output terminal is the fourth N-type MOS transistor TR4. Connected to the gate.
(双方向コンバータの動作)
次に、図2から図5を参照して双方向コンバータの具体的な動作を説明する。双方向コンバータは、4つの動作モードI〜IV(I:電流の向き1で降圧動作、II:電流の向き1で昇圧動作、III:電流の向き2で降圧動作、IV:電流の向き2で昇圧動作)の何れかで動作できる。
(Bidirectional converter operation)
Next, a specific operation of the bidirectional converter will be described with reference to FIGS. The bidirectional converter has four operation modes I to IV (I: step-down operation in
図2は、本発明の実施例1に係る双方向コンバータの各動作モードにおける第1から第4のスイッチ素子S1〜S4の状態を示す表である。以下、この表も参照して、各動作モードについて説明する。なお、説明を明確化するため、ここでは定電圧制御を行う場合について説明する。定電流制御を行う場合についても同様に動作するため、説明は省略する。 FIG. 2 is a table showing states of the first to fourth switch elements S1 to S4 in each operation mode of the bidirectional converter according to the first embodiment of the present invention. Hereinafter, each operation mode will be described with reference to this table. In order to clarify the description, here, a case where constant voltage control is performed will be described. Since the same operation is performed when the constant current control is performed, the description is omitted.
(動作モードI:電流の向き1で降圧動作)
図3は、本発明の実施例1に係る双方向コンバータの動作モードIにおける昇降圧部10の等価回路図である。
(Operation mode I: Step-down operation with current direction 1)
FIG. 3 is an equivalent circuit diagram of the step-up / step-down
電流の向き1であるため、方向切り替え信号はローレベルに設定される。また、降圧動作であるため、目標電圧は、入力電圧(電圧A)より低く設定される。初期状態において、入力電圧(電圧A)>目標電圧>出力電圧(電圧B)であるとする。 Since the current direction is 1, the direction switching signal is set to a low level. In addition, because of the step-down operation, the target voltage is set lower than the input voltage (voltage A). In an initial state, it is assumed that input voltage (voltage A)> target voltage> output voltage (voltage B).
方向切り替え信号がローレベルであるため、信号切り替え部23は、ローレベルの信号を第2のスイッチ素子S2と第4のスイッチ素子S4に供給する。また、信号切り替え部23は、降圧PWM信号を第1のスイッチ素子S1に供給すると共に昇圧PWM信号を第3のスイッチ素子S3に供給する。
Since the direction switching signal is at the low level, the
制御部21は、初期状態では出力電圧(電圧B)が目標電圧より低いので、制御信号を0から増加させていく。
Since the output voltage (voltage B) is lower than the target voltage in the initial state, the
PWM信号分配部22は、制御信号が昇圧基準値(100%)より小さい場合、制御信号の値に応じたデューティ比の降圧PWM信号と、ローレベル(デューティ比0%)の昇圧PWM信号とを出力する。
When the control signal is smaller than the boost reference value (100%), the PWM
従って、図2の動作モードIの欄に示すように、スイッチング制御部20は、降圧PWM信号により第1のスイッチ素子S1のスイッチングを制御すると共に、第2のスイッチ素子S2、第3のスイッチ素子S3および第4のスイッチ素子S4をオフする。これにより、図3に示すように、第2のスイッチ素子S2、第3のスイッチ素子S3および第4のスイッチ素子S4は、それぞれ第2のダイオードD2、第3のダイオードD3および第4のダイオードD4として機能する。
Therefore, as shown in the column of the operation mode I in FIG. 2, the switching
よって、第1のスイッチ素子S1と、第2のダイオードD2と、インダクタMと、容量C2とは、降圧コンバータを構成する。第3のダイオードD3のカソードの電圧は基準電位より高いので、第3のダイオードD3は導通しない。第4のダイオードD4は順方向に電流Iを流すので、電圧Aが降圧された電圧Bにより、電圧源B(蓄電池)は充電される。 Therefore, the first switch element S1, the second diode D2, the inductor M, and the capacitor C2 constitute a step-down converter. Since the voltage of the cathode of the third diode D3 is higher than the reference potential, the third diode D3 does not conduct. Since the fourth diode D4 passes the current I in the forward direction, the voltage source B (storage battery) is charged by the voltage B obtained by stepping down the voltage A.
制御信号が昇圧基準値(100%)より小さい範囲で制御され、これによる降圧PWM信号のデューティ比に応じて電圧Aが降圧されることにより、電圧Bは目標電圧と等しくなるように制御される。従って、電圧A>目標電圧である条件では、常に降圧動作を行う。 The control signal is controlled in a range smaller than the boost reference value (100%), and the voltage A is stepped down according to the duty ratio of the stepped-down PWM signal thereby to control the voltage B to be equal to the target voltage. . Therefore, the step-down operation is always performed under the condition that voltage A> target voltage.
ここで、電圧源Bとして蓄電池と太陽電池が並列接続されている場合について考える。この場合、太陽電池の出力電圧が上昇することで電圧源Bの電圧Bが電圧源Aの電圧Aより上昇しても、第4のダイオードD4に逆方向バイアスが加わるので、電流は電圧源Bから電圧源Aの方向に逆流することはない。 Here, a case where a storage battery and a solar battery are connected in parallel as the voltage source B will be considered. In this case, even if the voltage B of the voltage source B rises above the voltage A of the voltage source A due to an increase in the output voltage of the solar cell, a reverse bias is applied to the fourth diode D4. Does not flow in the direction of the voltage source A from the back.
(動作モードII:電流の向き1で昇圧動作)
図4は、本発明の実施例1に係る双方向コンバータの動作モードIIにおける昇降圧部10の等価回路図である。
(Operation mode II: Boost operation with current direction 1)
FIG. 4 is an equivalent circuit diagram of the step-up / step-down
電流の向き1であるため、方向切り替え信号はローレベルに設定される。また、昇圧動作であるため、目標電圧は、入力電圧(電圧A)より高く設定される。初期状態において、電圧B<電圧A<目標電圧であるとする。 Since the current direction is 1, the direction switching signal is set to a low level. Further, because of the boosting operation, the target voltage is set higher than the input voltage (voltage A). Assume that voltage B <voltage A <target voltage in the initial state.
方向切り替え信号がローレベルであるため、信号切り替え部23は、ローレベルの信号を第2のスイッチ素子S2と第4のスイッチ素子S4に供給する。また、信号切り替え部23は、降圧PWM信号を第1のスイッチ素子S1に供給すると共に昇圧PWM信号を第3のスイッチ素子S3に供給する。
Since the direction switching signal is at the low level, the
制御部21は、初期状態では出力電圧(電圧B)が目標電圧より低いので、制御信号を0から増加させる。
Since the output voltage (voltage B) is lower than the target voltage in the initial state, the
このとき、PWM信号分配部22は、制御信号が昇圧基準値(100%)より小さいので、制御信号の値に応じたデューティ比の降圧PWM信号と、ローレベル(デューティ比0%)の昇圧PWM信号とを出力する。
At this time, since the control signal is smaller than the boost reference value (100%), the
よって、初期状態では、動作モードIと同様に、昇降圧部10は降圧コンバータとして動作する。しかし、制御信号が100%に増加しても出力電圧(電圧B)が目標電圧より低いので、制御部21は制御信号を100%以上に増加させる。
Therefore, in the initial state, the step-up / step-down
PWM信号分配部22は、制御信号が昇圧基準値(100%)以上になるので、ハイレベル(デューティ比100%)の降圧PWM信号と、制御信号の値に応じたデューティ比の昇圧PWM信号とを出力する。
Since the control signal is equal to or higher than the boost reference value (100%), the PWM
従って、図2の動作モードIIの欄に示すように、スイッチング制御部20は、昇圧PWM信号により第3のスイッチ素子S3のスイッチングを制御すると共に、第1のスイッチ素子S1をオンして、第2のスイッチ素子S2および第4のスイッチ素子S4をオフする。これにより、図4に示すように、第2のスイッチ素子S2および第4のスイッチ素子S4は、それぞれ第2のダイオードD2および第4のダイオードD4として機能する。第1のスイッチ素子S1はオンしているので第1のダイオードD1は機能しない。
Therefore, as shown in the column of the operation mode II in FIG. 2, the switching
よって、インダクタMと、第3のスイッチ素子S3と、第4のダイオードD4と、容量C2とは、昇圧コンバータを構成する。第2のダイオードD2のカソードの電圧は基準電位より高いので、第2のダイオードD2は導通しない。第4のダイオードD4は順方向に電流Iを流すので、電圧Aが昇圧された電圧Bにより、電圧源B(蓄電池)は充電される。 Therefore, the inductor M, the third switch element S3, the fourth diode D4, and the capacitor C2 constitute a boost converter. Since the voltage of the cathode of the second diode D2 is higher than the reference potential, the second diode D2 does not conduct. Since the fourth diode D4 flows the current I in the forward direction, the voltage source B (storage battery) is charged by the voltage B obtained by boosting the voltage A.
制御信号が昇圧基準値(100%)以上の範囲で制御され、これによる昇圧PWM信号のデューティ比に応じて電圧Aが昇圧されることにより、電圧Bは目標電圧と等しくなるように制御される。 The control signal is controlled in a range equal to or higher than the boost reference value (100%), and the voltage A is boosted according to the duty ratio of the boosted PWM signal thereby to control the voltage B to be equal to the target voltage. .
ここで、電圧源Bとして蓄電池と太陽電池が並列接続されている場合について考える。この場合、太陽電池の出力電圧が上昇することで電圧源Bの電圧Bが更に上昇しても、第4のダイオードD4に逆方向バイアスが加わるので、電流は電圧源Bから電圧源Aの方向に逆流することはない。 Here, a case where a storage battery and a solar battery are connected in parallel as the voltage source B will be considered. In this case, a reverse bias is applied to the fourth diode D4 even if the voltage B of the voltage source B further increases due to an increase in the output voltage of the solar cell, so that the current flows from the voltage source B to the voltage source A. Never flow backwards.
(動作モードIII:電流の向き2で降圧動作)
図5は、本発明の実施例1に係る双方向コンバータの動作モードIIIにおける昇降圧部10の等価回路図である。
(Operation mode III: Step-down operation with current direction 2)
FIG. 5 is an equivalent circuit diagram of the step-up / step-down
電流の向き2であるため、方向切り替え信号はハイレベルに設定される。また、降圧動作であるため、目標電圧は、入力電圧(電圧B)より低く設定される。初期状態において、入力電圧(電圧B)>目標電圧>出力電圧(電圧A)であるとする。 Since the current direction is 2, the direction switching signal is set to a high level. In addition, because of the step-down operation, the target voltage is set lower than the input voltage (voltage B). In an initial state, it is assumed that input voltage (voltage B)> target voltage> output voltage (voltage A).
方向切り替え信号がハイレベルであるため、信号切り替え部23は、ローレベルの信号を第1のスイッチ素子S1と第3のスイッチ素子S3に供給する。また、信号切り替え部23は、降圧PWM信号を第4のスイッチ素子S4に供給すると共に昇圧PWM信号を第2のスイッチ素子S2に供給する。
Since the direction switching signal is at a high level, the
制御部21とPWM信号分配部22の動作は、動作モードIと同様である。つまり、昇圧PWM信号はローレベル(デューティ比0%)である。
The operations of the
従って、図2の動作モードIIIの欄に示すように、スイッチング制御部20は、降圧PWM信号により第4のスイッチ素子S4のスイッチングを制御すると共に、第1のスイッチ素子S1、第2のスイッチ素子S2および第3のスイッチ素子S3をオフする。これにより、図5に示すように、第1のスイッチ素子S1、第2のスイッチ素子S2および第3のスイッチ素子S3は、それぞれ第1のダイオードD1、第2のダイオードD2および第3のダイオードD3として機能する。
Therefore, as shown in the column of the operation mode III in FIG. 2, the switching
よって、第4のスイッチ素子S4と、第3のダイオードD3と、インダクタMと、容量C1とは、降圧コンバータを構成する。第2のダイオードD2のカソードの電圧は基準電位より高いので、第2のダイオードD2は導通しない。第1のダイオードD1は順方向に電流Iを流すので、電圧Bが降圧された電圧Aにより、電圧源A(蓄電池)は充電される。 Therefore, the fourth switch element S4, the third diode D3, the inductor M, and the capacitor C1 constitute a step-down converter. Since the voltage of the cathode of the second diode D2 is higher than the reference potential, the second diode D2 does not conduct. Since the first diode D1 flows the current I in the forward direction, the voltage source A (storage battery) is charged by the voltage A obtained by stepping down the voltage B.
電圧源Aとして蓄電池と太陽電池が並列接続されている場合についても、動作モードIと同様に動作する。即ち、電圧源Aの電圧Aが電圧源Bの電圧Bより上昇しても、第1のダイオードD1に逆方向バイアスが加わるので、電流は電圧源Aから電圧源Bの方向に逆流することはない。 Even when a storage battery and a solar battery are connected in parallel as the voltage source A, the operation is the same as in the operation mode I. In other words, even if the voltage A of the voltage source A rises above the voltage B of the voltage source B, a reverse bias is applied to the first diode D1, so that current does not flow backward from the voltage source A to the voltage source B. Absent.
(動作モードIV:電流の向き2で昇圧動作)
図6は、本発明の実施例1に係る双方向コンバータの動作モードIVにおける昇降圧部10の等価回路図である。
(Operation mode IV: Step-up operation with current direction 2)
FIG. 6 is an equivalent circuit diagram of the step-up / step-down
電流の向き2であるため、方向切り替え信号はハイレベルに設定される。また、昇圧動作であるため、目標電圧は、入力電圧(電圧B)より高く設定される。初期状態において、電圧A<電圧B<目標電圧であるとする。 Since the current direction is 2, the direction switching signal is set to a high level. In addition, because of the boosting operation, the target voltage is set higher than the input voltage (voltage B). Assume that voltage A <voltage B <target voltage in the initial state.
方向切り替え信号がハイレベルであるため、信号切り替え部23は、ローレベルの信号を第1のスイッチ素子S1と第3のスイッチ素子S3に供給する。また、信号切り替え部23は、降圧PWM信号を第4のスイッチ素子S4に供給すると共に昇圧PWM信号を第2のスイッチ素子S2に供給する。
Since the direction switching signal is at a high level, the
制御部21とPWM信号分配部22の動作は、動作モードIIと同様である。つまり、PWM信号分配部22は、制御信号が昇圧基準値(100%)以上になるので、ハイレベルの降圧PWM信号(デューティ比100%)と、制御信号の値に応じたデューティ比の昇圧PWM信号とを出力する。
The operations of the
従って、図2の動作モードIVの欄に示すように、スイッチング制御部20は、昇圧PWM信号により第2のスイッチ素子S2のスイッチングを制御すると共に、第4のスイッチ素子S4をオンして、第1のスイッチ素子S1および第3のスイッチ素子S3をオフする。これにより、図6に示すように、第1のスイッチ素子S1および第3のスイッチ素子S3は、それぞれ第1のダイオードD1および第3のダイオードD3として機能する。第4のスイッチ素子S4はオンしているので第4のダイオードD4は機能しない。
Therefore, as shown in the column of the operation mode IV in FIG. 2, the switching
よって、インダクタMと、第2のスイッチ素子S2と、第1のダイオードD1と、容量C1とは、昇圧コンバータを構成する。第3のダイオードD3のカソードの電圧は基準電位より高いので、第3のダイオードD3は導通しない。第1のダイオードD1は順方向に電流Iを流すので、電圧Bが昇圧された電圧Aにより、電圧源A(蓄電池)は充電される。 Therefore, the inductor M, the second switch element S2, the first diode D1, and the capacitor C1 constitute a boost converter. Since the voltage of the cathode of the third diode D3 is higher than the reference potential, the third diode D3 does not conduct. Since the first diode D1 passes the current I in the forward direction, the voltage source A (storage battery) is charged by the voltage A obtained by boosting the voltage B.
電圧源Aとして蓄電池と太陽電池が並列接続されている場合についても、動作モードIIと同様に動作する。即ち、電流は電圧源Aから電圧源Bの方向に逆流することはない。 Even when a storage battery and a solar battery are connected in parallel as the voltage source A, the operation is the same as in the operation mode II. That is, current does not flow backward from the voltage source A to the voltage source B.
以上で説明した様に、本実施例によれば、スイッチング制御部20が、第2の入出力端子T2から出力電圧を出力する場合、第2及び第4のスイッチ素子S2,S4をオフして、降圧動作時に第1のスイッチ素子S1のスイッチングを制御すると共に第3のスイッチ素子S3をオフして、昇圧動作時に第1のスイッチ素子S1をオンすると共に第3のスイッチ素子S3のスイッチングを制御するようにしている。また、第1の入出力端子T1から出力電圧を出力する場合、第1及び第3のスイッチ素子S1,S3をオフして、降圧動作時に第4のスイッチ素子S4のスイッチングを制御すると共に第2のスイッチ素子S2をオフして、昇圧動作時に第4のスイッチ素子S4をオンすると共に第2のスイッチ素子S2のスイッチングを制御するようにしている。このように、同期整流しないようにしているので、2種類の降圧用PWM信号と昇圧用PWM信号を用いて、双方向で昇圧または降圧動作が行える。即ち、PWM信号を排他制御する必要が無い。従って、制御が簡単になるので、スイッチング制御部20を構成するマイコンとして、安価なものを用いることができる。
As described above, according to the present embodiment, when the switching
また、制御部21が、出力電圧が目標電圧より低い場合に制御信号を増加させて、出力電圧が目標電圧より高い場合に制御信号を減少させるようにしている。その上で、PWM信号分配部22が、制御信号が昇圧基準値(100%)より小さい場合、昇降圧部10を降圧動作させて、制御信号が昇圧基準値以上の場合、昇降圧部10を昇圧動作させるようにしている。これにより、目標電圧が入力電圧より高いか否かを比較して昇圧動作または降圧動作の判断をする必要がなく、目標電圧と出力電圧との比較のみで、昇圧動作と降圧動作を連続的(シームレス)に切り替えできると共に、出力電圧を目標電圧に制御できる。従って、1つの制御部21によって、双方向で昇圧または降圧動作が簡単に行えるので、安価なマイコンを用いることができる。
In addition, the
さらに、第2の入出力端子T2から出力電圧(電圧B)を出力する場合には、第4のスイッチ素子S4をオフに制御して、第4のダイオードD4により電流を一方向のみに流すようにしている。また、第1の入出力端子T1から出力電圧(電圧A)を出力する場合には、第1のスイッチ素子S1をオフに制御して、第1のダイオードD1により電流を一方向のみに流すようにしている。これにより、電圧源A,Bの電圧が変動した場合に、電流の逆流を防止できるので、電圧源A,B又は双方向コンバータを破壊する恐れが無い。 Further, when the output voltage (voltage B) is output from the second input / output terminal T2, the fourth switch element S4 is controlled to be turned off, and the current is caused to flow only in one direction by the fourth diode D4. I have to. Further, when the output voltage (voltage A) is output from the first input / output terminal T1, the first switch element S1 is controlled to be turned off so that the current flows only in one direction by the first diode D1. I have to. As a result, when the voltages of the voltage sources A and B fluctuate, it is possible to prevent the backflow of current, so there is no possibility of destroying the voltage sources A and B or the bidirectional converter.
以上、本発明の実施例を詳述してきたが、具体的な構成は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々に変形して実施することができる。 As mentioned above, although the Example of this invention was explained in full detail, a concrete structure is not limited to the said Example, A various deformation | transformation can be implemented in the range which does not deviate from the summary of this invention.
例えば、第1から第4のN型MOSトランジスタTR1〜TR4の代わりに、P型MOSトランジスタを用いても良い。また、他のスイッチング素子を用いても良い。 For example, P-type MOS transistors may be used instead of the first to fourth N-type MOS transistors TR1 to TR4. Further, other switching elements may be used.
T1 第1の入出力端子
T2 第2の入出力端子
RT1 第1の基準端子
RT2 第2の基準端子
M インダクタ(磁性部品)
S1 第1のスイッチ素子
S2 第2のスイッチ素子
S3 第3のスイッチ素子
S4 第4のスイッチ素子
C1 第1の容量
C2 第2の容量
10 昇降圧部
20 スイッチング制御部
21 制御部
22 PWM信号分配部
23 信号切り替え部
TR1 第1のN型MOSトランジスタ(第1のトランジスタ)
TR2 第2のN型MOSトランジスタ(第2のトランジスタ)
TR3 第3のN型MOSトランジスタ(第3のトランジスタ)
TR4 第4のN型MOSトランジスタ(第4のトランジスタ)
D1 第1のダイオード
D2 第2のダイオード
D3 第3のダイオード
D4 第4のダイオード
T1 First input / output terminal T2 Second input / output terminal RT1 First reference terminal RT2 Second reference terminal M Inductor (magnetic component)
S1 1st switch element S2 2nd switch element S3 3rd switch element S4 4th switch element C1 1st capacity | capacitance C2 2nd capacity |
TR2 Second N-type MOS transistor (second transistor)
TR3 Third N-type MOS transistor (third transistor)
TR4 Fourth N-type MOS transistor (fourth transistor)
D1 1st diode D2 2nd diode D3 3rd diode D4 4th diode
Claims (18)
磁性部品と、前記第1の入出力端子と前記磁性部品の一端との間に接続された第1のスイッチ素子と、前記磁性部品の前記一端と基準電位との間に接続された第2のスイッチ素子と、前記磁性部品の他端と前記基準電位との間に接続された第3のスイッチ素子と、前記磁性部品の前記他端と前記第2の入出力端子との間に接続された第4のスイッチ素子と、を有し、前記第1から第4のスイッチ素子はオフ時に一方向のみに電流を流す、昇降圧部と、
前記第2の入出力端子から前記出力電圧を出力する場合、前記第2のスイッチ素子および前記第4のスイッチ素子をオフして、降圧動作時に前記第1のスイッチ素子のスイッチングを制御すると共に前記第3のスイッチ素子をオフして、昇圧動作時に前記第1のスイッチ素子をオンすると共に前記第3のスイッチ素子のスイッチングを制御して、前記第1の入出力端子から前記出力電圧を出力する場合、前記第1のスイッチ素子及び前記第3のスイッチ素子をオフして、前記降圧動作時に前記第4のスイッチ素子のスイッチングを制御すると共に前記第2のスイッチ素子をオフして、前記昇圧動作時に前記第4のスイッチ素子をオンすると共に前記第2のスイッチ素子のスイッチングを制御するスイッチング制御部と、を備える
ことを特徴とする双方向コンバータ。 A bidirectional converter that outputs an output voltage from the other input / output terminal based on an input voltage input from one of the first input / output terminal and the second input / output terminal;
A magnetic component; a first switch element connected between the first input / output terminal and one end of the magnetic component; and a second switch connected between the one end of the magnetic component and a reference potential. A switching element, a third switching element connected between the other end of the magnetic component and the reference potential, and a connection between the other end of the magnetic component and the second input / output terminal A step-up / step-down unit that includes a fourth switch element, and the first to fourth switch elements flow current only in one direction when turned off,
When outputting the output voltage from the second input / output terminal, the second switch element and the fourth switch element are turned off to control switching of the first switch element during the step-down operation and The third switch element is turned off, the first switch element is turned on during the boosting operation, and the switching of the third switch element is controlled to output the output voltage from the first input / output terminal. In this case, the first switch element and the third switch element are turned off to control the switching of the fourth switch element during the step-down operation, and the second switch element is turned off to perform the boost operation. And a switching control unit for turning on the fourth switch element and controlling the switching of the second switch element. To bidirectional converter.
前記出力電圧が目標電圧より低い場合に制御信号を増加させて、前記出力電圧が前記目標電圧より高い場合に前記制御信号を減少させる制御部と、
前記制御信号が昇圧基準値より小さい場合、前記制御信号の値に応じた降圧PWM信号と、第1の値の昇圧PWM信号とを出力し、前記制御信号が前記昇圧基準値以上の場合、第2の値の前記降圧PWM信号と、前記制御信号の値に応じた前記昇圧PWM信号とを出力するPWM信号分配部と、
前記第2の入出力端子から前記出力電圧を出力する場合、前記降圧PWM信号を前記第1のスイッチ素子に供給すると共に前記昇圧PWM信号を前記第3のスイッチ素子に供給し、前記第1の入出力端子から前記出力電圧を出力する場合、前記降圧PWM信号を前記第4のスイッチ素子に供給すると共に前記昇圧PWM信号を前記第2のスイッチ素子に供給する信号切り替え部と、を有する
ことを特徴とする請求項1に記載の双方向コンバータ。 The switching controller is
A control unit that increases a control signal when the output voltage is lower than a target voltage, and decreases the control signal when the output voltage is higher than the target voltage;
When the control signal is smaller than the boost reference value, a step-down PWM signal corresponding to the value of the control signal and a boost PWM signal having a first value are output, and when the control signal is equal to or greater than the boost reference value, A PWM signal distribution unit that outputs the step-down PWM signal having a value of 2 and the step-up PWM signal according to the value of the control signal;
When outputting the output voltage from the second input / output terminal, the step-down PWM signal is supplied to the first switch element and the step-up PWM signal is supplied to the third switch element. A signal switching unit that supplies the step-down PWM signal to the fourth switch element and supplies the step-up PWM signal to the second switch element when the output voltage is output from an input / output terminal. The bidirectional converter according to claim 1, wherein:
ことを特徴とする請求項2に記載の双方向コンバータ。 The bidirectional converter according to claim 2, wherein the PWM signal distribution unit outputs the step-down PWM signal or the step-up PWM signal having a duty ratio corresponding to a value of the control signal.
ことを特徴とする請求項3に記載の双方向コンバータ。 The PWM signal distribution unit outputs the boost PWM signal having a duty ratio corresponding to a value obtained by subtracting the boost reference value from the control signal when the control signal is equal to or higher than the boost reference value. Item 4. The bidirectional converter according to item 3.
前記第2のスイッチ素子は、並列接続された第2のトランジスタと第2のダイオードとを含み、
前記第3のスイッチ素子は、並列接続された第3のトランジスタと第3のダイオードとを含み、
前記第4のスイッチ素子は、並列接続された第4のトランジスタと第4のダイオードとを含み、
前記第1のダイオードは、カソードが前記第1の入出力端子に接続され、アノードが前記磁性部品の前記一端に接続され、
前記第2のダイオードは、カソードが前記磁性部品の前記一端に接続され、アノードが前記基準電位に接続され、
前記第3のダイオードは、カソードが前記磁性部品の前記他端に接続され、アノードが前記基準電位に接続され、
前記第4のダイオードは、カソードが前記第2の入出力端子に接続され、アノードが前記磁性部品の前記他端に接続されている
ことを特徴とする請求項1から請求項4の何れかに記載の双方向コンバータ。 The first switch element includes a first transistor and a first diode connected in parallel;
The second switch element includes a second transistor and a second diode connected in parallel,
The third switch element includes a third transistor and a third diode connected in parallel,
The fourth switch element includes a fourth transistor and a fourth diode connected in parallel,
The first diode has a cathode connected to the first input / output terminal, an anode connected to the one end of the magnetic component,
The second diode has a cathode connected to the one end of the magnetic component, an anode connected to the reference potential,
The third diode has a cathode connected to the other end of the magnetic component, an anode connected to the reference potential,
The cathode of the fourth diode is connected to the second input / output terminal, and the anode is connected to the other end of the magnetic component. Bidirectional converter as described.
前記第1から第4のダイオードは、前記N型MOSトランジスタのソースとドレインとの間に接続された寄生ダイオードである
ことを特徴とする請求項5に記載の双方向コンバータ。 The first to fourth transistors are N-type MOS transistors,
The bidirectional converter according to claim 5, wherein the first to fourth diodes are parasitic diodes connected between a source and a drain of the N-type MOS transistor.
前記第1の入出力端子と前記基準電位との間に接続された第1の容量と、
前記第2の入出力端子と前記基準電位との間に接続された第2の容量と、をさらに有する
ことを特徴とする請求項1から請求項6の何れかに記載の双方向コンバータ。 The step-up / down unit is
A first capacitor connected between the first input / output terminal and the reference potential;
The bidirectional converter according to any one of claims 1 to 6, further comprising a second capacitor connected between the second input / output terminal and the reference potential.
第1の入出力端子と前記磁性部品の一端との間に接続された第1のスイッチ素子と、
前記磁性部品の前記一端と基準電位との間に接続された第2のスイッチ素子と、
前記磁性部品の他端と前記基準電位との間に接続された第3のスイッチ素子と、
前記磁性部品の前記他端と第2の入出力端子との間に接続された第4のスイッチ素子と、を備え、
前記第1から第4のスイッチ素子はオフ時に一方向のみに電流を流し、
前記第1の入出力端子および前記第2の入出力端子のうちの一方の入出力端子から入力される入力電圧に基づいて、他方の入出力端子から出力電圧を出力する双方向コンバータの制御方法であって、
前記第2の入出力端子から前記出力電圧を出力する場合、前記第2のスイッチ素子および前記第4のスイッチ素子をオフして、降圧動作時に前記第1のスイッチ素子のスイッチングを制御すると共に前記第3のスイッチ素子をオフして、昇圧動作時に前記第1のスイッチ素子をオンすると共に前記第3のスイッチ素子のスイッチングを制御して、
前記第1の入出力端子から前記出力電圧を出力する場合、前記第1のスイッチ素子及び前記第3のスイッチ素子をオフして、前記降圧動作時に前記第4のスイッチ素子のスイッチングを制御すると共に前記第2のスイッチ素子をオフして、前記昇圧動作時に前記第4のスイッチ素子をオンすると共に前記第2のスイッチ素子のスイッチングを制御する
ことを特徴とする双方向コンバータの制御方法。 Magnetic parts,
A first switch element connected between a first input / output terminal and one end of the magnetic component;
A second switch element connected between the one end of the magnetic component and a reference potential;
A third switch element connected between the other end of the magnetic component and the reference potential;
A fourth switch element connected between the other end of the magnetic component and a second input / output terminal;
The first to fourth switching elements pass current only in one direction when turned off,
A bidirectional converter control method for outputting an output voltage from the other input / output terminal based on an input voltage input from one of the first input / output terminal and the second input / output terminal Because
When outputting the output voltage from the second input / output terminal, the second switch element and the fourth switch element are turned off to control switching of the first switch element during the step-down operation and Turning off the third switch element, turning on the first switch element during the boosting operation and controlling the switching of the third switch element;
When outputting the output voltage from the first input / output terminal, the first switch element and the third switch element are turned off to control switching of the fourth switch element during the step-down operation. A method for controlling a bidirectional converter, wherein the second switch element is turned off, the fourth switch element is turned on during the boosting operation, and the switching of the second switch element is controlled.
前記出力電圧が前記目標電圧より高い場合に前記制御信号を減少させて、
前記制御信号が昇圧基準値より小さい場合、前記制御信号の値に応じた降圧PWM信号と、第1の値の昇圧PWM信号とを生成し、
前記制御信号が前記昇圧基準値以上の場合、第2の値の前記降圧PWM信号と、前記制御信号の値に応じた前記昇圧PWM信号とを生成し、
前記第2の入出力端子から前記出力電圧を出力する場合、前記降圧PWM信号を前記第1のスイッチ素子に供給すると共に前記昇圧PWM信号を前記第3のスイッチ素子に供給し、
前記第1の入出力端子から前記出力電圧を出力する場合、前記降圧PWM信号を前記第4のスイッチ素子に供給すると共に前記昇圧PWM信号を前記第2のスイッチ素子に供給する
ことを特徴とする請求項10に記載の双方向コンバータの制御方法。 Increase the control signal when the output voltage is lower than the target voltage,
Reducing the control signal when the output voltage is higher than the target voltage;
When the control signal is smaller than a boost reference value, a step-down PWM signal corresponding to the value of the control signal and a step-up PWM signal having a first value are generated,
When the control signal is equal to or higher than the boost reference value, the step-down PWM signal having a second value and the boost PWM signal corresponding to the value of the control signal are generated.
When outputting the output voltage from the second input / output terminal, the step-down PWM signal is supplied to the first switch element and the step-up PWM signal is supplied to the third switch element,
When outputting the output voltage from the first input / output terminal, the step-down PWM signal is supplied to the fourth switch element and the step-up PWM signal is supplied to the second switch element. The method for controlling a bidirectional converter according to claim 10.
ことを特徴とする請求項11に記載の双方向コンバータの制御方法。 12. The bidirectional converter control method according to claim 11, wherein the step-down PWM signal or the step-up PWM signal having a duty ratio corresponding to a value of the control signal is generated.
ことを特徴とする請求項12に記載の双方向コンバータの制御方法。 The bidirectional PWM signal according to claim 12, wherein when the control signal is equal to or higher than the boost reference value, the boost PWM signal having a duty ratio corresponding to a value obtained by subtracting the boost reference value from the control signal is generated. How to control the converter.
前記第2のスイッチ素子は、並列接続された第2のトランジスタと第2のダイオードとを含み、
前記第3のスイッチ素子は、並列接続された第3のトランジスタと第3のダイオードとを含み、
前記第4のスイッチ素子は、並列接続された第4のトランジスタと第4のダイオードとを含み、
前記第1のダイオードは、カソードが前記第1の入出力端子に接続され、アノードが前記磁性部品の前記一端に接続され、
前記第2のダイオードは、カソードが前記磁性部品の前記一端に接続され、アノードが前記基準電位に接続され、
前記第3のダイオードは、カソードが前記磁性部品の前記他端に接続され、アノードが前記基準電位に接続され、
前記第4のダイオードは、カソードが前記第2の入出力端子に接続され、アノードが前記磁性部品の前記他端に接続されている
ことを特徴とする請求項10から請求項13の何れかに記載の双方向コンバータの制御方法。 The first switch element includes a first transistor and a first diode connected in parallel;
The second switch element includes a second transistor and a second diode connected in parallel,
The third switch element includes a third transistor and a third diode connected in parallel,
The fourth switch element includes a fourth transistor and a fourth diode connected in parallel,
The first diode has a cathode connected to the first input / output terminal, an anode connected to the one end of the magnetic component,
The second diode has a cathode connected to the one end of the magnetic component, an anode connected to the reference potential,
The third diode has a cathode connected to the other end of the magnetic component, an anode connected to the reference potential,
The cathode of the fourth diode is connected to the second input / output terminal, and the anode is connected to the other end of the magnetic component. The control method of the bidirectional converter of description.
前記第1から第4のダイオードは、前記N型MOSトランジスタのソースとドレインとの間に接続された寄生ダイオードである
ことを特徴とする請求項14に記載の双方向コンバータの制御方法。 The first to fourth transistors are N-type MOS transistors,
The bidirectional converter control method according to claim 14, wherein the first to fourth diodes are parasitic diodes connected between a source and a drain of the N-type MOS transistor.
前記第2の入出力端子と前記基準電位との間に接続された第2の容量と、をさらに有する
ことを特徴とする請求項10から請求項15の何れかに記載の双方向コンバータの制御方法。 A first capacitor connected between the first input / output terminal and the reference potential;
16. The bidirectional converter control according to claim 10, further comprising: a second capacitor connected between the second input / output terminal and the reference potential. Method.
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