JP2018074720A - Voltage converter, step-down control method of voltage conversion circuit, and computer program - Google Patents

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隆章 佐野
将義 廣田
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a voltage converter which can reduce a loss of a switching element when a so-called soft switching is performed by using an LC resonance and even when no zero-cross point exists in a resonance current, a step-down control method of a voltage conversion circuit, and a computer program.SOLUTION: A control portion in a voltage converter operates in a first mode flowing a resonance current by a first inductor and a capacitor by turning on a high-pressure side switching element, calculates a timing when the resonance current becomes minimum, operates in a second mode flowing a reflux current of a second inductor to a low-pressure side switching element or the capacitor by turning off the high-pressure side switching element at the calculated timing, and shifts to the first mode by turning on the high-pressure side switching element after the operation in the second mode.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、直流電圧を電圧変換する電圧変換装置、電圧変換回路の降圧制御方法及びコンピュータプログラムに関する。   The present invention relates to a voltage conversion device that converts a DC voltage into a voltage, a step-down control method for a voltage conversion circuit, and a computer program.

直流電圧を昇降圧するDC−DCコンバータ(以下、単にコンバータという)が車載機器や産業用機器の電源として広く用いられている。電源の小型化の要請に応えて容積が小さいインダクタ、キャパシタ等の受動部品を利用可能にするために、コンバータの動作周波数は引き上げられる傾向にある。一方で、動作周波数が高いほどインダクタに流れる電流をスイッチングするスイッチング素子のスイッチング損失が増大するという別の問題が顕著になる。   A DC-DC converter (hereinafter simply referred to as a converter) that steps up and down a DC voltage is widely used as a power source for in-vehicle devices and industrial devices. In response to the demand for miniaturization of power supplies, the operating frequency of converters tends to be increased in order to make it possible to use passive components such as inductors and capacitors having a small volume. On the other hand, another problem that the switching loss of the switching element that switches the current flowing through the inductor increases as the operating frequency increases.

これに対し、特許文献1には、入力電圧をスイッチングするトランジスタ(スイッチング素子)に直列接続された共振用リアクトル(インダクタ)と共振用コンデンサ(キャパシタ)とで構成された共振回路に流れる共振電流が0以下になる時点でトランジスタをオンからオフに切り替える降圧型のコンバータが開示されている。このようなゼロ電流スイッチングを行うことにより、インダクタに流れる電流をスイッチングするトランジスタのスイッチング損失が低減される。   On the other hand, Patent Document 1 discloses a resonance current flowing in a resonance circuit composed of a resonance reactor (inductor) and a resonance capacitor (capacitor) connected in series to a transistor (switching element) that switches an input voltage. A step-down converter is disclosed in which a transistor is switched from on to off when it becomes 0 or less. By performing such zero current switching, the switching loss of the transistor that switches the current flowing through the inductor is reduced.

特許文献1に開示されたコンバータは、トランジスタのオン時点から、共振用リアクトルにゼロ以上の共振電流iが流れている時間To=Tn・(1+Zn・Io/Vi)/2が経過した時点でトランジスタをオンからオフに切り替える構成が基本になっている。また、共振電流iが所定電流以下となった時点から、共振電流iが確実にゼロ以下になる所定時間後にトランジスタをオンからオフに切り替える構成等も開示されている。   The converter disclosed in Patent Document 1 is a transistor at the time when a time To = Tn · (1 + Zn · Io / Vi) / 2 during which a resonance current i of zero or more flows through a resonance reactor from the time when the transistor is turned on. The basic configuration is to switch from on to off. Also disclosed is a configuration in which the transistor is switched from on to off after a predetermined time when the resonance current i becomes equal to or less than zero after the resonance current i becomes equal to or less than the predetermined current.

特開2002−58240号公報JP 2002-58240 A

しかしながら、特許文献1に開示されたコンバータは、共振電流iがゼロ以下になる期間が存在してゼロクロス点が存在することを前提としており、例えば出力電流が増大して共振電流iのゼロクロス点が存在しなくなる場合に、トランジスタのスイッチング損失を低減できるものではなかった。   However, the converter disclosed in Patent Document 1 is based on the premise that there is a period during which the resonance current i is less than or equal to zero and there is a zero cross point. For example, the output current increases and the zero cross point of the resonance current i increases. When it does not exist, the switching loss of the transistor cannot be reduced.

本発明は、斯かる事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、LC共振を用いて所謂ソフトスイッチングを行う場合、共振電流にゼロクロス点が存在しない場合であってもスイッチング素子の損失を低減することが可能な電圧変換装置、電圧変換回路の降圧制御方法及びコンピュータプログラムを提供することにある。   The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to perform a so-called soft switching using LC resonance, and even if a zero cross point does not exist in the resonance current, the switching element It is an object to provide a voltage conversion device, a voltage conversion circuit step-down control method, and a computer program capable of reducing loss of power.

本発明の一態様に係る電圧変換装置は、第1インダクタと、該第1インダクタを介して直列に接続された高圧側スイッチング素子及び低圧側スイッチング素子と、前記第1インダクタ及び前記低圧側スイッチング素子の接続点に一端が接続された第2インダクタと、前記低圧側スイッチング素子に並列に接続されたキャパシタとを有する電圧変換回路、及び前記高圧側スイッチング素子をオン/オフして前記電圧変換回路に降圧変換させる制御部を備える電圧変換装置であって、前記制御部は、前記高圧側スイッチング素子をオンして前記第1インダクタ及び前記キャパシタによる共振電流を流す第1モードで動作させ、前記高圧側スイッチング素子をオンしてから前記共振電流が極小となるまでの時間を算出し、算出した時間の経過時に前記高圧側スイッチング素子をオフして前記低圧側スイッチング素子又は前記キャパシタに前記第2インダクタの還流電流を流す第2モードで動作させ、該第2モードでの動作後に前記高圧側スイッチング素子をオンして前記第1モードへ移行させる。   A voltage conversion device according to an aspect of the present invention includes a first inductor, a high-voltage side switching element and a low-voltage side switching element connected in series via the first inductor, the first inductor and the low-voltage side switching element. A voltage conversion circuit having a second inductor having one end connected to the connection point of the capacitor and a capacitor connected in parallel to the low-voltage side switching element, and turning on / off the high-voltage side switching element to the voltage conversion circuit A voltage conversion device including a control unit that performs step-down conversion, wherein the control unit turns on the high-voltage side switching element to operate in a first mode in which a resonance current is generated by the first inductor and the capacitor, and the high-voltage side Calculate the time from when the switching element is turned on until the resonance current becomes minimum. The high-voltage side switching element is turned off, and the low-voltage side switching element or the capacitor is operated in the second mode in which the return current of the second inductor flows. After the operation in the second mode, the high-voltage side switching element is turned on. The mode is shifted to the first mode.

本発明の一態様に係る電圧変換回路の降圧制御方法は、第1インダクタと、該第1インダクタを介して直列に接続された高圧側スイッチング素子及び低圧側スイッチング素子と、前記第1インダクタ及び前記低圧側スイッチング素子の接続点に一端が接続された第2インダクタと、前記低圧側スイッチング素子に並列に接続されたキャパシタとを有する電圧変換回路、及び前記高圧側スイッチング素子をオン/オフする制御部を備える電圧変換装置における前記制御部で前記電圧変換回路に降圧変換させる制御方法であって、前記高圧側スイッチング素子をオンして前記第1インダクタ及び前記キャパシタによる共振電流を流す第1モードで動作させ、前記高圧側スイッチング素子をオンしてから前記共振電流が極小となるまでの時間を算出し、算出した時間の経過時に前記高圧側スイッチング素子をオフして前記低圧側スイッチング素子又は前記キャパシタに前記第2インダクタの還流電流を流す第2モードで動作させ、該第2モードでの動作後に前記高圧側スイッチング素子をオンして前記第1モードへ移行させる。   A step-down control method for a voltage conversion circuit according to an aspect of the present invention includes a first inductor, a high-voltage side switching element and a low-voltage side switching element connected in series via the first inductor, the first inductor, A voltage conversion circuit having a second inductor having one end connected to a connection point of the low-voltage side switching element, a capacitor connected in parallel to the low-voltage side switching element, and a control unit for turning on / off the high-voltage side switching element In the voltage conversion apparatus comprising: a control method in which the control unit performs step-down conversion in the voltage conversion circuit, wherein the high-voltage side switching element is turned on to operate in a first mode in which a resonance current from the first inductor and the capacitor flows. And calculate the time from when the high-voltage side switching element is turned on until the resonance current is minimized. The high-voltage side switching element is turned off when the calculated time has elapsed, and the low-voltage side switching element or the capacitor is operated in the second mode in which the return current of the second inductor flows, and after the operation in the second mode, The high-voltage side switching element is turned on to shift to the first mode.

本発明の一態様に係るコンピュータプログラムは、第1インダクタと、該第1インダクタを介して直列に接続された高圧側スイッチング素子及び低圧側スイッチング素子と、前記第1インダクタ及び前記低圧側スイッチング素子の接続点に一端が接続された第2インダクタと、前記低圧側スイッチング素子に並列に接続されたキャパシタとを有する電圧変換回路、及び前記高圧側スイッチング素子をオン/オフする制御部を備える電圧変換装置における前記制御部で前記電圧変換回路に降圧変換させるためのコンピュータプログラムであって、前記制御部に、前記高圧側スイッチング素子をオンして前記第1インダクタ及び前記キャパシタによる共振電流を流す第1モードで動作させるステップと、前記高圧側スイッチング素子をオンしてから前記共振電流が極小となるまでの時間を算出するステップと、算出した時間の経過時に前記高圧側スイッチング素子をオフして前記低圧側スイッチング素子又は前記キャパシタに前記第2インダクタの還流電流を流す第2モードで動作させるステップと、該第2モードでの動作後に前記高圧側スイッチング素子をオンして前記第1モードへ移行させるステップとを実行させる。   A computer program according to an aspect of the present invention includes a first inductor, a high-voltage side switching element and a low-voltage side switching element connected in series via the first inductor, and the first inductor and the low-voltage side switching element. A voltage converter comprising a second inductor having one end connected to a connection point, a capacitor connected in parallel to the low-voltage side switching element, and a control unit for turning on / off the high-voltage side switching element A first computer program for causing the voltage conversion circuit to perform step-down conversion in the control unit in the first mode in which the high-voltage side switching element is turned on and a resonance current from the first inductor and the capacitor is supplied to the control unit. And the high voltage side switching element is turned on. Calculating a time until the resonance current becomes minimum, and turning off the high-voltage side switching element when the calculated time elapses, and causing a reflux current of the second inductor to flow through the low-voltage side switching element or the capacitor. A step of operating in the second mode, and a step of turning on the high-voltage side switching element and shifting to the first mode after the operation in the second mode.

なお、本願は、このような特徴的な処理部及びステップを夫々備える電圧変換装置、及び電圧変換回路の降圧制御方法として実現したり、かかる特徴的な処理部に対応するステップをコンピュータに実行させるためのコンピュータプログラムとして実現したりすることができるだけでなく、電圧変換装置の一部又は全部を半導体集積回路として実現したり、電圧変換装置を含むその他のシステムとして実現したりすることができる。   In addition, this application is implement | achieved as a step-down control method of the voltage converter and voltage converter circuit which each have such a characteristic process part and step, or makes a computer perform the step corresponding to this characteristic process part For example, a part or all of the voltage conversion device can be realized as a semiconductor integrated circuit, or can be realized as another system including the voltage conversion device.

上記によれば、LC共振を用いて所謂ソフトスイッチングを行う場合、共振電流にゼロクロス点が存在しない場合であってもスイッチング素子の損失を低減することが可能となる。   According to the above, when so-called soft switching is performed using LC resonance, it is possible to reduce the loss of the switching element even when there is no zero cross point in the resonance current.

実施形態に係る電圧変換装置の構成例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structural example of the voltage converter which concerns on embodiment. 電圧変換回路の降圧動作時における各部の波形の一例を示すタイミングチャートである。It is a timing chart which shows an example of the waveform of each part at the time of the pressure | voltage fall operation of a voltage converter circuit. 電圧変換回路の降圧動作における状態D1の一例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows an example of the state D1 in the pressure | voltage fall operation | movement of a voltage converter circuit. 電圧変換回路の降圧動作における状態D2の一例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows an example of the state D2 in the pressure | voltage fall operation | movement of a voltage converter circuit. 電圧変換回路の降圧動作における状態D3の一例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows an example of the state D3 in the pressure | voltage fall operation | movement of a voltage converter circuit. 電圧変換回路の降圧動作における状態D4の一例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows an example of the state D4 in the pressure | voltage fall operation | movement of a voltage converter circuit. 電圧変換回路が状態D4を抜けてから状態D1,D2を経て状態D3に切り替わるまでの各部の波形を模式的に示すタイミングチャートである。It is a timing chart which shows typically the waveform of each part after a voltage conversion circuit passes through state D4, changes to state D3 through states D1 and D2. 電圧変換回路に降圧変換させるCPUの処理手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the process sequence of CPU which makes a voltage conversion circuit carry out step-down conversion.

[本発明の実施形態の説明]
最初に本発明の実施態様を列記して説明する。また、以下に記載する実施形態の少なくとも一部を任意に組み合わせてもよい。
[Description of Embodiment of the Present Invention]
First, embodiments of the present invention will be listed and described. Moreover, you may combine arbitrarily at least one part of embodiment described below.

(1)本発明の一態様に係る電圧変換装置は、第1インダクタと、該第1インダクタを介して直列に接続された高圧側スイッチング素子及び低圧側スイッチング素子と、前記第1インダクタ及び前記低圧側スイッチング素子の接続点に一端が接続された第2インダクタと、前記低圧側スイッチング素子に並列に接続されたキャパシタとを有する電圧変換回路、及び前記高圧側スイッチング素子をオン/オフして前記電圧変換回路に降圧変換させる制御部を備える電圧変換装置であって、前記制御部は、前記高圧側スイッチング素子をオンして前記第1インダクタ及び前記キャパシタによる共振電流を流す第1モードで動作させ、前記高圧側スイッチング素子をオンしてから前記共振電流が極小となるまでの時間を算出し、算出した時間の経過時に前記高圧側スイッチング素子をオフして前記低圧側スイッチング素子又は前記キャパシタに前記第2インダクタの還流電流を流す第2モードで動作させ、該第2モードでの動作後に前記高圧側スイッチング素子をオンして前記第1モードへ移行させる。 (1) A voltage converter according to an aspect of the present invention includes a first inductor, a high-voltage side switching element and a low-voltage side switching element connected in series via the first inductor, the first inductor, and the low-voltage A voltage conversion circuit having a second inductor having one end connected to a connection point of the side switching element, and a capacitor connected in parallel to the low voltage side switching element, and the voltage by turning on / off the high voltage side switching element A voltage converter including a control unit for step-down conversion in a conversion circuit, wherein the control unit turns on the high-voltage side switching element to operate in a first mode in which a resonance current is generated by the first inductor and the capacitor, Calculate the time from when the high-voltage side switching element is turned on until the resonance current becomes minimum, and the elapsed time The high-voltage side switching element is turned off, and the low-voltage side switching element or the capacitor is operated in the second mode in which the return current of the second inductor flows, and the high-voltage side switching element is turned on after the operation in the second mode. Then, the mode is shifted to the first mode.

(4)本発明の一態様に係る電圧変換回路の降圧制御方法は、第1インダクタと、該第1インダクタを介して直列に接続された高圧側スイッチング素子及び低圧側スイッチング素子と、前記第1インダクタ及び前記低圧側スイッチング素子の接続点に一端が接続された第2インダクタと、前記低圧側スイッチング素子に並列に接続されたキャパシタとを有する電圧変換回路、及び前記高圧側スイッチング素子をオン/オフする制御部を備える電圧変換装置における前記制御部で前記電圧変換回路に降圧変換させる制御方法であって、前記高圧側スイッチング素子をオンして前記第1インダクタ及び前記キャパシタによる共振電流を流す第1モードで動作させ、前記高圧側スイッチング素子をオンしてから前記共振電流が極小となるまでの時間を算出し、算出した時間の経過時に前記高圧側スイッチング素子をオフして前記低圧側スイッチング素子又は前記キャパシタに前記第2インダクタの還流電流を流す第2モードで動作させ、該第2モードでの動作後に前記高圧側スイッチング素子をオンして前記第1モードへ移行させる。 (4) A step-down control method for a voltage conversion circuit according to an aspect of the present invention includes a first inductor, a high-voltage side switching element and a low-voltage side switching element connected in series via the first inductor, and the first A voltage conversion circuit having a second inductor having one end connected to a connection point between the inductor and the low-voltage side switching element, and a capacitor connected in parallel to the low-voltage side switching element, and turning on / off the high-voltage side switching element In the voltage conversion apparatus including the control unit, the control unit causes the voltage conversion circuit to step down the voltage conversion circuit, and the first switching element is turned on to flow a resonance current from the first inductor and the capacitor. Time from when the high-voltage side switching element is turned on until the resonance current becomes minimum When the calculated time elapses, the high-voltage side switching element is turned off and the low-voltage side switching element or the capacitor is operated in the second mode in which the return current of the second inductor flows, and the operation in the second mode is performed. Later, the high-voltage side switching element is turned on to shift to the first mode.

(5)本発明の一態様に係るコンピュータプログラムは、第1インダクタと、該第1インダクタを介して直列に接続された高圧側スイッチング素子及び低圧側スイッチング素子と、前記第1インダクタ及び前記低圧側スイッチング素子の接続点に一端が接続された第2インダクタと、前記低圧側スイッチング素子に並列に接続されたキャパシタとを有する電圧変換回路、及び前記高圧側スイッチング素子をオン/オフする制御部を備える電圧変換装置における前記制御部で前記電圧変換回路に降圧変換させるためのコンピュータプログラムであって、前記制御部に、前記高圧側スイッチング素子をオンして前記第1インダクタ及び前記キャパシタによる共振電流を流す第1モードで動作させるステップと、前記高圧側スイッチング素子をオンしてから前記共振電流が極小となるまでの時間を算出するステップと、算出した時間の経過時に前記高圧側スイッチング素子をオフして前記低圧側スイッチング素子又は前記キャパシタに前記第2インダクタの還流電流を流す第2モードで動作させるステップと、該第2モードでの動作後に前記高圧側スイッチング素子をオンして前記第1モードへ移行させるステップとを実行させる。 (5) A computer program according to an aspect of the present invention includes a first inductor, a high-voltage side switching element and a low-voltage side switching element connected in series via the first inductor, the first inductor and the low-voltage side A voltage conversion circuit having a second inductor having one end connected to a connection point of the switching element; a capacitor connected in parallel to the low-voltage side switching element; and a control unit for turning on / off the high-voltage side switching element. A computer program for causing the voltage conversion circuit to perform step-down conversion in the control unit in the voltage conversion device, wherein the high-voltage side switching element is turned on and a resonance current caused by the first inductor and the capacitor is supplied to the control unit. A step of operating in the first mode, and turning on the high-voltage side switching element; Calculating the time from when the resonance current becomes minimum, and turning off the high-voltage side switching element when the calculated time elapses to supply the return current of the second inductor to the low-voltage side switching element or the capacitor. A step of operating in the second mode of flowing, and a step of turning on the high-voltage side switching element and shifting to the first mode after the operation in the second mode.

本態様にあっては、電圧変換回路にて、高圧側スイッチング素子と、第1インダクタと、両端にキャパシタが接続された低圧側スイッチング素子とがこの順序で接続されており、第1インダクタ及び低圧側スイッチング素子の接続点に第2インダクタの一端が接続されている。制御部が高圧側スイッチング素子をオン/オフすることにより、電圧変換回路の高圧側に入力された電圧が降圧されて低圧側に出力される。   In this aspect, in the voltage conversion circuit, the high-voltage side switching element, the first inductor, and the low-voltage side switching element having capacitors connected to both ends are connected in this order. One end of the second inductor is connected to the connection point of the side switching element. When the control unit turns on / off the high-voltage side switching element, the voltage input to the high-voltage side of the voltage conversion circuit is stepped down and output to the low-voltage side.

制御部は、電圧変換回路について、低圧側スイッチング素子をオフした状態で高圧側スイッチング素子をオンして第1インダクタ及びキャパシタによる共振電流を流す第1モードで動作させる。第1モードでは、共振電流がキャパシタに流入してキャパシタの電圧が上昇し始め、第2インダクタにエネルギーが蓄積される。その後、共振電流が反転してキャパシタの電圧が低下し始め、高圧側スイッチング素子の電流が減少する。   The control unit operates the voltage conversion circuit in a first mode in which the high-voltage side switching element is turned on while the low-voltage side switching element is turned off, and a resonance current is generated by the first inductor and the capacitor. In the first mode, the resonance current flows into the capacitor, the capacitor voltage starts to rise, and energy is stored in the second inductor. Thereafter, the resonance current is reversed, the voltage of the capacitor starts to decrease, and the current of the high-voltage side switching element decreases.

制御部は、第1モードにて高圧側スイッチング素子に流れる共振電流が極小となるであろう時刻を算出し、算出した時刻で高圧側スイッチング素子をオフして低圧側スイッチング素子又はキャパシタに第2インダクタの還流電流を流す第2モードで動作させる。その後、制御部は、第2モードにて高圧側スイッチング素子をオンして第1モードへ移行させる。高圧側スイッチング素子に流れる共振電流が極小となった時、又は高圧側スイッチング素子の電圧が0Vに近い時に高圧側スイッチング素子がオフするので、高圧側スイッチング素子がオフするときの電圧×電流で表されるスイッチング損失が低減される。   The control unit calculates a time at which the resonance current flowing through the high-voltage side switching element is minimized in the first mode, turns off the high-voltage side switching element at the calculated time, and supplies the second voltage to the low-voltage side switching element or capacitor. The operation is performed in the second mode in which the return current of the inductor flows. Then, a control part turns on a high voltage | pressure side switching element in 2nd mode, and makes it transfer to 1st mode. Since the high-voltage side switching element is turned off when the resonance current flowing through the high-voltage side switching element is minimized, or when the voltage of the high-voltage side switching element is close to 0 V, it is expressed as voltage x current when the high-voltage side switching element is turned off. Switching loss is reduced.

(2)前記制御部は、以下の式に基づいて前記共振電流が極小となるまでの時間を算出することが好ましい。
Tmi=(Lr1/Vi){Io−Vi(1−D)D/(2Lr2fs)}
+(3/4)Tr
但し、
Tmi:前記共振電流が極小となるまでの時間
Lr1:前記第1インダクタのインダクタンス
Vi:前記電圧変換回路の入力電圧
Io:前記電圧変換回路の出力電流
D:前記高圧側スイッチング素子の目標のデューティ比
Lr2:前記第2インダクタのインダクタンス(Lr2>>Lr1)
fs:前記高圧側スイッチング素子のスイッチング周波数
Tr:2π√(Lr1Cr1)
Cr1:前記キャパシタのキャパシタンス
(2) It is preferable that the said control part calculates time until the said resonance current becomes minimum based on the following formula | equation.
Tmi = (Lr1 / Vi) {Io-Vi (1-D) D / (2Lr2fs)}
+ (3/4) Tr
However,
Tmi: Time until the resonance current becomes minimum Lr1: Inductance of the first inductor Vi: Input voltage of the voltage conversion circuit Io: Output current of the voltage conversion circuit D: Target duty ratio of the high-voltage side switching element Lr2: inductance of the second inductor (Lr2 >> Lr1)
fs: switching frequency of the high-voltage side switching element Tr: 2π√ (Lr1Cr1)
Cr1: Capacitance of the capacitor

本態様にあっては、高圧側スイッチング素子をオンしてから上記共振電流が極小となるまでの時間が式に基づいて算出される。   In this aspect, the time from when the high-voltage side switching element is turned on until the resonance current is minimized is calculated based on the equation.

(3)前記制御部は、前記低圧側スイッチング素子の電圧を検出するようにしてあり、前記第2モードで前記低圧側スイッチング素子の電圧が所定の電圧閾値より低い場合、前記低圧側スイッチング素子をオンし、該低圧側スイッチング素子をオフした後に前記高圧側スイッチング素子をオンすることが好ましい。 (3) The control unit is configured to detect a voltage of the low-voltage side switching element, and when the voltage of the low-voltage side switching element is lower than a predetermined voltage threshold in the second mode, It is preferable that the high voltage side switching element is turned on after the low voltage side switching element is turned on.

本態様にあっては、制御部は、第2モードにおける低圧側スイッチング素子の電圧が所定の電圧閾値より低くなった場合、低圧側スイッチング素子をオンし、第1モードに移行させるために高圧側スイッチング素子をオンする前に低圧側スイッチング素子をオフする。低圧側スイッチング素子の電圧が比較的低い場合に低圧側スイッチング素子がオンするので、低圧側スイッチング素子がオンするときの電圧×電流で表されるスイッチング損失が低減される。   In this aspect, the control unit turns on the low-voltage side switching element when the voltage of the low-voltage side switching element in the second mode is lower than the predetermined voltage threshold value, and shifts to the first mode. Before the switching element is turned on, the low voltage side switching element is turned off. Since the low voltage side switching element is turned on when the voltage of the low voltage side switching element is relatively low, the switching loss represented by the voltage × current when the low voltage side switching element is turned on is reduced.

[本発明の実施形態の詳細]
本発明の実施形態に係る電圧変換装置、電圧変換回路の降圧制御方法及びコンピュータプログラムの具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。また、各実施形態で記載されている技術的特徴は、お互いに組み合わせることが可能である。
[Details of the embodiment of the present invention]
Specific examples of a voltage conversion device, a voltage conversion circuit step-down control method, and a computer program according to embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In addition, this invention is not limited to these illustrations, is shown by the claim, and intends that all the changes within the meaning and range equivalent to a claim are included. In addition, the technical features described in each embodiment can be combined with each other.

(実施形態)
図1は、実施形態に係る電圧変換装置の構成例を示すブロック図である。電圧変換装置は、電圧変換回路1と、該電圧変換回路1による電圧の変換を制御する制御部5とを備える。電圧変換回路1は、高圧側の端子H,Gから供給された電圧を降圧して低圧側の端子L,Gから並列に出力する。端子H,G間にはキャパシタ41が接続されており、例えばリチウムイオン電池等の比較的高圧のバッテリが外部に接続される。端子L,G間にはキャパシタ42が接続されており、例えば鉛蓄電池等の比較的低圧のバッテリが外部に接続される。電圧変換装置は、端子L,Gから供給された電圧を昇圧して端子H,Gから並列に出力する昇圧動作が可能である。
(Embodiment)
FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration example of the voltage conversion device according to the embodiment. The voltage conversion apparatus includes a voltage conversion circuit 1 and a control unit 5 that controls voltage conversion by the voltage conversion circuit 1. The voltage conversion circuit 1 steps down the voltage supplied from the high-voltage side terminals H and G and outputs the voltage from the low-voltage side terminals L and G in parallel. A capacitor 41 is connected between the terminals H and G, and a relatively high voltage battery such as a lithium ion battery is connected to the outside. A capacitor 42 is connected between the terminals L and G, and a relatively low voltage battery such as a lead storage battery is connected to the outside. The voltage converter can perform a boosting operation in which the voltage supplied from the terminals L and G is boosted and output in parallel from the terminals H and G.

電圧変換回路1は、第1インダクタL1と、該第1インダクタL1を介して端子H,G間に直列に接続された高圧側スイッチング素子Q1及び低圧側スイッチング素子Q2(以下、高圧側及び低圧側スイッチング素子を単にSW素子ともいう)と、第1インダクタL1及びSW素子Q2の接続点に一端が接続された第2インダクタL2(以下、第1及び第2インダクタを単にインダクタという)と、SW素子Q2の両端に接続されたキャパシタC1とを有する。インダクタL2は、他端が端子Lに接続されている。SW素子Q2をアノードが端子Gに接続されたダイオードに置き換えてもよい。   The voltage conversion circuit 1 includes a first inductor L1, and a high-voltage side switching element Q1 and a low-voltage side switching element Q2 (hereinafter, high-voltage side and low-voltage side) connected in series between the terminals H and G via the first inductor L1. A switching element is also simply referred to as an SW element), a second inductor L2 having one end connected to a connection point between the first inductor L1 and the SW element Q2 (hereinafter, the first and second inductors are simply referred to as an inductor), and an SW element. And a capacitor C1 connected to both ends of Q2. The other end of the inductor L2 is connected to the terminal L. The SW element Q2 may be replaced with a diode whose anode is connected to the terminal G.

SW素子Q1は、ドレインが端子Hに接続されており、ゲートが制御部5に接続されている。SW素子Q2は、ソースが端子Gに接続されており、ゲートが制御部5に接続されている。ここでのSW素子は、Nチャネル型のMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)であるが、これに限定されるものではなく、例えばバイポーラトランジスタ、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等の他のスイッチング素子であってもよい。   The SW element Q <b> 1 has a drain connected to the terminal H and a gate connected to the control unit 5. The SW element Q <b> 2 has a source connected to the terminal G and a gate connected to the control unit 5. Here, the SW element is an N-channel MOSFET (Metal Oxide Field Effect Transistor), but is not limited to this, and other switching elements such as a bipolar transistor, an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), and the like. It may be.

電圧変換回路1は、更に、SW素子Q1及びインダクタL1の接続点にドレインが接続されたSW素子Q3と、出力電流を検出する電流センサA1とを有する。SW素子Q3は、ソースが端子Gに接続されており、ゲートが制御部5に接続されている。電流センサA1の検出端子は、制御部5に接続されている。本実施形態では、SW素子Q3をアノードが端子Gに接続されたダイオードに置き換えてもよい。   The voltage conversion circuit 1 further includes a SW element Q3 having a drain connected to a connection point between the SW element Q1 and the inductor L1, and a current sensor A1 that detects an output current. The SW element Q <b> 3 has a source connected to the terminal G and a gate connected to the control unit 5. The detection terminal of the current sensor A1 is connected to the control unit 5. In the present embodiment, the SW element Q3 may be replaced with a diode whose anode is connected to the terminal G.

制御部5は、不図示のCPU(Central Processing Unit)を有し、例えば予めROM(Read Only Memory)に記憶された制御プログラムに従って各部の動作を制御すると共に、入出力、演算等の処理を行う。CPUによる各処理の手順を定めたコンピュータプログラムを、不図示の手段を用いて予めRAM(Random Access Memory)にロードし、ロードされたコンピュータプログラムをCPUで実行するようにしてもよいし、制御部5を専用のハードウェア回路で構成してもよい。   The control unit 5 includes a CPU (Central Processing Unit) (not shown), and controls the operation of each unit according to a control program stored in advance in a ROM (Read Only Memory), and performs processing such as input / output and calculation. . A computer program that defines the procedure of each process by the CPU may be loaded in advance into a RAM (Random Access Memory) using means (not shown), and the loaded computer program may be executed by the CPU. 5 may be configured by a dedicated hardware circuit.

制御部5は、SW素子Q1を適時オン/オフする。制御部5は、また、キャパシタC1の電圧(即ち、SW素子Q2のドレインの電圧)を検出し、これらの検出結果に基づいて、SW素子Q2を適時オン/オフする。制御部5は、更に、電流センサA1の検出結果を取り込んで、後述する転流期間の長さの算出に用いる。   Control unit 5 turns on / off SW element Q1 in a timely manner. The control unit 5 also detects the voltage of the capacitor C1 (that is, the voltage of the drain of the SW element Q2), and turns on / off the SW element Q2 in a timely manner based on these detection results. The control unit 5 further captures the detection result of the current sensor A1 and uses it for calculating the length of the commutation period described later.

図2は、電圧変換回路1の降圧動作時における各部の波形の一例を示すタイミングチャートである。図2に示す5つのタイミングチャートは、何れも同一の時間軸(t)を横軸にしてあり、図の上段から順に、SW素子Q1、インダクタL1、キャパシタC1、SW素子Q2及びインダクタL2の電圧波形及び電流波形を示す。図中の太い実線は電圧を示し、細い実線は電流を示す。特にSW素子Q1及びQ2については、ゲートに印加される制御電圧を破線で示してある。本実施形態では、端子Hから端子Lに向かう方向を、インダクタL1、インダクタL2及びSW素子Q1の電流の向きとする。また、インダクタL2の一端から端子Gに向かう方向をキャパシタC1の電流の向きとし、その逆方向をSW素子Q2の電流の向きとする。   FIG. 2 is a timing chart showing an example of the waveform of each part during the step-down operation of the voltage conversion circuit 1. The five timing charts shown in FIG. 2 all have the same time axis (t) as the horizontal axis, and the voltage of the SW element Q1, the inductor L1, the capacitor C1, the SW element Q2, and the inductor L2 in order from the top of the figure. A waveform and a current waveform are shown. The thick solid line in the figure indicates the voltage, and the thin solid line indicates the current. Particularly for the SW elements Q1 and Q2, the control voltage applied to the gate is indicated by a broken line. In the present embodiment, the direction from the terminal H to the terminal L is the current direction of the inductor L1, the inductor L2, and the SW element Q1. The direction from one end of the inductor L2 toward the terminal G is the current direction of the capacitor C1, and the opposite direction is the current direction of the SW element Q2.

以下では、図2に示す状態D1からD4における電圧変換回路1の降圧動作について状態毎に説明する。状態D1からD4までが、1つのスイッチング周期に相当する。なお、図3から図6までの説明図では、SW素子Q3の図示を省略する。図3は、電圧変換回路1の降圧動作における状態D1の一例を示す説明図である。状態D1は第1モードに対応する。制御部5は、SW素子Q2をオフした状態でSW素子Q1をオンすることにより、電圧変換回路1を、インダクタL1及びキャパシタC1に正弦波状の共振電流を流す第1モードで動作させる。第1モードでは、端子HからSW素子Q1及びインダクタL1を介して電流が流入し、インダクタL2を介して端子Lから電流が流出する。   Hereinafter, the step-down operation of the voltage conversion circuit 1 in the states D1 to D4 illustrated in FIG. 2 will be described for each state. States D1 to D4 correspond to one switching cycle. In the explanatory diagrams from FIG. 3 to FIG. 6, illustration of the SW element Q3 is omitted. FIG. 3 is an explanatory diagram illustrating an example of the state D1 in the step-down operation of the voltage conversion circuit 1. State D1 corresponds to the first mode. The control unit 5 operates the voltage conversion circuit 1 in the first mode in which a sinusoidal resonance current flows through the inductor L1 and the capacitor C1 by turning on the SW element Q1 with the SW element Q2 turned off. In the first mode, a current flows from the terminal H via the SW element Q1 and the inductor L1, and a current flows from the terminal L via the inductor L2.

図3に示す状態D1では、正弦波状に上昇するキャパシタC1の電圧が端子H,G間の電圧より低い間、インダクタL1の電流が正弦波状に増加し続け、キャパシタC1の電圧が端子H,G間の電圧より高くなった後は、インダクタL1の電流が減少に転じる。この間、インダクタL1の電圧は正弦波状に低下し続ける。状態D1の間、キャパシタC1の電圧は時間の経過と共に上昇し続ける。   In the state D1 shown in FIG. 3, while the voltage of the capacitor C1 rising in a sine wave is lower than the voltage between the terminals H and G, the current of the inductor L1 continues to increase in a sine wave, and the voltage of the capacitor C1 is increased to the terminals H and G. After becoming higher than the voltage between, the current of the inductor L1 starts to decrease. During this time, the voltage of the inductor L1 continues to decrease in a sine wave shape. During the state D1, the voltage of the capacitor C1 continues to rise with time.

図4は、電圧変換回路1の降圧動作における状態D2の一例を示す説明図である。状態D2も第1モードに対応する。図3に示す状態D1でキャパシタC1に流れる共振電流の向きが逆転して、キャパシタC1の電圧が上昇から低下に転じた場合、電圧変換回路1が状態D2となる。状態D2では、キャパシタC1の放電電流がインダクタL2を介して端子L側に流れる。キャパシタC1の電圧が端子H,G間の電圧より高い間は、インダクタL1の電流が減少し続ける。   FIG. 4 is an explanatory diagram illustrating an example of the state D2 in the step-down operation of the voltage conversion circuit 1. State D2 also corresponds to the first mode. When the direction of the resonance current flowing in the capacitor C1 is reversed in the state D1 shown in FIG. 3 and the voltage of the capacitor C1 changes from rising to lowering, the voltage conversion circuit 1 becomes the state D2. In the state D2, the discharge current of the capacitor C1 flows to the terminal L side through the inductor L2. While the voltage of the capacitor C1 is higher than the voltage between the terminals H and G, the current of the inductor L1 continues to decrease.

図5は、電圧変換回路1の降圧動作における状態D3の一例を示す説明図である。状態D3は第2モードに対応する。図4に示す状態D2において、SW素子Q1及びインダクタL1に流れる正弦波状の電流が極小になるか又は電流の向きが逆転して寄生ダイオードに電流が流れた場合、制御部5がSW素子Q1をオフすることにより、電圧変換回路1が状態D3となる。これにより、SW素子Q1の電流が極小である時に、又はSW素子Q1の電圧が0Vに近い間にSW素子Q1がオフするため、SW素子Q1のスイッチング損失が低減される。状態D3では、当初、インダクタL2の還流電流がキャパシタC1に流れる。   FIG. 5 is an explanatory diagram illustrating an example of the state D3 in the step-down operation of the voltage conversion circuit 1. State D3 corresponds to the second mode. In the state D2 shown in FIG. 4, when the sinusoidal current flowing through the SW element Q1 and the inductor L1 is minimized or the direction of the current is reversed and the current flows through the parasitic diode, the control unit 5 switches the SW element Q1. By turning off, the voltage conversion circuit 1 enters the state D3. As a result, the SW element Q1 is turned off when the current of the SW element Q1 is minimal or while the voltage of the SW element Q1 is close to 0V, so that the switching loss of the SW element Q1 is reduced. In the state D3, initially, the return current of the inductor L2 flows through the capacitor C1.

状態D2でインダクタL1の電流がゼロに近い電流になる前に制御部5がSW素子Q1をオフした場合、インダクタL1にサージ電圧が発生することがある。一方、本実施形態ではSW素子Q1及びインダクタL1の接続点と端子Gとの間にSW素子Q3が接続されている。このため、SW素子Q1がオフする前にインダクタL1に流れていた電流は、引き続きSW素子Q3の寄生ダイオードに流れてサージ電圧が抑制される。制御部5は、SW素子Q1をオフしたときから適宜の時点までSW素子Q3を積極的にオンしてもよい。   When the control unit 5 turns off the SW element Q1 before the current of the inductor L1 becomes close to zero in the state D2, a surge voltage may be generated in the inductor L1. On the other hand, in the present embodiment, the SW element Q3 is connected between the connection point of the SW element Q1 and the inductor L1 and the terminal G. For this reason, the current flowing through the inductor L1 before the SW element Q1 is turned off continues to flow through the parasitic diode of the SW element Q3, and the surge voltage is suppressed. The control unit 5 may positively turn on the SW element Q3 from when the SW element Q1 is turned off to an appropriate time.

図6は、電圧変換回路1の降圧動作における状態D4の一例を示す説明図である。図5に示す状態D3において、キャパシタC1及びSW素子Q2の電圧が所定の電圧閾値より低くなった後に、制御部5がSW素子Q2をオンすることにより、電圧変換回路1が状態D4となる。状態D4も第2モードに対応する。これにより、インダクタL2の還流電流が、オン抵抗の低いSW素子Q2に流れる。また、SW素子Q2の電圧が比較的低い間にSW素子Q2がオンするため、SW素子Q2のスイッチング損失が低減される。   FIG. 6 is an explanatory diagram illustrating an example of the state D4 in the voltage step-down operation of the voltage conversion circuit 1. In the state D3 shown in FIG. 5, after the voltage of the capacitor C1 and the SW element Q2 becomes lower than the predetermined voltage threshold, the control unit 5 turns on the SW element Q2, whereby the voltage conversion circuit 1 becomes the state D4. State D4 also corresponds to the second mode. As a result, the return current of the inductor L2 flows through the SW element Q2 having a low on-resistance. Further, since the SW element Q2 is turned on while the voltage of the SW element Q2 is relatively low, the switching loss of the SW element Q2 is reduced.

状態D4で端子H,Gからの入力電圧に対する端子L,Gへの出力電圧の降圧比に応じた適宜の時間が経過した場合、制御部5がSW素子Q2をオフした後にSW素子Q1をオンすることにより、電圧変換回路1が図3に示す状態D1となる。このようにして、状態D1からD4までの状態遷移が繰り返される。   In the state D4, when an appropriate time corresponding to the step-down ratio of the output voltage to the terminals L and G with respect to the input voltage from the terminals H and G has elapsed, the control unit 5 turns on the SW element Q1 after turning off the SW element Q2. As a result, the voltage conversion circuit 1 enters the state D1 shown in FIG. In this way, the state transition from state D1 to state D4 is repeated.

次に、上述の状態D1及びD2と、その前後における電圧変換回路1の動作について、より詳細に説明する。図7は、電圧変換回路1が状態D4を抜けてから状態D1,D2を経て状態D3に切り替わるまでの各部の波形を模式的に示すタイミングチャートである。図7に示す5つのタイミングチャートは、何れも同一の時間軸(t)を横軸にしてあり、図の上段から順に、SW素子Q1のオン期間、SW素子Q1の実効的なオン期間、SW素子Q1の電流、SW素子Q2の電流(寄生ダイオードの電流を含む)、及びインダクタL2の電流を示す。縦軸のスケールは必ずしも同一ではない。特にSW素子Q1の電流については、出力電流Ioが比較的大きい場合及び小さい場合の夫々を実線及び一点鎖線で示す。Ioは電圧変換回路1の出力電流の平均値である。ΔIは出力電流に含まれるリップル電流の振幅である。時刻t1からt3までの時間がSW素子Q1のオン時間Tmiである。   Next, the above-described states D1 and D2 and the operation of the voltage conversion circuit 1 before and after that will be described in more detail. FIG. 7 is a timing chart schematically showing the waveforms of the respective parts from when the voltage conversion circuit 1 exits from the state D4 to when it switches to the state D3 through the states D1 and D2. The five timing charts shown in FIG. 7 all have the same time axis (t) as the horizontal axis, and in order from the top in the figure, the ON period of the SW element Q1, the effective ON period of the SW element Q1, The current of the element Q1, the current of the SW element Q2 (including the current of the parasitic diode), and the current of the inductor L2 are shown. The scale of the vertical axis is not necessarily the same. In particular, regarding the current of the SW element Q1, the case where the output current Io is relatively large and the case where it is small are indicated by a solid line and a one-dot chain line, respectively. Io is an average value of the output current of the voltage conversion circuit 1. ΔI is the amplitude of the ripple current included in the output current. The time from time t1 to t3 is the ON time Tmi of the SW element Q1.

図7の横軸に示す時刻t1からt3までの期間が、電圧変換回路1の状態D1及びD2に対応し、時刻t3以降の期間が状態D3及びD4に対応する。状態D1からD2,D3,D4を経て次のスイッチング周期の状態D1に至るまでの期間が、現在のスイッチング周期に相当する。時刻t1より前の時刻t0からt1までの間は、1つ前のスイッチング周期の状態D4からD1に至るまでの過渡的な状態を表す。この間は、制御部5がSW素子Q2を既にオフしていてもよいし、時刻t1の直前までオンし続けていてもよい。SW素子Q2がオフされている場合、上述の図6でSW素子Q2のソースからドレインに流れていたインダクタL2の電流、即ち還流電流は、SW素子Q2の寄生ダイオードに流れる。インダクタL2の電流は、時刻t0からt1までの間、緩やかに減少する。   A period from time t1 to t3 shown on the horizontal axis in FIG. 7 corresponds to states D1 and D2 of the voltage conversion circuit 1, and a period after time t3 corresponds to states D3 and D4. The period from the state D1 through D2, D3, D4 to the next switching cycle state D1 corresponds to the current switching cycle. A period from time t0 to time t1 before time t1 represents a transitional state from state D4 to D1 in the previous switching cycle. During this time, the control unit 5 may have already turned off the SW element Q2, or may remain on until just before time t1. When the SW element Q2 is turned off, the current of the inductor L2, that is, the return current flowing from the source to the drain of the SW element Q2 in FIG. 6 described above, flows to the parasitic diode of the SW element Q2. The current in the inductor L2 gradually decreases from time t0 to time t1.

上記の過渡的な状態におけるSW素子Q2の電圧の絶対値は、SW素子Q2のオン電圧又は寄生ダイオードのオン電圧である。つまり、時刻t0からt1までのSW素子Q2の電圧の絶対値は実質的に0Vとみなせるから、時刻t1で制御部5がSW素子Q1をオンすることによって電圧変換回路1が状態D1に遷移した場合、SW素子Q1及びインダクタL1には傾きがdI/dt=Vi/Lr1の電流が流れる。但し、Viは端子H,G間の入力電圧であり、Lr1はインダクタL1のインダクタンスである。   The absolute value of the voltage of the SW element Q2 in the transient state is the on-voltage of the SW element Q2 or the on-voltage of the parasitic diode. That is, since the absolute value of the voltage of the SW element Q2 from time t0 to t1 can be regarded as substantially 0V, the voltage conversion circuit 1 transitions to the state D1 when the control unit 5 turns on the SW element Q1 at time t1. In this case, a current having a slope of dI / dt = Vi / Lr1 flows through the SW element Q1 and the inductor L1. However, Vi is an input voltage between the terminals H and G, and Lr1 is an inductance of the inductor L1.

SW素子Q2に流れていたインダクタL2の還流電流が、時刻t1でSW素子Q1及びインダクタL1に流れ始めた上記傾きの電流に漸次置き換わることにより、SW素子Q2の電流は、時刻t1からt2までの間、直線的に減少して時刻t2でゼロとなる。この結果、時刻t1からt2までの間、インダクタL2の電流は、時刻t0からt1まで流れていた電流と同等の傾きで緩やかに減少する。時刻t1からt2までの間は、インダクタL2の還流電流がSW素子Q2からSW素子Q1に転流する転流期間に相当し、インダクタL2の電流が依然として減少し続けるため、この間の時間Tiは、電圧変換回路1の降圧比を決定付けるデューティ比に寄与しない。従って、SW素子Q1の実効的なオン時間は、時刻t2からt3までの時間Tonとなる。   The return current of the inductor L2 flowing in the SW element Q2 is gradually replaced with the current having the above-described gradient that has started flowing in the SW element Q1 and the inductor L1 at time t1, so that the current of the SW element Q2 is changed from time t1 to time t2. In the meantime, it decreases linearly and becomes zero at time t2. As a result, during the period from time t1 to t2, the current of the inductor L2 gradually decreases with the same slope as the current flowing from time t0 to t1. Between time t1 and t2, since the return current of the inductor L2 corresponds to a commutation period in which the return current of the SW element Q2 is commutated from the SW element Q2, and the current of the inductor L2 continues to decrease, the time Ti during this time is It does not contribute to the duty ratio that determines the step-down ratio of the voltage conversion circuit 1. Therefore, the effective on-time of the SW element Q1 is a time Ton from time t2 to t3.

上記の転流期間の後、時刻t2からt3までの間、SW素子Q1を介してインダクタL1及びキャパシタC1に正弦波状の共振電流が流れる。インダクタL1の電流、即ちSW素子Q1の電流は、実線で示す場合に時刻t3で極小となり、一点鎖線で示す場合に時刻t3より前の時刻taでゼロとなる。何れの場合も時刻t3でSW素子Q1がオフされる。SW素子Q1がオンである間、インダクタL2にエネルギーが注入されてインダクタL2の電流がΔIだけ増加する。その後、次のスイッチング周期の状態D1に至るまでの間に、インダクタL2の電流がΔIだけ減少する。   After the commutation period, a sinusoidal resonance current flows through the inductor L1 and the capacitor C1 through the SW element Q1 from time t2 to time t3. The current of the inductor L1, that is, the current of the SW element Q1, becomes minimum at time t3 when indicated by a solid line, and becomes zero at time ta before time t3 when indicated by a one-dot chain line. In either case, the SW element Q1 is turned off at time t3. While the SW element Q1 is on, energy is injected into the inductor L2, and the current of the inductor L2 increases by ΔI. Thereafter, the current of the inductor L2 decreases by ΔI until the state D1 of the next switching period is reached.

なお、図7では、時刻t3以降もSW素子Q1をオンし続けたと仮定した場合のSW素子Q1の電流を破線で示してある。この場合、SW素子Q1の電流が時刻t2の時と同じ電流になる時刻をt4とすると、時刻t2からt4までの時間が共振周期Trに相当し、時刻t2からt3までの時間、即ちSW素子Q1の実効的なオン時間Tonが共振周期Trの3/4に相当する。共振周期Trは、以下の式(1)で表される。   In FIG. 7, the current of the SW element Q1 is shown by a broken line when it is assumed that the SW element Q1 is kept on after time t3. In this case, if the time when the current of the SW element Q1 becomes the same as that at the time t2 is t4, the time from the time t2 to the time t4 corresponds to the resonance period Tr, and the time from the time t2 to the time t3, that is, the SW element The effective on-time Ton of Q1 corresponds to 3/4 of the resonance period Tr. The resonance period Tr is expressed by the following formula (1).

Tr=2π√(Lr1/Cr1)・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(1)
但し、
Lr1:インダクタL1のインダクタンス
Cr1:キャパシタC1のキャパシタンス
Tr = 2π√ (Lr1 / Cr1) (1)
However,
Lr1: Inductor Cr1 inductance Cr1: Capacitor C1 capacitance

一点鎖線で示されるSW素子Q1の電流がゼロ以下となるのは時刻taからtbまでの間であり、この間のどの時点でSW素子Q1をオフしてもSW素子Q1の損失は実質的にゼロとなる。よって、本実施形態では、出力電流Ioの大小に関わらず、SW素子Q1に流れる共振電流が極小となる時刻t3でSW素子Q1をオフする。   The current of SW element Q1 indicated by the alternate long and short dash line is less than or equal to zero from time ta to tb, and the loss of SW element Q1 is substantially zero at any point during this time, regardless of the SW element Q1 being turned off. It becomes. Therefore, in the present embodiment, the SW element Q1 is turned off at time t3 when the resonance current flowing through the SW element Q1 is minimized regardless of the magnitude of the output current Io.

上述したように、時刻t1からt2までの間、SW素子Q1には傾きがdI/dt=Vi/Lr1の電流が流れる。そして、時刻t2におけるSW素子Q1の電流It2(一点鎖線で示される場合は「It2」より少ない「(It2)」であるが、以下では何れの場合も「It2」で表す)は、インダクタL2の電流と等しくなる。この時のインダクタL2の電流はIo−ΔI/2であるから、以下の式(2)が成立する。   As described above, a current having a slope of dI / dt = Vi / Lr1 flows through the SW element Q1 from time t1 to time t2. The current It2 of the SW element Q1 at time t2 (“(It2)”, which is less than “It2” when indicated by the alternate long and short dash line, is expressed as “It2” in any case below) of the inductor L2 Equal to the current. Since the current of the inductor L2 at this time is Io−ΔI / 2, the following equation (2) is established.

It2=Io−ΔI/2
=(Vi/Lr1)Ti・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(2)
但し、
Io:出力電流の平均値
ΔI:電圧変換回路1の出力電流のリップル電流(peak to peak)
Vi:電圧変換回路1の入力電圧
Lr1:インダクタL1のインダクタンス
Ti:時刻t1からt2までの時間
It2 = Io−ΔI / 2
= (Vi / Lr1) Ti (2)
However,
Io: average value of output current ΔI: ripple current of output current of voltage conversion circuit 1 (peak to peak)
Vi: input voltage Lr1 of the voltage conversion circuit 1, inductance of the inductor L1, Ti: time from time t1 to t2.

一方、インダクタL2のインダクタンスに対して、インダクタL1のインダクタンスが無視できる場合、上記の共振電流の影響を無視すれば、電圧変換回路1の入出力電圧は、以下の式(3)及び式(4)で近似される関係にある。   On the other hand, when the inductance of the inductor L1 is negligible with respect to the inductance of the inductor L2, the input / output voltage of the voltage conversion circuit 1 is expressed by the following equations (3) and (4) if the influence of the resonance current is ignored. ).

Vi−Vo=Lr2ΔI/Ton・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(3)
Vo/Vi=D・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(4)
但し、
Vi:電圧変換回路1の入力電圧
Vo:電圧変換回路1の出力電圧
Lr2:インダクタL2のインダクタンス
ΔI:電圧変換回路1の出力電流のリップル電流
Ton:SW素子Q1の実効的なオン時間
D:SW素子Q1のスイッチングの実効的なデューティ比
Vi−Vo = Lr2ΔI / Ton (3)
Vo / Vi = D (4)
However,
Vi: input voltage of voltage conversion circuit 1 Vo: output voltage Lr2 of voltage conversion circuit 1: inductance of inductor L2 ΔI: ripple current Ton of output current of voltage conversion circuit 1: effective on-time of SW element Q1 D: SW Effective duty ratio of switching element Q1

ここで、SW素子Q1のスイッチング周波数fsの逆数であるスイッチング周期にDを乗じたものがTonであり、上述のとおりTonが(3/4)Trに相当するから、fsは以下の式(5)で表される。更に、式(3)のTonは、fsを用いて以下の式(6)で表される。   Here, Ton is obtained by multiplying the switching period, which is the reciprocal of the switching frequency fs of the SW element Q1, by D, and Ton corresponds to (3/4) Tr as described above. Therefore, fs is expressed by the following formula (5 ). Furthermore, Ton of Formula (3) is represented by the following Formula (6) using fs.

fs=D/{(3/4)Tr}・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(5)
Ton=D(1/fs)・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(6)
但し、
fs:SW素子Q1のスイッチング周波数
D:SW素子Q1のスイッチングの実効的なデューティ比
Tr:共振周期
Ton:SW素子Q1の実効的なオン時間
fs = D / {(3/4) Tr} (5)
Ton = D (1 / fs) ... (6)
However,
fs: switching frequency of the SW element Q1 D: effective duty ratio of switching of the SW element Q1 Tr: resonance period Ton: effective on-time of the SW element Q1

式(3)に式(4)及び式(6)夫々を適用してVo及びTonを消去することにより、以下の式(7)が得られる。   By applying Equations (4) and (6) to Equation (3) to eliminate Vo and Ton, the following Equation (7) is obtained.

ΔI=(Vi/Lr2)(1−D)D/fs・・・・・・・・・・・・・・・・・(7) ΔI = (Vi / Lr2) (1-D) D / fs (7)

次に、式(7)を式(2)に代入することにより、以下の式(8)が得られる。   Next, by substituting equation (7) into equation (2), the following equation (8) is obtained.

Ti=(Lr1/Vi){Io−Vi(1−D)D/(2Lr2fs)}・・・・(8) Ti = (Lr1 / Vi) {Io-Vi (1-D) D / (2Lr2fs)} (8)

一方、SW素子Q1をオンしてからSW素子Q1に流れる電流が極小となるまでの時間Tmi、即ちスイッチング素子Q1のオン時間は、TiにTonを加算した時間であり、上述のとおりTonがTrの3/4に相当するから、Tmiは式(8)の右辺と(3/4)Trとを用いて以下の式(9)で表される。このように、Tiが算出されていれば、SW素子Q1をオンすべき時間であるTmiを極めて容易に算出することが可能となる。   On the other hand, the time Tmi from when the SW element Q1 is turned on until the current flowing through the SW element Q1 becomes the minimum, that is, the on-time of the switching element Q1 is the time obtained by adding Ton to Ti. Therefore, Tmi is expressed by the following equation (9) using the right side of equation (8) and (3/4) Tr. In this way, if Ti is calculated, it is possible to calculate Tmi, which is the time for which the SW element Q1 should be turned on, very easily.

Tmi=(Lr1/Vi){Io−Vi(1−D)D/(2Lr2fs)}
+(3/4)Tr・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(9)
Tmi = (Lr1 / Vi) {Io-Vi (1-D) D / (2Lr2fs)}
+ (3/4) Tr (9)

Viが一定である場合、Ioは電流センサA1で検出され、Lr2及びTrは定数であるから、実効的なデューティ比D、即ち目標のデューティ比を式(9)に代入し、式(5)で算出したfsを式(9)に代入することにより、Tmiが算出される。そして、スイッチング素子Q1のオフ時間Toffは以下の式(10)によって決定することができる。   When Vi is constant, Io is detected by the current sensor A1, and since Lr2 and Tr are constants, the effective duty ratio D, that is, the target duty ratio is substituted into Expression (9), and Expression (5) Tmi is calculated by substituting fs calculated in step (9) into equation (9). The off time Toff of the switching element Q1 can be determined by the following equation (10).

Toff=1/fs−Ton
=1/fs−(3/4)Tr・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(10)
但し、
fs:SW素子Q1のスイッチング周波数
Tr:共振周期
Toff = 1 / fs-Ton
= 1 / fs- (3/4) Tr (10)
However,
fs: switching frequency of SW element Q1 Tr: resonance period

以下では、上述した制御部5の動作を、それを示すフローチャートを用いて説明する。以下に示す処理は、不図示のROMに予め格納されている制御プログラムに従って、不図示のCPUにより実行される。図8は、電圧変換回路1に降圧変換させるCPUの処理手順を示すフローチャートである。図8に手順を示す処理は、電圧変換装置に降圧変換を開始させる場合に起動される。図中の計時は、不図示のタイマを用いて実行される。なお、共振周期Tr及び(3/4)Trの値は、予め算出されているものとする。目標のデューティ比は、他の処理にて適時算出されている。   Below, operation | movement of the control part 5 mentioned above is demonstrated using the flowchart which shows it. The processing shown below is executed by a CPU (not shown) according to a control program stored in advance in a ROM (not shown). FIG. 8 is a flowchart illustrating a processing procedure of the CPU that causes the voltage conversion circuit 1 to perform step-down conversion. The process whose procedure is shown in FIG. 8 is activated when the voltage converter starts step-down conversion. The timing in the figure is performed using a timer (not shown). Note that the values of the resonance period Tr and (3/4) Tr are calculated in advance. The target duty ratio is calculated timely in other processes.

図8の処理が起動された場合、CPUは、低圧側スイッチング素子Q2をオフする(S11)。次いで、CPUは、式(8)によってデューティ比に寄与しないオン時間Tiを算出する(S12)。この場合、電流センサA1で検出した出力電流Ioと、目標のデューティ比(D)と、式(5)によって算出したスイッチング周波数fsと、その他の既知の定数とが用いられる。   When the process of FIG. 8 is started, the CPU turns off the low voltage side switching element Q2 (S11). Next, the CPU calculates an on-time Ti that does not contribute to the duty ratio according to equation (8) (S12). In this case, the output current Io detected by the current sensor A1, the target duty ratio (D), the switching frequency fs calculated by the equation (5), and other known constants are used.

その後、CPUは、式(9)によって、高圧側スイッチング素子Q1をオンしてから高圧側スイッチング素子Q1に流れる共振電流が極小となるまでの時間Tmi、即ちオン時間を算出する(S13)。次いで、CPUは、高圧側スイッチング素子Q1をオンして(S14)、インダクタL1,L2とキャパシタC1とで共振させる。これにより、電圧変換回路1を第1モードで動作させる。この時、CPUは、スイッチング素子Q1に係るオン時間の計時を開始する(S15)。   After that, the CPU calculates a time Tmi, that is, an on-time from when the high-voltage side switching element Q1 is turned on until the resonance current flowing through the high-voltage side switching element Q1 becomes the minimum, by Equation (9) (S13). Next, the CPU turns on the high voltage side switching element Q1 (S14), and causes the inductors L1 and L2 and the capacitor C1 to resonate. As a result, the voltage conversion circuit 1 is operated in the first mode. At this time, the CPU starts counting the on-time related to the switching element Q1 (S15).

その後、CPUは、オン時間が経過したか否かを判定し(S16)、経過しない場合(S16:NO)、オン時間が経過するまで待機する。オン時間が経過した場合(S16:YES)、CPUは、高圧側スイッチング素子Q1をオフして(S17)、電圧変換回路1を第2モードで動作させる。これにより、インダクタL2の還流電流をキャパシタC1又は低圧側スイッチング素子Q2に流すようにさせる。   Thereafter, the CPU determines whether or not the on-time has elapsed (S16). When the on-time has not elapsed (S16: NO), the CPU waits until the on-time has elapsed. When the on-time has elapsed (S16: YES), the CPU turns off the high-voltage side switching element Q1 (S17) and operates the voltage conversion circuit 1 in the second mode. This causes the return current of the inductor L2 to flow through the capacitor C1 or the low-voltage side switching element Q2.

次いで、CPUは、式(5)によって算出したスイッチング周期fsを式(10)に代入してオフ時間Toffを算出する(S18)。そして、CPUは、算出したオフ時間Toffをカウントダウンすることにより、高圧側スイッチング素子Q1のオフ時間の計時を開始する(S19)。   Next, the CPU calculates the off time Toff by substituting the switching cycle fs calculated by Expression (5) into Expression (10) (S18). Then, the CPU starts counting the off time of the high-voltage side switching element Q1 by counting down the calculated off time Toff (S19).

その後、CPUは、上記オフ時間が経過したか否かを判定し(S20)、オフ時間が経過した場合(S20:YES)、降圧変換を終了させるか否かを判定する(S21)。降圧変換を終了させない場合(S21:NO)、CPUは、電圧変換回路1を1つ後のスイッチング周期に移行させるためにステップS11に処理を移す。一方、降圧変換を終了させる場合(S21:YES)、CPUは、低圧側スイッチング素子Q2をオフした(S22)後に図8の処理を終了する。   Thereafter, the CPU determines whether or not the off-time has elapsed (S20). When the off-time has elapsed (S20: YES), the CPU determines whether or not to end the step-down conversion (S21). When the step-down conversion is not terminated (S21: NO), the CPU shifts the process to step S11 in order to shift the voltage conversion circuit 1 to the next switching cycle. On the other hand, when the step-down conversion is ended (S21: YES), the CPU ends the process of FIG. 8 after turning off the low-voltage side switching element Q2 (S22).

上記のステップ20でオフ時間が経過しない場合(S20:NO)、CPUは、低圧側スイッチング素子Q2の電圧を検出し、検出した電圧が所定の電圧閾値より低いか否かを判定する(S23)。検出した電圧が所定の電圧閾値より低くない場合(S23:NO)、CPUは、ステップS20に処理を移す。一方、検出した電圧が所定の電圧閾値より低い場合(S23:YES)、CPUは、低圧側スイッチング素子Q2をオンして(S24)ステップS20に処理を移す。ここでの電圧閾値は、正の値であってもよいし、ゼロ又はゼロ以下の負の値であってもよい。   When the off time has not elapsed in step 20 (S20: NO), the CPU detects the voltage of the low-voltage side switching element Q2, and determines whether or not the detected voltage is lower than a predetermined voltage threshold (S23). . When the detected voltage is not lower than the predetermined voltage threshold (S23: NO), the CPU moves the process to step S20. On the other hand, when the detected voltage is lower than the predetermined voltage threshold (S23: YES), the CPU turns on the low-voltage side switching element Q2 (S24) and moves the process to step S20. The voltage threshold value here may be a positive value, or may be zero or a negative value less than or equal to zero.

上述したフローチャートにあっては、低圧側スイッチング素子Q2をオン/オフしたが、低圧側スイッチング素子Q2が単なるダイオードである場合は、ステップS23及びS24をスキップすればよい。また、各ステップの実行順序は厳密なものではなく、例えばステップS14とS15の実行順序を逆にしてもよく、ステップS12,S13とS14,S15の実行順序を逆にしてもよい。   In the flowchart described above, the low-voltage side switching element Q2 is turned on / off. However, if the low-voltage side switching element Q2 is a simple diode, steps S23 and S24 may be skipped. Further, the execution order of each step is not strict. For example, the execution order of steps S14 and S15 may be reversed, and the execution order of steps S12, S13 and S14, S15 may be reversed.

以上のように本実施形態によれば、電圧変換回路1にて、SW素子Q1と、インダクタL1と、両端にキャパシタC1が接続されたSW素子Q2とがこの順序で接続されており、インダクタL1及びSW素子Q2の接続点にインダクタL2の一端が接続されている。制御部5がSW素子Q1をオン/オフすることにより、電圧変換回路1の端子H,Gに入力された電圧が降圧されて端子L,Gに出力される。   As described above, according to the present embodiment, in the voltage conversion circuit 1, the SW element Q1, the inductor L1, and the SW element Q2 having the capacitor C1 connected at both ends are connected in this order, and the inductor L1. One end of the inductor L2 is connected to the connection point of the SW element Q2. When the control unit 5 turns on / off the SW element Q1, the voltage input to the terminals H and G of the voltage conversion circuit 1 is stepped down and output to the terminals L and G.

制御部5は、電圧変換回路1について、SW素子Q2をオフした状態でSW素子Q1をオンしてインダクタL1及びキャパシタC1による共振電流を流す第1モードで動作させる。第1モードでは、共振電流がキャパシタC1に流入してキャパシタC1の電圧が上昇し始め、インダクタL2にエネルギーが蓄積される。その後、共振電流が反転してキャパシタC1の電圧が低下し始め、SW素子Q1の電流が減少する。制御部5は、第1モードにてSW素子Q1に流れる共振電流が極小となるであろう時刻を算出し、算出した時刻t3でSW素子Q1をオフしてSW素子Q2又はキャパシタC1にインダクタL2の還流電流を流す第2モードで動作させる。これにより、SW素子Q1に流れる共振電流が極小となった時、又はSW素子Q1の電圧が0Vに近い時にSW素子Q1がオフするので、SW素子Q1がオフするときの電圧×電流で表されるスイッチング損失が低減される。従って、LC共振を用いて所謂ソフトスイッチングを行う場合、共振電流にゼロクロス点が存在しない場合であってもスイッチング素子の損失を低減することが可能となる。   The control unit 5 causes the voltage conversion circuit 1 to operate in a first mode in which the SW element Q1 is turned on while the SW element Q2 is turned off and a resonance current from the inductor L1 and the capacitor C1 flows. In the first mode, the resonance current flows into the capacitor C1, the voltage of the capacitor C1 starts to rise, and energy is stored in the inductor L2. Thereafter, the resonance current is inverted, the voltage of the capacitor C1 starts to decrease, and the current of the SW element Q1 decreases. The control unit 5 calculates a time at which the resonance current flowing through the SW element Q1 is minimized in the first mode, turns off the SW element Q1 at the calculated time t3, and supplies the inductor L2 to the SW element Q2 or the capacitor C1. Is operated in the second mode in which a reflux current of 1 is passed. As a result, the SW element Q1 is turned off when the resonance current flowing through the SW element Q1 is minimized, or when the voltage of the SW element Q1 is close to 0V. Switching loss is reduced. Accordingly, when so-called soft switching is performed using LC resonance, it is possible to reduce the loss of the switching element even when there is no zero cross point in the resonance current.

制御部5は、また、第2モードにてSW素子Q1をオンして第1モードへ移行させる場合、SW素子Q1をオンしてからインダクタL2の還流電流がSW素子Q1及びインダクタL1の直列回路に転流するまでの時間Tiを算出して、共振周期Trの3/4倍値に加算することにより、SW素子Q1をオンすべき時間Tmiを算出する(式(8),(9)参照)。そして、SW素子Q1の実効的なオン時間Tonに基づいて、実効的なデューティ比に応じたSW素子Q1のオフ時間Toffが算出される(式(10)参照)。従って、目標のデューティ比を実効的なデューティ比に適用することにより、LC共振を用いて所謂ソフトスイッチングを行う場合に、所望の降圧比で電圧変換することが可能となる。   When the control unit 5 turns on the SW element Q1 in the second mode to shift to the first mode, the control circuit 5 turns on the SW element Q1 and then the return current of the inductor L2 is a series circuit of the SW element Q1 and the inductor L1. Is calculated by adding the time Ti until the commutation to ¾ and adding to a value 3 times the resonance period Tr (see equations (8) and (9)). ). Then, based on the effective on-time Ton of the SW element Q1, the off-time Toff of the SW element Q1 corresponding to the effective duty ratio is calculated (see Expression (10)). Therefore, by applying the target duty ratio to the effective duty ratio, it is possible to perform voltage conversion at a desired step-down ratio when so-called soft switching is performed using LC resonance.

また、本実施形態によれば、SW素子Q1をオンしてからSW素子Q1に流れる共振電流が極小となるまでの時間Tmiを式(9)に基づいて算出することが可能となる。   Further, according to the present embodiment, the time Tmi from when the SW element Q1 is turned on until the resonance current flowing through the SW element Q1 becomes minimum can be calculated based on the equation (9).

更に、本実施形態によれば、制御部5は、第2モードにおけるSW素子Q2の電圧が所定の電圧閾値より低くなった場合、SW素子Q2をオンし、第1モードに移行させるためにSW素子Q1をオンする前にSW素子Q2をオフする。上記の電圧閾値は、例えば0V又は0Vに近い電圧とする。SW素子Q2の電圧が比較的低い場合にSW素子Q2がオンするので、SW素子Q2がオンするときの電圧×電流で表されるスイッチング損失を低減することが可能となる。   Further, according to the present embodiment, when the voltage of the SW element Q2 in the second mode becomes lower than the predetermined voltage threshold, the control unit 5 turns on the SW element Q2 and switches the SW element Q2 to the first mode. The SW element Q2 is turned off before turning on the element Q1. The voltage threshold is set to 0 V or a voltage close to 0 V, for example. Since the SW element Q2 is turned on when the voltage of the SW element Q2 is relatively low, it is possible to reduce the switching loss represented by the voltage × current when the SW element Q2 is turned on.

1 電圧変換回路
41、42 キャパシタ
5 制御部
Q1 高圧側スイッチング素子(SW素子)
Q2 低圧側スイッチング素子(SW素子)
Q3 SW素子
L1 第1インダクタ(インダクタ)
L2 第2インダクタ(インダクタ)
C1 キャパシタ
A1 電流センサ
H、L、G 端子
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Voltage conversion circuit 41, 42 Capacitor 5 Control part Q1 High voltage | pressure side switching element (SW element)
Q2 Low voltage side switching element (SW element)
Q3 SW element L1 First inductor (inductor)
L2 Second inductor (inductor)
C1 Capacitor A1 Current sensor H, L, G terminals

Claims (5)

第1インダクタと、該第1インダクタを介して直列に接続された高圧側スイッチング素子及び低圧側スイッチング素子と、前記第1インダクタ及び前記低圧側スイッチング素子の接続点に一端が接続された第2インダクタと、前記低圧側スイッチング素子に並列に接続されたキャパシタとを有する電圧変換回路、及び前記高圧側スイッチング素子をオン/オフして前記電圧変換回路に降圧変換させる制御部を備える電圧変換装置であって、
前記制御部は、
前記高圧側スイッチング素子をオンして前記第1インダクタ及び前記キャパシタによる共振電流を流す第1モードで動作させ、
前記高圧側スイッチング素子をオンしてから前記共振電流が極小となるまでの時間を算出し、
算出した時間の経過時に前記高圧側スイッチング素子をオフして前記低圧側スイッチング素子又は前記キャパシタに前記第2インダクタの還流電流を流す第2モードで動作させ、
該第2モードでの動作後に前記高圧側スイッチング素子をオンして前記第1モードへ移行させる電圧変換装置。
A first inductor, a high-voltage side switching element and a low-voltage side switching element connected in series via the first inductor, and a second inductor having one end connected to a connection point of the first inductor and the low-voltage side switching element And a voltage conversion circuit having a capacitor connected in parallel to the low-voltage side switching element, and a voltage conversion device comprising a control unit for turning on / off the high-voltage side switching element and performing a step-down conversion to the voltage conversion circuit. And
The controller is
The high-voltage side switching element is turned on to operate in a first mode in which a resonance current from the first inductor and the capacitor flows.
Calculate the time from when the high-voltage side switching element is turned on until the resonance current is minimized,
When the calculated time has elapsed, the high-voltage side switching element is turned off, and the low-voltage side switching element or the capacitor is operated in a second mode in which a reflux current of the second inductor flows.
A voltage conversion device that turns on the high-voltage side switching element and shifts to the first mode after the operation in the second mode.
前記制御部は、以下の式に基づいて前記共振電流が極小となるまでの時間を算出する請求項1に記載の電圧変換装置。
Tmi=(Lr1/Vi){Io−Vi(1−D)D/(2Lr2fs)}
+(3/4)Tr
但し、
Tmi:前記共振電流が極小となるまでの時間
Lr1:前記第1インダクタのインダクタンス
Vi:前記電圧変換回路の入力電圧
Io:前記電圧変換回路の出力電流
D:前記高圧側スイッチング素子の目標のデューティ比
Lr2:前記第2インダクタのインダクタンス(Lr2>>Lr1)
fs:前記高圧側スイッチング素子のスイッチング周波数
Tr:2π√(Lr1Cr1)
Cr1:前記キャパシタのキャパシタンス
The voltage conversion device according to claim 1, wherein the control unit calculates a time until the resonance current becomes a minimum based on the following expression.
Tmi = (Lr1 / Vi) {Io-Vi (1-D) D / (2Lr2fs)}
+ (3/4) Tr
However,
Tmi: Time until the resonance current becomes minimum Lr1: Inductance of the first inductor Vi: Input voltage of the voltage conversion circuit Io: Output current of the voltage conversion circuit D: Target duty ratio of the high-voltage side switching element Lr2: inductance of the second inductor (Lr2 >> Lr1)
fs: switching frequency of the high-voltage side switching element Tr: 2π√ (Lr1Cr1)
Cr1: Capacitance of the capacitor
前記制御部は、
前記低圧側スイッチング素子の電圧を検出するようにしてあり、
前記第2モードで前記低圧側スイッチング素子の電圧が所定の電圧閾値より低い場合、前記低圧側スイッチング素子をオンし、
該低圧側スイッチング素子をオフした後に前記高圧側スイッチング素子をオンする
請求項1又は2に記載の電圧変換装置。
The controller is
The voltage of the low-voltage side switching element is detected,
When the voltage of the low-voltage side switching element is lower than a predetermined voltage threshold in the second mode, the low-voltage side switching element is turned on,
The voltage converter according to claim 1 or 2, wherein the high-voltage side switching element is turned on after the low-voltage side switching element is turned off.
第1インダクタと、該第1インダクタを介して直列に接続された高圧側スイッチング素子及び低圧側スイッチング素子と、前記第1インダクタ及び前記低圧側スイッチング素子の接続点に一端が接続された第2インダクタと、前記低圧側スイッチング素子に並列に接続されたキャパシタとを有する電圧変換回路、及び前記高圧側スイッチング素子をオン/オフする制御部を備える電圧変換装置における前記制御部で前記電圧変換回路に降圧変換させる制御方法であって、
前記高圧側スイッチング素子をオンして前記第1インダクタ及び前記キャパシタによる共振電流を流す第1モードで動作させ、
前記高圧側スイッチング素子をオンしてから前記共振電流が極小となるまでの時間を算出し、
算出した時間の経過時に前記高圧側スイッチング素子をオフして前記低圧側スイッチング素子又は前記キャパシタに前記第2インダクタの還流電流を流す第2モードで動作させ、
該第2モードでの動作後に前記高圧側スイッチング素子をオンして前記第1モードへ移行させる電圧変換回路の降圧制御方法。
A first inductor, a high-voltage side switching element and a low-voltage side switching element connected in series via the first inductor, and a second inductor having one end connected to a connection point of the first inductor and the low-voltage side switching element And a voltage conversion circuit having a capacitor connected in parallel to the low-voltage side switching element, and a step-down to the voltage conversion circuit in the control unit in the voltage conversion device that turns on / off the high-voltage side switching element A control method for converting,
The high-voltage side switching element is turned on to operate in a first mode in which a resonance current from the first inductor and the capacitor flows.
Calculate the time from when the high-voltage side switching element is turned on until the resonance current is minimized,
When the calculated time has elapsed, the high-voltage side switching element is turned off, and the low-voltage side switching element or the capacitor is operated in a second mode in which a reflux current of the second inductor flows.
A voltage step-down control method for a voltage conversion circuit in which the high-voltage side switching element is turned on after the operation in the second mode to shift to the first mode.
第1インダクタと、該第1インダクタを介して直列に接続された高圧側スイッチング素子及び低圧側スイッチング素子と、前記第1インダクタ及び前記低圧側スイッチング素子の接続点に一端が接続された第2インダクタと、前記低圧側スイッチング素子に並列に接続されたキャパシタとを有する電圧変換回路、及び前記高圧側スイッチング素子をオン/オフする制御部を備える電圧変換装置における前記制御部で前記電圧変換回路に降圧変換させるためのコンピュータプログラムであって、
前記制御部に、
前記高圧側スイッチング素子をオンして前記第1インダクタ及び前記キャパシタによる共振電流を流す第1モードで動作させるステップと、
前記高圧側スイッチング素子をオンしてから前記共振電流が極小となるまでの時間を算出するステップと、
算出した時間の経過時に前記高圧側スイッチング素子をオフして前記低圧側スイッチング素子又は前記キャパシタに前記第2インダクタの還流電流を流す第2モードで動作させるステップと、
該第2モードでの動作後に前記高圧側スイッチング素子をオンして前記第1モードへ移行させるステップと
を実行させるコンピュータプログラム。
A first inductor, a high-voltage side switching element and a low-voltage side switching element connected in series via the first inductor, and a second inductor having one end connected to a connection point of the first inductor and the low-voltage side switching element And a voltage conversion circuit having a capacitor connected in parallel to the low-voltage side switching element, and a step-down to the voltage conversion circuit in the control unit in the voltage conversion device that turns on / off the high-voltage side switching element A computer program for converting,
In the control unit,
Turning on the high-voltage side switching element and operating in a first mode in which a resonance current is caused to flow by the first inductor and the capacitor;
Calculating a time from when the high-voltage side switching element is turned on until the resonance current is minimized;
Turning off the high-voltage side switching element when the calculated time elapses, and operating in a second mode in which a reflux current of the second inductor flows through the low-voltage side switching element or the capacitor;
And a step of turning on the high-voltage side switching element after the operation in the second mode to shift to the first mode.
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