JP2015204726A

JP2015204726A - Ｄｃ−ｄｃコンバータ装置

Info

Publication number: JP2015204726A
Application number: JP2014084201A
Authority: JP
Inventors: 福田　智之; Tomoyuki Fukuda; 智之福田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2014-04-16
Filing date: 2014-04-16
Publication date: 2015-11-16

Abstract

【課題】高精度のスイッチング制御を行うことにより、スイッチング損失を低減すること。
【解決手段】実施形態によれば、ＤＣ−ＤＣコンバータ装置は、直流電源と接続される第１のスイッチング素子と、第１のスイッチング素子と接続される第２のスイッチング素子とを備えるＬＬＣ共振回路を有する。ＤＣ−ＤＣコンバータ装置は、直流電源部から第１のスイッチング素子に入力される第１の電圧値を測定する第１の測定部と、第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子との間の第２の電圧値を測定する第２の測定部と、第１のスイッチング素子をオフにした後、第２の電圧値が第３の電圧値から第４の電圧値に達するまでの時間を計測する計測部と、計測された時間と、第３の電圧値と第４の電圧値との差と、第１の電圧値とに基づいてデッドタイムを演算する演算部と、演算されたデットタイムに基づいて第１のスイッチング素子および第２のスイッチング素子を制御する制御部とを具備する。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、ＬＬＣ共振回路を有するＤＣ−ＤＣコンバータ装置に関する。

ＡＣアダプタの効率化のために、交流電源を整流した直流電源をスイッチング素子によりオン・オフして、所定電圧の直流電源を生成するＤＣ−ＤＣコンバータ装置が広く用いられている。ＡＣアダプタの小型化のためには高周波動作が必要である。

一方、市場の小型で低損失なものという要求に対し、スイッチング素子として、低オン抵抗、且つ高耐圧で高速スイッチング可能な窒化ガリウム（以下、“ＧａＮ”と記す）や炭化ケイ素（以下、“ＳｉＣ”と記す）を用いたパワーデバイスが開発された。開発されたパワーデバイスを用いることにより、高周波スイッチングが可能になり始めた。

特開２００８−２６３７３５号公報

オン抵抗の低いＧａＮやＳｉＣを用いたＦＥＴの実用化により、導通状態における損失が低く抑えられるが、スイッチング損失が大きくなる。スイッチング損失を低減するために、高精度のスイッチング制御が必要とされている。

本発明の目的は、高精度のスイッチング制御を行うことにより、スイッチング損失を低減することが可能なＤＣ−ＤＣコンバータ装置を提供することにある。

実施形態によれば、ＤＣ−ＤＣコンバータ装置は、直流電源と接続される第１のスイッチング素子と、第１のスイッチング素子と接続される第２のスイッチング素子とを備えるＬＬＣ共振回路を有する。ＤＣ−ＤＣコンバータ装置は、第１の測定部と、第２の測定部と、計測部と、演算部と、制御部とを具備する。第１の測定部は、直流電源部から第１のスイッチング素子に入力される第１の電圧値を測定する。第２の測定部は、第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子との間の第２の電圧値を測定する。計測部は、第１のスイッチング素子をオフにした後、第２の電圧値が第１の電圧値より低い第３の電圧値から、第３の電圧値より低い第４の電圧値に達するまでの第１の時間を計測する。演算部は、計測された第１の時間と、第３の電圧値と第４の電圧値との差と、第１の電圧値とに基づいてデッドタイムを演算する。制御部は、演算されたデットタイムに基づいて第１のスイッチング素子および第２のスイッチング素子を制御する。

実施形態のＤＣ−ＤＣコンバータ装置の構成の一例を示すブロック図。実施形態のＤＣ−ＤＣコンバータ装置のコントローラの動作説明に用いる図。ＤＣ−ＤＣコンバータ装置の動作の手順を示すフローチャート。ＤＣ−ＤＣコンバータ装置の動作の手順を示すフローチャート。

以下、実施の形態について図面を参照して説明する。

図１は、本実施形態のＤＣ−ＤＣコンバータ装置の構成を示す図である。このＤＣ−ＤＣコンバータ装置１は、ＬＬＣ（インダクタ−インダクタ−キャパシタ）共振回路を有する。このＤＣ−ＤＣコンバータ装置１は、ＬＬＣ共振型ＤＣ−ＤＣコンバータ装置である。

このＤＣ−ＤＣコンバータ装置１は、二次インダクタ２８、およびコントローラ３０等を備えている。ＬＬＣ共振回路は、直流電源部１０、高圧側スイッチング素子２１、低圧側スイッチング素子２２、ダイオード２３，２４、共振用リアクトル２５、および一次インダクタ２６等を備えている。

高圧側スイッチング素子２１のドレイン側に直流電源部１０から入力電圧が供給される。高圧側スイッチング素子２１にダイオード２３が並列接続されている。高圧側スイッチング素子２１のソース側と低圧側スイッチング素子２２のドレイン側とが電気的に接続されている。低圧側スイッチング素子２２ダイオード２４が並列接続されている。

共振用リアクトル２５の一端が、高圧側スイッチング素子２１のソース側と低圧側スイッチング素子２２のドレイン側との間に電気的に接続されている。共振用リアクトル２５の他端が、一次インダクタ２６の一端に接続されている。一次インダクタ２６の他端が、キャパシタ２７の一端に接続されている。キャパシタ２７の他端が低圧側スイッチング素子２２のソース側に電気的に接続されている。

二次インダクタ２８に負荷４０が接続されている。

高圧側スイッチング素子２１、低圧側スイッチング素子２２は、ＧａＮやＳｉＣを用いたパワーデバイス（ＦＥＴ）である。コントローラ３０は、第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子とを交互にオン状態にする。

高圧側スイッチング素子２１をオフにしてからＬＬＣ共振回路に電圧が流れている間に、低圧側スイッチング素子２２がオンにすると損失が大きくなる。本実施形態のコントローラ３０は、高圧側スイッチング素子２１をオフにしてからＬＬＣ共振回路に流れる電圧がゼロになる時間（デッドタイム）を演算し、演算された時間に基づいて高圧側スイッチング素子２１および低圧側スイッチング素子２２のオン・オフを制御する。

コントローラ３０は、第１の電圧測定部３１、第２の電圧測定部３２、計測部３３、演算部３４、およびスイッチング制御部３５等を備えている。

第１の電圧測定部３１は、電位の基準となる低圧側スイッチング素子２２のソース側の電圧値Ｖ_GNDに対する高圧側スイッチング素子のドレイン側の電圧値Ｖ_BNKを測定する。言い換えると、第１の電圧測定部３１は、直流電源部１０から高圧側スイッチング素子２１に入力される電圧値を測定する。

第２の電圧測定部３２は、電位の基準となる低圧側スイッチング素子２２のソース側の電圧値Ｖ_GNDに対する、高圧側スイッチング素子２１のソース側と低圧側スイッチング素子２２のドレイン側との間の電圧値Ｖ_DTを測定する。

高圧側スイッチング素子をオフにした場合、計測部３３は、電圧値Ｖ_DTが電圧値Ｖ_BNKより低い第１の電圧値（第３の電圧値）から、第１の電圧値より低い第２の電圧値（第４の電圧値）に達するまでの時間（第１の時間）を計測する。例えば、計測部３３は、電圧値Ｖ_BNKの２／３の第１の電圧値から電圧値Ｖ_BNKの１／３の第２の電圧値に達するまでの時間を計測する。

演算部３４は、計測された時間と、第１の電圧値と第２の電圧値との差と、電圧値Ｖ_BNKとに基づいて、デッドタイムを演算する。より具体的には、演算部３４は、計測された時間に、第１の電圧値と第２の電圧値との差と電圧値Ｖ_BNKに応じた係数を乗ずることによって、デッドタイムを測定する。係数は、電圧値Ｖ_BNK／（第１の電圧値−第２の電圧値）である。例えば、第１の電圧値が電圧値Ｖ_BNKの２／３、且つ第２の電圧値が電圧値Ｖ_BNKの１／３の場合、演算部３４は、計測された時間に３を乗ずることによって、デッドタイムを演算する。

スイッチング制御部３５は、演算されたデットタイムに基づいて、高圧側スイッチング素子２１および低圧側スイッチング素子２２のオン／オフを制御する。

図２を参照して、コントローラ３０の動作を説明する。図２の上側のグラフにおいて、実線は高圧側スイッチング素子のソース側と低圧側スイッチング素子のドレイン側との間の電圧値Ｖ_DTを示す。図２の下側のグラフにおいて、Ｖ_HGは高圧側スイッチング素子２１のゲートに印加される電圧値を示し、Ｖ_LGは低圧側スイッチング素子２２のゲートに印加される電圧値を示す。

例えば、スイッチング制御部３５は、高圧側スイッチング素子２１のゲートに印加される電圧値Ｖ_HGをハイからローに切り替えることによって高圧側スイッチング素子２１をオフにする。計測部３３は、電圧値Ｖ_BNKの２／３の第１の電圧値から電圧値Ｖ_BNKの１／３の第２の電圧値に達するまでの時間ｔを計測する。演算部３４は、計測された時間に３を乗ずることによって、デッドタイム３ｔを演算する。

高圧側スイッチング素子２１をオフにしてから設定時間が経過した後、スイッチング制御部３５は、低圧側スイッチング素子２２のゲートに印加される電圧値Ｖ_LGをローからハイに切り替えることによって低圧側スイッチング素子２２をオンにする。

低圧側スイッチング素子２２をオンにした後、スイッチング制御部３５は、低圧側スイッチング素子２２のゲートに印加される電圧値Ｖ_LGをローからハイに切り替えることによって、低圧側スイッチング素子２２をオフにする。低圧側スイッチング素子２２をオフにしてから設定時間が経過した後、スイッチング制御部３５は、スイッチング制御部３５は、高圧側スイッチング素子２１のゲートに印加される電圧値Ｖ_HGをローからハイに切り替えることによって高圧側スイッチング素子２１をオンにする。

そして、スイッチング制御部３５は、高圧側スイッチング素子２１のゲートに印加される電圧値Ｖ_HGをハイからローに切り替えることによって高圧側スイッチング素子２１をオフにする。計測部３３は、電圧値Ｖ_BNKの２／３の第１の電圧値から電圧値Ｖ_BNKの１／３の第２の電圧値に達するまでの新たな時間ｔ’を計測する。演算部３４は、計測された時間に３を乗ずることによって、新たなデッドタイム３ｔ’を演算する。

高圧側スイッチング素子２１をオフにしてからデッドタイム時間３ｔが経過した後、スイッチング制御部３５は、低圧側スイッチング素子２２のゲートに印加される電圧値Ｖ_LGをローからハイに切り替えることによって低圧側スイッチング素子２２をオンにする。

なお、高圧側スイッチング素子２１をオフにする度に、計測部３３は、電圧値Ｖ_BNKの２／３の第１の電圧値から電圧値Ｖ_BNKの１／３の第２の電圧値に達するまでの新たな時間を計測する。演算部３４は、新たに計測された時間に基づいて新たなデッドタイムを演算する。スイッチング制御部３５は、新たなデッドタイムに基づいて、低圧側スイッチング素子２２をオフにする。負荷４０が使用する電力が変わると、高圧側スイッチング素子２１をオフにしてからＬＬＣ共振回路に流れる電圧がゼロになる時間も変わる。高圧側スイッチング素子２１をオフにする度に、新たなデッドタイムを演算することで、より高精度にスイッチング制御を行うことが可能になる。

なお、スイッチング制御部３５は、マックス時間（第２の時間）とミニマム時間（第３の時間）とを有する。演算部３４によって演算されたデッドタイムがマックス時間より長い場合、スイッチング制御部３５は、マックス時間に基づいて、高圧側スイッチング素子２１および前記低圧側スイッチング素子２２を制御する。演算部３４によって演算されたデッドタイムがミニマム時間より短い場合、スイッチング制御部３５は、ミニマム時間に基づいて、高圧側スイッチング素子２１および前記低圧側スイッチング素子２２を制御する。

なお、デッドタイムが演算されたら直ぐに、デッドタイムに基づいて、低圧側スイッチング素子２２をオンにするようにしても良い。

図３および図４は、ＤＣ−ＤＣコンバータ装置１の動作の手順を示すフローチャートである。
スイッチング制御部３５は、高圧側スイッチング素子２１をオンにする（ステップＢ１１）。スイッチング制御部３５は、高圧側スイッチング素子２１をオフにする（ステップＢ１２）。計測部３３は、電圧値Ｖ_DTが電圧値Ｖ_BNKの１／３の電圧値から、電圧値Ｖ_BNKの２／３の電圧値に達するまでの時間ｔ₀を計測する（ステップＢ１３）。演算部３４は、計測された時間の３倍であるデッドタイムｔ₀を演算する（ステップＢ１４）。スイッチング制御部３５は、高圧側スイッチング素子２１をオフにしてから設定時間が経過した後（ステップＢ１５）、低圧側スイッチング素子２２をオンする（ステップＢ１６）。スイッチング制御部３５は、低圧側スイッチング素子２２をオフにする（ステップＢ１７）。

スイッチング制御部３５は、低圧側スイッチング素子２２をオフにしてから設定時間が経過した後（ステップＢ１８）、高圧側スイッチング素子２１をオンする（ステップＢ１９）。スイッチング制御部３５は、高圧側スイッチング素子２１をオフする（ステップＢ２０）。計測部３３は、電圧値Ｖ_DTが電圧値Ｖ_BNKの１／３の電圧値から、電圧値Ｖ_BNKの２／３の電圧値に達するまでの時間ｔ₁を計測する（ステップＢ２１）。演算部３４は、計測された時間の３倍であるデッドタイムｔ₁を演算する（ステップＢ２２）。スイッチング制御部３５は、高圧側スイッチング素子２１をオフにしてからデッドタイム３ｔ₀が経過した後（ステップＢ２３のＹｅｓ）、低圧側スイッチング素子２２をオンする（ステップＢ２４）。スイッチング制御部３５は、低圧側スイッチング素子２２をオフにする（ステップＢ２５）。

スイッチング制御部３５は、低圧側スイッチング素子２２をオフにしてからデッドタイム３ｔ₀が経過した後（ステップＢ２６のＹｅｓ）、高圧側スイッチング素子２１をオンする（ステップＢ２７）。スイッチング制御部３５は、高圧側スイッチング素子２１をオフにする（ステップＢ２８）。計測部３３は、電圧値Ｖ_DTが電圧値Ｖ_BNKの１／３の電圧値から、電圧値Ｖ_BNKの２／３の電圧値に達するまでの時間ｔ₂を計測する（ステップＢ２９）。演算部３４は、計測された時間の３倍であるデッドタイムｔ₂を演算する（ステップＢ３０）。スイッチング制御部３５は、高圧側スイッチング素子２１をオフにしてからデッドタイム３ｔ₀が経過した後（ステップＢ３１のＹｅｓ）、低圧側スイッチング素子２２をオンする（ステップＢ３２）。スイッチング制御部３５は、低圧側スイッチング素子２２をオフにする（ステップＢ３３）。

スイッチング制御部３５は、低圧側スイッチング素子２２をオフにしてからデッドタイム３ｔ₁が経過した後（ステップＢ３４のＹｅｓ）、高圧側スイッチング素子２１をオンする（ステップＢ３５）。スイッチング制御部３５は、高圧側スイッチング素子２１をオフにする（ステップＢ３６）。計測部３３は、電圧値Ｖ_DTが電圧値Ｖ_BNKの１／３の電圧値から、電圧値Ｖ_BNKの２／３の電圧値に達するまでの時間ｔ₁を計測する（ステップＢ３７）。演算部３４は、計測された時間の３倍であるデッドタイムｔ₂を演算する（ステップＢ３８）。スイッチング制御部３５は、高圧側スイッチング素子２１をオフにしてからデッドタイム３ｔ₂が経過した後（ステップＢ３９のＹｅｓ）、低圧側スイッチング素子２２をオンする（ステップＢ４０）。スイッチング制御部３５は、低圧側スイッチング素子２２をオフにする（ステップＢ４１）。

スイッチング制御部３５は、低圧側スイッチング素子２２をオフにしてからデッドタイム３ｔ₁が経過した後（ステップＢ４２のＹｅｓ）、高圧側スイッチング素子２１をオンする（ステップＢ２７）。ＤＣ−ＤＣコンバータ装置１は、順次ステップＢ２８からの処理を実行する。

高圧側スイッチング素子２１および低圧側スイッチング素子２２の一方をオフにした場合、高圧側スイッチング素子２１と低圧側スイッチング素子２２との間の第２の電圧値が直流電源部１０からＬＬＣ共振回路に入力される第１の電圧値より低い第３の電圧値から、第３の電圧値より低い第４の電圧値に達するまでの時間を計測し、計測された時間と、第３の電圧値と第４の電圧値との差と、第１の電圧値とに基づいてデッドタイムを演算し、演算された時間に基づいて低圧側スイッチング素子２２をオフにすることで、高精度のスイッチング制御できるようになる。高精度のスイッチング制御できるようになるので、スイッチング損失を低減することが可能になる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…ＤＣ−ＤＣコンバータ装置、１０…直流電源部、２１…高圧側スイッチング素子、２２…低圧側スイッチング素子、２３．２４…ダイオード、２３…ダイオード、２４…ダイオード、２５…共振用リアクトル、２６…一次インダクタ、２７…キャパシタ、２８…二次インダクタ、３０…コントローラ、３１…第１の電圧測定部、３２…第２の電圧測定部、３３…計測部、３４…演算部、３５…スイッチング制御部

Claims

直流電源部と接続される第１のスイッチング素子と、前記第１のスイッチング素子と接続される第２のスイッチング素子とを備えたＬＬＣ共振回路を有するＤＣ−ＤＣコンバータ装置であって、
前記直流電源部から前記第１のスイッチング素子に入力される第１の電圧値を測定する第１の測定部と、
前記第１のスイッチング素子と前記第２のスイッチング素子との間の第２の電圧値を測定する第２の測定部と、
前記第１のスイッチング素子をオフにした後、前記第２の電圧値が前記第１の電圧値より低い第３の電圧値から、前記第３の電圧値より低い第４の電圧値に達するまでの第１の時間を計測する計測部と、
計測された第１の時間と、前記第３の電圧値と前記第４の電圧値との差と、前記第１の電圧値とに基づいてデッドタイムを演算する演算部と、
前記演算されたデットタイムに基づいて前記第１のスイッチング素子および前記第２のスイッチング素子を制御する制御部と
を具備するＤＣ−ＤＣコンバータ装置。
前記演算されたデッドタイムが第２の時間より長い場合、前記制御部は、前記第２の時間に基づいて前記第１のスイッチング素子および前記第２のスイッチング素子を制御する
請求項１に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ装置。
前記演算されたデッドタイムが第３の時間より短い場合、前記制御部は、前記第３の時間に基づいて前記第１のスイッチング素子および前記第２のスイッチング素子を制御する
請求項１に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ装置。
前記第１のスイッチング素子をオフにしてから所定時間が経過した後、前記制御部は、前記第２のスイッチング素子をオンにし、
前記第２のスイッチング素子のオン後に、前記制御部は、前記第２のスイッチング素子をオフにし、
前記第２のスイッチング素子をオフにしてから前記所定時間が経過した後、前記制御部は、前記第１のスイッチング素子をオンにし、
前記第１のスイッチング素子のオン後に、前記制御部は、前記第１のスイッチング素子をオフにし、
前記第１のスイッチング素子をオフにしてから前記デッドタイムが経過した後、前記制御部は、前記第２のスイッチング素子をオンにする
請求項１に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ装置。
前記第１のスイッチング素子をオフにする度に、前記計測部は、前記第２の電圧値が前記第３の電圧値から、前記第４の電圧値に達するまでの新たな第１の時間を計測し、
前記新たな第１の時間が計測される度に、前記演算部は、新たなデッドタイムを演算し、
前記制御部は、前記新たなデッドタイムに基づいて、前記第１のスイッチング素子および前記第２のスイッチング素子を制御する
請求項１に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ装置。
直流電源部と接続される第１のスイッチング素子と、前記第１のスイッチング素子と接続される第２のスイッチング素子とを備えたＬＬＣ共振回路を有するＤＣ−ＤＣコンバータ装置に用いられるコントローラであって、
前記直流電源部から前記第１のスイッチング素子に入力される第１の電圧値を測定する第１の測定部と、
前記第１のスイッチング素子と前記第２のスイッチング素子との間の第２の電圧値を測定する第２の測定部と、
前記第１のスイッチング素子をオフにした後、前記第２の電圧値が前記第１の電圧値より低い第３の電圧値から、前記第３の電圧値より低い第４の電圧値に達するまでの第１の時間を計測する計測部と、
計測された第１の時間と、前記第３の電圧値と前記第４の電圧値との差と、前記第１の電圧値とに基づいてデッドタイムを演算する演算部と、
前記演算されたデットタイムに基づいて前記第１のスイッチング素子および前記第２のスイッチング素子を制御するスイッチング制御部と
を具備するコントローラ。