JP2018152974A - Forward method bidirectional dc-dc converter - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、フォワード方式の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータに関する。 The present invention relates to a forward bidirectional DC-DC converter.
降圧動作を通常とするフォワード方式の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータでは、フォワード方式の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータの停止から通常の降圧動作に移る際にプリチャージ動作が必要である。プリチャージ動作とは、高圧側バッテリとコンデンサとの間に接続されたリレーをオフ（遮断状態）からオン（導通状態）にした際に、高圧側バッテリからコンデンサへ突入電流が流れないように、コンデンサをあらかじめ充電しておく動作である。特許文献１では昇圧動作させることで、低圧バッテリにより高圧側のコンデンサを充電する（プリチャージする）技術が開示されている。また、フォワード方式の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータは、降圧動作を通常とするため、装置設計は降圧動作を基本に設計がされている。
A forward-type bidirectional DC-DC converter that normally performs a step-down operation requires a precharge operation when the forward-type bidirectional DC-DC converter shifts from a stop to a normal step-down operation. Precharge operation means that when the relay connected between the high voltage battery and the capacitor is turned off (cut off) to on (conducted), no inrush current flows from the high voltage battery to the capacitor. In this operation, the capacitor is charged in advance.
しかしながら、上記のような装置設計がされたフォワード方式の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータでは、プリチャージにおいてもスイッチング損失が発生する。プリチャージにおいて発生するスイッチング損失を低減するためには、降圧動作だけでなく、プリチャージ時の動作である昇圧動作を考慮して装置設計を見直す必要がある。しかし、降圧動作と昇圧動作を考慮して装置設計を見直すには、降圧動作と昇圧動作では制御や、発熱する部位が異なり、位相補償、放熱構造、評価などを行うことが不可欠であるため、多大な装置設計時間が必要となる。また、放熱構造も大型化・複雑化する虞がある。 However, in the forward-type bidirectional DC-DC converter designed as described above, a switching loss occurs even in precharging. In order to reduce the switching loss that occurs during precharge, it is necessary to review the device design in consideration of not only the step-down operation but also the step-up operation that is the operation during precharge. However, in order to review the device design in consideration of the step-down operation and step-up operation, it is indispensable to perform phase compensation, heat dissipation structure, evaluation, etc., because control and heat generation are different in step-down operation and step-up operation. A great deal of equipment design time is required. In addition, the heat dissipation structure may be increased in size and complexity.
本発明の一側面に係る目的は、昇圧動作によるプリチャージにおいてスイッチング損失を低減できるフォワード方式の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータを提供することである。 An object of one aspect of the present invention is to provide a forward-type bidirectional DC-DC converter that can reduce switching loss in precharge by a boost operation.
本発明に係る一つの形態であるフォワード方式の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータは、第一のバッテリとトランスの一次コイルとに並列接続される第一の回路と、第二のバッテリとトランスの二次コイルとに並列接続される第二の回路と、第一の回路と第二の回路とを制御する制御回路とを有する。 A bidirectional bidirectional DC-DC converter according to one aspect of the present invention includes a first circuit connected in parallel to a first battery and a primary coil of a transformer, and a secondary of the second battery and the transformer. A second circuit connected in parallel to the coil; and a control circuit for controlling the first circuit and the second circuit.
第一の回路は、第一のリレーと、第二のリレーと、第一のコンデンサと、第二のコンデンサと、第一のスイッチ素子と、第二のスイッチ素子とを有し、第一のバッテリの正極端子と第一のリレーの一方の端子とが接続され、第一のリレーの他方の端子と第一のコンデンサの一方の端子と第二のコンデンサの一方の端子と一次コイルの一方の端子とが接続され、第二のコンデンサの他方の端子と第一のスイッチ素子の第一の端子とが接続され、第一のスイッチ素子の第二の端子と一次コイルの他方の端子と第二のスイッチ素子の第一の端子とが接続され、第一のバッテリの負極端子と第二のリレーの一方の端子とが接続され、第二のリレーの他方の端子と第一のコンデンサの他方の端子と第二のスイッチ素子の第二の端子とが接続される。 The first circuit includes a first relay, a second relay, a first capacitor, a second capacitor, a first switch element, and a second switch element, The positive terminal of the battery and one terminal of the first relay are connected, the other terminal of the first relay, one terminal of the first capacitor, one terminal of the second capacitor, and one of the primary coils. A second terminal of the first capacitor, the second terminal of the primary coil, the second terminal of the primary coil, and the second terminal of the first coil. A first terminal of the switch element is connected, a negative terminal of the first battery and one terminal of the second relay are connected, the other terminal of the second relay and the other of the first capacitor The terminal and the second terminal of the second switch element are connected.
第二の回路は、第三のコンデンサと、第四のコンデンサと、コイルと、第三のスイッチ素子と、第四のスイッチ素子と、第五のスイッチ素子とを有し、第二のバッテリの正極端子と第三のコンデンサの一方の端子とコイルの一方の端子とが接続され、コイルの他方の端子と二次コイルの一方の端子と第三のスイッチ素子の第一の端子とが接続され、二次コイルの他方の端子と第四のスイッチ素子の第一の端子と第四のコンデンサの一方の端子とが接続され、第四のコンデンサの他方の端子と第五のスイッチ素子の第一の端子とが接続され、第二のバッテリの負極端子と第三のコンデンサの他方の端子と第三のスイッチ素子の第二の端子と第四のスイッチ素子の第二の端子と第五のスイッチ素子の第二の端子とが接続される。 The second circuit includes a third capacitor, a fourth capacitor, a coil, a third switch element, a fourth switch element, and a fifth switch element. The positive terminal, one terminal of the third capacitor, and one terminal of the coil are connected, and the other terminal of the coil, one terminal of the secondary coil, and the first terminal of the third switch element are connected. The other terminal of the secondary coil, the first terminal of the fourth switch element, and one terminal of the fourth capacitor are connected, the other terminal of the fourth capacitor and the first terminal of the fifth switch element. And the second terminal of the third switch element, the second terminal of the fourth switch element, and the fifth switch. The second terminal of the element is connected.
制御回路は、第一のコンデンサを第二のバッテリを用いて充電する場合、第一のリレーと第二のリレーとを遮断状態にし、第一のスイッチ素子と第二のスイッチ素子と第四のスイッチ素子とを遮断状態にし、第五のスイッチ素子を導通状態にし、第三のコンデンサに入力される入力電圧を用いて、入力電圧とソフトスタート期間とソフトスタート期間に設定するデューティとが関連付けられたソフトスタート情報を参照し、入力電圧に応じたソフトスタート期間とデューティを求め、求めたソフトスタート期間とデューティとを用いて、第三のスイッチ素子のソフトスタートを制御する。 When charging the first capacitor using the second battery, the control circuit shuts off the first relay and the second relay, the first switch element, the second switch element, and the fourth The switch element is turned off, the fifth switch element is turned on, and the input voltage, the soft start period, and the duty set in the soft start period are associated using the input voltage input to the third capacitor. With reference to the soft start information, the soft start period and the duty corresponding to the input voltage are obtained, and the soft start of the third switch element is controlled using the obtained soft start period and the duty.
また、制御回路は、異常を検知した場合、ソフトストップを用いて第三のスイッチ素子を停止する。
なお、制御回路は、電流検出回路から一次コイルに流れる電流を示す信号を取得し、取得した信号が示す電流が過電流である場合、異常を検知する。
In addition, when the control circuit detects an abnormality, the control circuit stops the third switch element using the soft stop.
The control circuit acquires a signal indicating the current flowing through the primary coil from the current detection circuit, and detects an abnormality when the current indicated by the acquired signal is an overcurrent.
昇圧動作においてスイッチング損失を低減できる。 Switching loss can be reduced in boost operation.
以下図面に基づいて実施形態について詳細を説明する。
図１は、フォワード方式の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１の一実施例を示す図である。なお、以降においてフォワード方式の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１をコンバータ１と言い換える。コンバータ１は、トランスＴ１と、バッテリＢ１（第一のバッテリ）とトランスＴ１の一次コイルＬ１とに並列接続される第一の回路２と、バッテリＢ２（第二のバッテリ）とトランスＴ１の二次コイルＬ２とに並列接続される第二の回路３と、第一の回路２と第二の回路３とを制御する制御回路４とを有する。
Hereinafter, embodiments will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a diagram showing an embodiment of a forward-type bidirectional DC-
第一の回路２は、リレーＲＬ１（第一のリレー）と、リレーＲＬ２（第二のリレー）と、コンデンサＣ１（第一のコンデンサ）と、コンデンサＣ２（第二のコンデンサ）と、スイッチ素子Ｑ１（第一のスイッチ素子）と、スイッチ素子Ｑ２（第二のスイッチ素子）と、電流検出回路ＣＴとを有する。
The
第二の回路３は、コンデンサＣ３（第三のコンデンサ）と、コンデンサＣ４（第四のコンデンサ）と、コイルＬ３と、スイッチ素子Ｑ３（第三のスイッチ素子）と、スイッチ素子Ｑ４（第四のスイッチ素子）と、スイッチ素子Ｑ５（第五のスイッチ素子）とを有する。
The
制御回路４は、第一の回路２と第二の回路３を制御し、降圧動作において、リレーＲＬ１、ＲＬ２はオン（導通状態）にしてバッテリＢ１から供給される電力を用いてバッテリＢ２を充電し、昇圧動作において、リレーＲＬ１、ＲＬ２をオフ（遮断状態）にしてバッテリＢ１を第一の回路２から切り離した状態にして、バッテリＢ２の電圧を昇圧させてコンデンサＣ１を充電する。
The
なお、バッテリＢ１の電圧とバッテリＢ２の電圧の関係は、バッテリＢ１の電圧＞バッテリＢ２の電圧の関係である。
なお、制御回路４は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、マルチコアＣＰＵ、プログラマブルなデバイス（ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）やＰＬＤ（Programmable Logic Device）など）などを用いて構成される。
Note that the relationship between the voltage of the battery B1 and the voltage of the battery B2 is a relationship of the voltage of the battery B1> the voltage of the battery B2.
The
また、スイッチ素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４、Ｑ５は、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）やＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などである。なお、図１ではＮチャンネルのＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）を用いているが、例えば、ダイオードが並列接続される他のトランジスタにより構成してもよい。 The switch elements Q1, Q2, Q3, Q4, and Q5 are MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors), IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors), and the like. Although an N-channel MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) is used in FIG. 1, for example, it may be constituted by another transistor having a diode connected in parallel.
また、電流検出回路ＣＴは、例えば、電流センサやシャント抵抗などである。なお、電流検出回路ＣＴは、降圧動作で用いる電流検出回路を流用してもよい。
コンバータ１の回路構成について説明をする。
The current detection circuit CT is, for example, a current sensor or a shunt resistor. Note that the current detection circuit CT may be a current detection circuit used in the step-down operation.
The circuit configuration of the
第一の回路２において、バッテリＢ１の正極端子とリレーＲＬ１の一方の端子とが接続され、リレーＲＬ１の他方の端子とコンデンサＣ１の一方の端子とコンデンサＣ２の一方の端子と一次コイルＬ１の一方の端子とが接続され、コンデンサＣ２の他方の端子とスイッチ素子Ｑ１のドレイン（第一の端子）とが接続され、スイッチ素子Ｑ１のソース（第二の端子）と一次コイルＬ１の他方の端子とスイッチ素子Ｑ２のドレイン（第一の端子）とが接続され、バッテリＢ１の負極端子とリレーＲＬ２の一方の端子とが接続され、リレーＲＬ２の他方の端子とコンデンサＣ１の他方の端子とスイッチ素子Ｑ２のソース（第二の端子）とが接続される。
In the
第二の回路３において、バッテリＢ２の正極端子とコンデンサＣ３の一方の端子とコイルＬ３の一方の端子とが接続され、コイルＬ３の他方の端子と二次コイルＬ２の一方の端子とスイッチ素子Ｑ３のドレイン（第一の端子）とが接続され、二次コイルＬ２の他方の端子とスイッチ素子Ｑ４のドレイン（第一の端子）とコンデンサＣ４の一方の端子とが接続され、コンデンサＣ４の他方の端子とスイッチ素子Ｑ５のドレイン（第一の端子）とが接続され、バッテリＢ２の負極端子とコンデンサＣ３の他方の端子とスイッチ素子Ｑ３のソース（第二の端子）とスイッチ素子Ｑ４のソース（第二の端子）とスイッチ素子Ｑ５のソース（第二の端子）とが接続される。
In the
また、スイッチ素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４、Ｑ５のゲート（制御端子）は制御回路４の制御端子Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５に接続される。また、リレーＲＬ１の制御端子は制御回路４の制御端子Ｐｒ１に接続され、リレーＲＬ２の制御端子は制御回路４の制御端子Ｐｒ２に接続され、電流検出回路ＣＴの出力端子は制御回路４の制御端子Ｐ６に接続されている。
The gates (control terminals) of the switch elements Q1, Q2, Q3, Q4, Q5 are connected to the control terminals P1, P2, P3, P4, P5 of the
コンバータ１の動作について説明する。
図２は、コンバータ１の動作を示す図である。
（１）図２の時刻ｔ０において、コンデンサＣ１をバッテリＢ２を用いて充電する場合（昇圧動作）、例えばプリチャージを行う場合、制御回路４は、バッテリＢ２の充電開始を示す許可信号を、制御回路４の上位のシステムなどから受信すると、バッテリＢ２から供給される電力を用いてコンデンサＣ１を充電させる制御を開始する。図２の許可信号を参照。
（２）制御回路４は、プリチャージを行う場合、リレーＲＬ１、ＲＬ２をオフにした状態で、まずソフトスタートを開始する。図２のＱ３ゲート端子を参照。なお、ソフトスタートを行う理由は、スイッチ素子Ｑ３のスイッチング損失を低減するためである。
The operation of the
FIG. 2 is a diagram illustrating the operation of the
(1) When the capacitor C1 is charged using the battery B2 (step-up operation) at time t0 in FIG. When receiving from a higher system of the
(2) When precharging, the
ソフトスタートについて説明をする。
（２−１）制御回路４は、ソフトスタートをする場合、スイッチ素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ４をオフ（遮断状態）にし、スイッチ素子Ｑ５をオン（導通状態）にする。図２のＱ５ゲート端子を参照。
（２−２）制御回路４は、図１に不図示の電圧計測部が計測したコンデンサＣ３の電圧（入力電圧Ｖｉｎ）を取得する。
（２−３）制御回路４は、入力電圧Ｖｉｎを用いて、入力電圧Ｖｉｎと、ソフトスタート期間Ｔｓと、ソフトスタート期間Ｔｓに設定するデューティＤｓとが関連付けられて記憶部に記憶されているソフトスタート情報を参照し、入力電圧に応じたソフトスタートを行うソフトスタート期間Ｔｓとソフトスタート期間Ｔｓに設定するデューティＤｓを求める。
The soft start will be explained.
(2-1) When performing the soft start, the
(2-2) The
(2-3) The
ソフトスタート期間Ｔｓは、入力電圧Ｖｉｎに応じて決まるソフトスタートを行う期間を示す情報である。
デューティＤｓは、ソフトスタート期間Ｔｓに含まれる、制御回路４がスイッチ素子Ｑ３に対して行うパルス幅変調（ＰＷＭ）の周期Ｔごとに設定されるスイッチ素子Ｑ３のデューティを示す情報である。例えば、ソフトスタート期間Ｔｓにｎ個の周期Ｔがある場合、ｎ個の周期Ｔごとにｎ個のデューティが設定される。なお、ｎは正の整数である。
The soft start period Ts is information indicating a period during which soft start is determined according to the input voltage Vin.
The duty Ds is information indicating the duty of the switch element Q3 set for each period T of pulse width modulation (PWM) performed by the
設定するデューティは、ソフトスタート期間Ｔｓを経過した後のプリチャージ期間（図２の時刻ｔ１から時刻ｔ２）で用いるデューティ（固定デューティ：図２のＱ３ゲート端子を参照）になるまで徐々に長くする。例えば、ソフトスタート期間Ｔｓが終わりに近づくほどデューティは長くなる。 The set duty is gradually increased until the duty (fixed duty: refer to the Q3 gate terminal in FIG. 2) used in the precharge period (time t1 to time t2 in FIG. 2) after the soft start period Ts has elapsed. . For example, the duty increases as the soft start period Ts approaches the end.
又は、設定するデューティは、ソフトスタート期間Ｔｓにおける入力電圧Ｖｉｎに応じて最適化する。すなわち、入力電圧Ｖｉｎが高いほどスイッチ素子Ｑ３のオン時間を短くする。言い換えれば、スイッチ素子Ｑ３のオフ時間を長くする。 Alternatively, the set duty is optimized according to the input voltage Vin in the soft start period Ts. That is, the higher the input voltage Vin, the shorter the ON time of the switch element Q3. In other words, the OFF time of the switch element Q3 is lengthened.
また、制御回路４は、ドレイン電圧ＶＱ３ｄが０［Ｖ］まで低下した後、スイッチ素子Ｑ３のターンオンがくるようにＰＷＭ制御をする。すなわち、スイッチ素子Ｑ３のターンオン時に、ドレイン電圧ＶＱ３ｄが０［Ｖ］で、コイルＬ３に流れる電流ＩＬ３が０［Ａ］以下になるように、制御回路４はデューティを設定する。ただし、スイッチ素子Ｑ３のスイッチング損失が低減できればよいので、必ずしもスイッチ素子Ｑ３のドレイン電圧ＶＱ３ｄが０［Ｖ］で、かつ電流ＩＬ３が０［Ａ］以下でなくてもよい。
In addition, the
ソフトスタート情報は、例えば、テーブルを用いてもよいし算出式を用いてもよい。また、ソフトスタート情報は、実験又はシミュレーションにより求める。
ソフトスタート情報がテーブルの場合について説明する。
As the soft start information, for example, a table or a calculation formula may be used. The soft start information is obtained by experiment or simulation.
A case where the soft start information is a table will be described.
ソフトスタート情報は、入力電圧Ｖｉｎを示す入力電圧情報（「Ｖｉｎ１」「Ｖｉｎ２」「Ｖｉｎ３」……「Ｖｉｎｍ」）と、入力電圧情報に関連付けられるソフトスタート期間Ｔｓを示すソフトスタート期間情報（入力電圧情報「Ｖｉｎ１」に対応したソフトスタート期間情報「Ｔｓ１」、入力電圧情報「Ｖｉｎ２」に対応したソフトスタート期間情報「Ｔｓ２」、入力電圧情報「Ｖｉｎ３」に対応したソフトスタート期間情報「Ｔｓ３」……入力電圧情報「Ｖｉｎｍ」に対応したソフトスタート期間情報「Ｔｓｍ」）と、入力電圧情報に関連付けられるソフトスタート期間ＴｓのデューティＤｓを示すデューティ情報（入力電圧情報「Ｖｉｎ１」に対応したデューティ情報「Ｄｓ１」、入力電圧情報「Ｖｉｎ２」に対応したデューティ情報「Ｄｓ２」、入力電圧情報「Ｖｉｎ３」に対応したデューティ情報「Ｄｓ３」……入力電圧情報「Ｖｉｎｍ」に対応したデューティ情報「Ｄｓｍ」）とを有している。なお、ｍは３より大きい正の整数である。 The soft start information includes input voltage information (“Vin1”, “Vin2”, “Vin3”... “Vinm”) indicating the input voltage Vin, and soft start period information (input voltage) indicating a soft start period Ts associated with the input voltage information. Soft start period information “Ts1” corresponding to the information “Vin1”, soft start period information “Ts2” corresponding to the input voltage information “Vin2”, soft start period information “Ts3” corresponding to the input voltage information “Vin3”. The soft start period information “Tsm” corresponding to the input voltage information “Vinm” and the duty information “Ds1 corresponding to the input voltage information“ Vin1 ”(duty information indicating the duty Ds of the soft start period Ts associated with the input voltage information) ”, Duty information corresponding to the input voltage information“ Vin2 ” "Ds2", and a duty information "Dsm") corresponding to the duty information "Ds3" ...... input voltage information corresponding to the input voltage information "Vin3," "Vinm". Note that m is a positive integer greater than 3.
例えば、制御回路４が取得した入力電圧情報が「Ｖｉｎ２」の場合、制御回路４は入力電圧情報「Ｖｉｎ２」に対応するソフトスタート期間情報「Ｔｓ２」と、デューティ情報「Ｄｓ２」とが求まる。そして、制御回路４は、ソフトスタート期間情報「Ｔｓ２」が示すソフトスタート期間Ｔｓに含まれる周期Ｔごとにデューティ情報「Ｄｓ２」が示すデューティＤｓを設定する。
For example, when the input voltage information acquired by the
（１）（２）の処理により、時刻ｔ０から時刻ｔ１において、ソフトスタートを用いてコンデンサＣ１が徐々に充電される。図２の出力電圧Ｖｏｕｔを参照。
（３）図２の時刻ｔ１（ソフトスタート期間Ｔｓを経過した時刻）において、制御回路４はソフトスタートの制御を終了する。
（４）制御回路４は、ソフトスタート終了後のプリチャージを行う。ソフトスタート終了後のプリチャージについて説明する。
（４−１）制御回路４が、スイッチ素子Ｑ３をオンにすると、バッテリＢ２からコイルＬ３へ電流が流れるとともに、コンデンサＣ４からトランスＴ１の二次コイルＬ２へ電流が流れ、コイルＬ３及びトランスＴ１の二次コイルＬ２にエネルギーが蓄積される。
（４−２）制御回路４が、スイッチ素子Ｑ３をオフにすると、コイルＬ３に蓄積されているエネルギーの一部がトランスＴ１を介してコンデンサＣ１へ移動するとともに、残りのエネルギーがコンデンサＣ４へ移動し、トランスＴ１の二次コイルＬ２に蓄積されているエネルギーがコンデンサＣ１へ移動する。
（４−３）制御回路４が、再度、スイッチ素子Ｑ３がオンすると、バッテリＢ２からコイルＬ３へエネルギーが移動するとともに、コンデンサＣ４からトランスＴ１の二次コイルＬ２へエネルギーが移動する。
（４−４）制御回路４が、再度、スイッチ素子Ｑ３がオフすると、コイルＬ３からコンデンサＣ１やコンデンサＣ４へエネルギーが移動するとともに、トランスＴ１の二次コイルＬ２からコンデンサＣ１へエネルギーが移動する。
(1) By the process of (2), from time t0 to time t1, the capacitor C1 is gradually charged using soft start. See the output voltage Vout in FIG.
(3) At time t1 (time when the soft start period Ts has elapsed) in FIG. 2, the
(4) The
(4-1) When the
(4-2) When the
(4-3) When the switching element Q3 is turned on again, the
(4-4) When the switching element Q3 is turned off again, the
このように（４）の（４−１）（４−２）（４−３）（４−４）の処理を繰り返すことで、時刻ｔ１から時刻ｔ２において、コンデンサＣ１が充電され、コンデンサＣ１の電圧（出力電圧Ｖｏｕｔ）が閾値Ｖｔｈに到達する。図２の出力電圧Ｖｏｕｔを参照。
（５）図２の時刻ｔ２（プリチャージ期間を経過した時刻）において、制御回路４がプリチャージを終了する。なお、制御回路４は、プリチャージが終了したことを示すプリチャージ完了フラグを設定する。図２のプリチャージ完了フラグを参照。
（６）制御回路４は、コンデンサＣ１の電圧が閾値Ｖｔｈ以上になると、リレーＲＬ１、ＲＬ２をオンしてバッテリＢ１から供給される電力を用いてバッテリＢ２を充電させる制御をする。
（６−１）制御回路４は、スイッチ素子Ｑ２をオンにし、スイッチ素子Ｑ３をオフにし、スイッチ素子Ｑ４をオンにし、スイッチ素子Ｑ５を常時オフにすると、バッテリＢ１からトランスＴ１の一次コイルＬ１へ電流が流れてトランスＴ１に起電力が発生し、その起電力によりスイッチ素子Ｑ４、トランスＴ１の二次コイルＬ２、コイルＬ３、コンデンサＣ３を介してバッテリＢ２へ電流が流れるとともに、コイルＬ３にエネルギーが蓄積される。
（６−２）制御回路４は、スイッチ素子Ｑ２をオフにし、スイッチ素子Ｑ３をオンにし、スイッチ素子Ｑ４をオフにすると、コイルＬ３に蓄積されているエネルギーが放出されて、スイッチ素子Ｑ３、コイルＬ３、コンデンサＣ３を介してバッテリＢ２へ電流が流れる。
Thus, by repeating the processing of (4-1), (4-2), (4-3), and (4-4) of (4), the capacitor C1 is charged from the time t1 to the time t2, and the capacitor C1 The voltage (output voltage Vout) reaches the threshold value Vth. See the output voltage Vout in FIG.
(5) At time t2 (time when the precharge period has elapsed) in FIG. 2, the
(6) When the voltage of the capacitor C1 becomes equal to or higher than the threshold value Vth, the
(6-1) When the switch circuit Q2 is turned on, the switch element Q3 is turned off, the switch element Q4 is turned on, and the switch element Q5 is always turned off, the
(6-2) When the
このように（６）の（６−１）（６−２）の処理を繰り返すことで、バッテリＢ２が充電される。
なお、制御回路４は、スイッチ素子Ｑ２をオンにするとき、スイッチ素子Ｑ１をオフにし、スイッチ素子Ｑ２をオフにするとき、スイッチ素子Ｑ１をオンにすると、スイッチ素子Ｑ１がオンしたとき、トランスＴ１の一次コイルＬ１に蓄積されているエネルギーがコンデンサＣ２に移動する。従って、制御回路４がスイッチ素子Ｑ２を再度オンにする前に、トランスＴ１の励磁を強制的にリセットさせることができる。
Thus, the battery B2 is charged by repeating the processes (6-1) and (6-2) of (6).
The
ソフトスタートの動作について説明をする。
図３のＡは、ソフトスタートを用いない場合の波形を示す図である。ソフトスタートを用いない場合、図３のＡに示すようにスイッチ素子Ｑ３がターンオンすると、コイルＬ３に流れる電流ＩＬ３が増加し始める。続いて、スイッチ素子Ｑ３がターンオフすると、スイッチ素子Ｑ３のドレイン電圧ＶＱ３ｄが上昇し始める。そしてスイッチ素子Ｑ３のドレイン電圧ＶＱ３ｄが入力電圧Ｖｉｎより高くなると、コイルＬ３に流れる電流ＩＬ３は減少に転じる。
The soft start operation will be described.
FIG. 3A is a diagram illustrating a waveform when the soft start is not used. When the soft start is not used, when the switch element Q3 is turned on as shown in FIG. 3A, the current IL3 flowing through the coil L3 starts to increase. Subsequently, when the switch element Q3 is turned off, the drain voltage VQ3d of the switch element Q3 starts to rise. When the drain voltage VQ3d of the switch element Q3 becomes higher than the input voltage Vin, the current IL3 flowing through the coil L3 starts to decrease.
しかし、スイッチ素子Ｑ３の次のターンオン時（時刻ｔ３ａ、ｔ３ｂ、ｔ３ｃ、ｔ３ｄ）に、スイッチ素子Ｑ３のドレイン電圧ＶＱ３ｄは入力電圧Ｖｉｎ以上であり、コイルＬ３に流れる電流ＩＬ３は０［Ａ］以下にならないため、スイッチ素子Ｑ３のターンオン時にスイッチング損失が大きくなる。 However, when the switch element Q3 is turned on next (time t3a, t3b, t3c, t3d), the drain voltage VQ3d of the switch element Q3 is equal to or higher than the input voltage Vin, and the current IL3 flowing through the coil L3 is equal to or lower than 0 [A]. Therefore, the switching loss increases when the switch element Q3 is turned on.
図３のＢは、ソフトスタートを用いた場合の波形を示す図である。ソフトスタートを用いた場合、スイッチ素子Ｑ３がターンオンすると、図３のＡと同じようにコイルＬ３に流れる電流ＩＬ３が増加し始める。続いて、スイッチ素子Ｑ３がターンオフすると、スイッチ素子Ｑ３のドレイン電圧ＶＱ３ｄが上昇し始める。そしてスイッチ素子Ｑ３のドレイン電圧ＶＱ３ｄが入力電圧Ｖｉｎより高くなると、コイルＬ３に流れる電流ＩＬ３は減少に転じる。 FIG. 3B is a diagram showing a waveform when soft start is used. When the soft start is used, when the switch element Q3 is turned on, the current IL3 flowing through the coil L3 starts to increase as in FIG. 3A. Subsequently, when the switch element Q3 is turned off, the drain voltage VQ3d of the switch element Q3 starts to rise. When the drain voltage VQ3d of the switch element Q3 becomes higher than the input voltage Vin, the current IL3 flowing through the coil L3 starts to decrease.
しかし、図３のＢではスイッチ素子Ｑ３のオン時間を徐々に長くしているため、すなわち図３のＡと比べて図３のＢのスイッチ素子Ｑ３のオン時間が短いため、コイルＬ３に流れる電流ＩＬ３は、スイッチ素子Ｑ３の次のターンオン時（時刻ｔ３ａ′、ｔ３ｂ′、ｔ３ｃ′、ｔ３ｄ′）までに０［Ａ］以下まで低下する。また、コイルＬ３に流れる電流ＩＬ３が０［Ａ］になると、スイッチ素子Ｑ３のドレイン電圧ＶＱ３ｄも降下に転じ、スイッチ素子Ｑ３の次のターンオン時（時刻ｔ３ａ′、ｔ３ｂ′、ｔ３ｃ′、ｔ３ｄ′）までに０［Ｖ］まで低下する。 However, in FIG. 3B, the on-time of the switch element Q3 is gradually increased, that is, the on-time of the switch element Q3 of FIG. 3B is shorter than that of A of FIG. IL3 decreases to 0 [A] or less by the next turn-on of the switching element Q3 (time t3a ′, t3b ′, t3c ′, t3d ′). Further, when the current IL3 flowing through the coil L3 becomes 0 [A], the drain voltage VQ3d of the switch element Q3 also falls, and at the next turn-on of the switch element Q3 (time t3a ′, t3b ′, t3c ′, t3d ′). By the time, it drops to 0 [V].
従って、スイッチ素子Ｑ３の次のターンオン時（時刻ｔ３ａ′、ｔ３ｂ′、ｔ３ｃ′、ｔ３ｄ′）において、スイッチ素子Ｑ３のドレイン電圧ＶＱ３ｄは０［Ｖ］であり、コイルＬ３に流れる電流ＩＬ３は０［Ａ］以下となるので、スイッチ素子Ｑ３のターンオン時のスイッチング損失を低減することができる。 Therefore, at the next turn-on time of the switching element Q3 (time t3a ′, t3b ′, t3c ′, t3d ′), the drain voltage VQ3d of the switching element Q3 is 0 [V], and the current IL3 flowing through the coil L3 is 0 [V]. A] Since this is the following, the switching loss when the switching element Q3 is turned on can be reduced.
図４のＡは、ソフトスタートを用いた場合の入力電圧Ｖｉｎが高いときの波形を示している。ソフトスタートを用いても、入力電圧Ｖｉｎが高くなると、コイルＬ３に流れる電流ＩＬ３の傾き（ｄＩＬ３／ｄｔ）が急峻になり、スイッチ素子Ｑ３のオフ時に、スイッチ素子Ｑ３のドレイン電圧ＶＱ３ｄが下がりきらなくなり、スイッチ素子Ｑ３のターンオン時にスイッチング損失が発生する。 FIG. 4A shows a waveform when the input voltage Vin is high when soft start is used. Even when the soft start is used, when the input voltage Vin increases, the slope of the current IL3 flowing through the coil L3 (dIL3 / dt) becomes steep, and the drain voltage VQ3d of the switch element Q3 cannot be lowered when the switch element Q3 is turned off. A switching loss occurs when the switch element Q3 is turned on.
そこで、上述したように、入力電圧Ｖｉｎを用いて、ソフトスタート情報を参照し、入力電圧に応じたソフトスタートを行う。図４のＢは、ソフトスタート情報を用いてソフトスタートをした場合の入力電圧Ｖｉｎが高いときの波形を示している。 Therefore, as described above, the soft start according to the input voltage is performed by referring to the soft start information using the input voltage Vin. FIG. 4B shows a waveform when the input voltage Vin is high when soft start is performed using the soft start information.
図４のＢでは、入力電圧Ｖｉｎに応じて、ソフトスタート期間Ｔｓのスイッチ素子Ｑ３のデューティを最適化し、ドレイン電圧ＶＱ３ｄが０［Ｖ］まで低下した後、スイッチ素子Ｑ３のターンオンがくるようにしている。 In FIG. 4B, the duty of the switch element Q3 in the soft start period Ts is optimized according to the input voltage Vin, and the switch element Q3 is turned on after the drain voltage VQ3d is reduced to 0 [V]. Yes.
このように、スイッチ素子Ｑ３に対してソフトスタートをすることで、スイッチ素子Ｑ３のスイッチング損失を低減できる。
また、制御回路４は、プリチャージにおいてコンバータ１の異常を検知した場合、ソフトストップを用いてスイッチ素子Ｑ３を停止する。
In this way, by performing a soft start on the switch element Q3, the switching loss of the switch element Q3 can be reduced.
理由は、異常を検知した後にスイッチ素子Ｑ３を急停止すると、スイッチ素子Ｑ３に流れる電流が大きいため、スイッチ素子Ｑ３に印加されるサージ電圧が大きくなり、スイッチ素子Ｑ３が損傷する虞がある。そこで、異常を検知した場合、ソフトストップを用いてスイッチ素子Ｑ３に流れる電流を徐々に減らしてから、スイッチ素子Ｑ３を停止させることで、スイッチ素子Ｑ３の損傷を回避する。例えば、ソフトストップ期間におけるスイッチ素子Ｑ３のデューティを最適化し、ドレイン電圧ＶＱ３ｄが０［Ｖ］まで低下した後、スイッチ素子Ｑ３のターンオンがくるようにする。 The reason is that if the switch element Q3 is suddenly stopped after detecting an abnormality, the current flowing through the switch element Q3 is large, so that the surge voltage applied to the switch element Q3 increases, and the switch element Q3 may be damaged. Therefore, when an abnormality is detected, the current flowing through the switch element Q3 is gradually reduced using a soft stop, and then the switch element Q3 is stopped to avoid damage to the switch element Q3. For example, the duty of the switch element Q3 in the soft stop period is optimized, and the switch element Q3 is turned on after the drain voltage VQ3d is reduced to 0 [V].
制御回路４は、電流検出回路ＣＴから一次コイルＬ１に流れる電流を示す信号を取得し、取得した信号が示す電流が過電流である場合、異常を検知する。例えば、図１に示す電流検出回路ＣＴを用いて異常を検知する。なお、電流検出回路ＣＴは、降圧動作時で用いる電流計測部を流用してもよい。
The
また、図１に不図示の電圧計測部を用いてコンデンサＣ１の電圧を計測し、コンデンサＣ１の電圧を用いて異常を検知してもよいし、図１に不図示の電圧計測部を用いてコンデンサＣ３の電圧を計測し、コンデンサＣ３の電圧を用いて異常を検知してもよい。なお、上記電圧計測部は、降圧動作で用いる保護回路の電圧計測部を流用してもよい。 Further, the voltage of the capacitor C1 may be measured using a voltage measurement unit (not shown in FIG. 1), and an abnormality may be detected using the voltage of the capacitor C1, or the voltage measurement unit (not shown in FIG. 1) may be used. An abnormality may be detected by measuring the voltage of the capacitor C3 and using the voltage of the capacitor C3. Note that the voltage measurement unit may use the voltage measurement unit of the protection circuit used in the step-down operation.
また、本発明のコンバータ１は、フォワード方式を採用したので、プリチャージにおける位相補償に対する設計と評価をする時間を短縮することができる。また、本発明のコンバータ１は、プリチャージ（昇圧動作）においてソフトスタートを採用したので、降圧動作向けの放熱構造を変更しないため、放熱構造に対する設計及び評価などを行う時間を短縮することができる。また、昇圧動作向けの放熱構造の大型化・複雑化を回避できる。
Further, since the
また、本発明は、以上の実施形態に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変更が可能である。 Further, the present invention is not limited to the above embodiment, and various improvements and changes can be made without departing from the gist of the present invention.
１ コンバータ
２ 第一の回路
３ 第二の回路
４ 制御回路
Ｂ１、Ｂ２ バッテリ
Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４ コンデンサ
ＣＴ 電流検出回路
Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４、Ｑ５ スイッチ素子
Ｌ１ 一次コイル
Ｌ２ 二次コイル
Ｌ３ コイル
Ｔ１ トランス
DESCRIPTION OF
Claims (3)
第二のバッテリと前記トランスの二次コイルとに並列接続される第二の回路と、
前記第一の回路と前記第二の回路とを制御する制御回路と、を有するフォワード方式の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータであって、
前記第一の回路は、
第一のリレーと、第二のリレーと、第一のコンデンサと、第二のコンデンサと、第一のスイッチ素子と、第二のスイッチ素子とを有し、
前記第一のバッテリの正極端子と前記第一のリレーの一方の端子とが接続され、前記第一のリレーの他方の端子と前記第一のコンデンサの一方の端子と前記第二のコンデンサの一方の端子と前記一次コイルの一方の端子とが接続され、前記第二のコンデンサの他方の端子と前記第一のスイッチ素子の第一の端子とが接続され、前記第一のスイッチ素子の第二の端子と前記一次コイルの他方の端子と前記第二のスイッチ素子の第一の端子とが接続され、前記第一のバッテリの負極端子と前記第二のリレーの一方の端子とが接続され、前記第二のリレーの他方の端子と前記第一のコンデンサの他方の端子と前記第二のスイッチ素子の第二の端子とが接続され、
前記第二の回路は、
第三のコンデンサと、第四のコンデンサと、コイルと、第三のスイッチ素子と、第四のスイッチ素子と、第五のスイッチ素子とを有し、
前記第二のバッテリの正極端子と前記第三のコンデンサの一方の端子と前記コイルの一方の端子とが接続され、前記コイルの他方の端子と前記二次コイルの一方の端子と前記第三のスイッチ素子の第一の端子とが接続され、前記二次コイルの他方の端子と前記第四のスイッチ素子の第一の端子と第四のコンデンサの一方の端子とが接続され、前記第四のコンデンサの他方の端子と前記第五のスイッチ素子の第一の端子とが接続され、前記第二のバッテリの負極端子と前記第三のコンデンサの他方の端子と前記第三のスイッチ素子の第二の端子と前記第四のスイッチ素子の第二の端子と前記第五のスイッチ素子の第二の端子とが接続され、
前記制御回路は、
前記第一のコンデンサを前記第二のバッテリを用いて充電する場合、前記第一のリレーと前記第二のリレーとを遮断状態にし、前記第一のスイッチ素子と前記第二のスイッチ素子と前記第四のスイッチ素子とを遮断状態にし、前記第五のスイッチ素子を導通状態にし、
前記第三のコンデンサに入力される入力電圧を用いて、前記入力電圧とソフトスタート期間と前記ソフトスタート期間に設定するデューティとが関連付けられたソフトスタート情報を参照し、前記入力電圧に応じた前記ソフトスタート期間と前記デューティを求め、
求めた前記ソフトスタート期間と前記デューティとを用いて、前記第三のスイッチ素子の前記ソフトスタートを制御する、
ことを特徴とするフォワード方式の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ。 A first circuit connected in parallel to the first battery and the primary coil of the transformer;
A second circuit connected in parallel to a second battery and a secondary coil of the transformer;
A forward bidirectional DC-DC converter having a control circuit for controlling the first circuit and the second circuit,
The first circuit is:
A first relay, a second relay, a first capacitor, a second capacitor, a first switch element, and a second switch element;
The positive terminal of the first battery and one terminal of the first relay are connected, and the other terminal of the first relay, one terminal of the first capacitor, and one of the second capacitor Is connected to one terminal of the primary coil, the other terminal of the second capacitor is connected to the first terminal of the first switch element, and the second terminal of the first switch element is connected. And the other terminal of the primary coil and the first terminal of the second switch element are connected, the negative terminal of the first battery and one terminal of the second relay are connected, The other terminal of the second relay, the other terminal of the first capacitor, and the second terminal of the second switch element are connected,
The second circuit is:
A third capacitor, a fourth capacitor, a coil, a third switch element, a fourth switch element, and a fifth switch element;
The positive terminal of the second battery, one terminal of the third capacitor, and one terminal of the coil are connected, the other terminal of the coil, one terminal of the secondary coil, and the third terminal A first terminal of the switch element is connected, the other terminal of the secondary coil, the first terminal of the fourth switch element, and one terminal of a fourth capacitor are connected, and the fourth terminal The other terminal of the capacitor is connected to the first terminal of the fifth switch element, the negative terminal of the second battery, the other terminal of the third capacitor, and the second terminal of the third switch element. And the second terminal of the fourth switch element and the second terminal of the fifth switch element are connected,
The control circuit includes:
When charging the first capacitor using the second battery, the first relay and the second relay are cut off, the first switch element, the second switch element, and the The fourth switch element is turned off, the fifth switch element is turned on,
Using the input voltage input to the third capacitor, referring to soft start information in which the input voltage, the soft start period, and the duty set in the soft start period are associated with each other, and according to the input voltage Obtain the soft start period and the duty,
Using the determined soft start period and the duty, the soft start of the third switch element is controlled,
A forward-type bidirectional DC-DC converter characterized by the above.
前記制御回路は、
異常を検知をした場合、ソフトストップを用いて前記第三のスイッチ素子を停止する、
ことを特徴とするフォワード方式の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ。 A bidirectional bidirectional DC-DC converter according to claim 1,
The control circuit includes:
When an abnormality is detected, the third switch element is stopped using a soft stop.
A forward-type bidirectional DC-DC converter characterized by the above.
前記制御回路は、
前記一次コイルに流れる電流を示す信号を取得し、取得した信号の示す電流が過電流である場合、前記異常を検知する、
ことを特徴とするフォワード方式の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ。 A bidirectional bidirectional DC-DC converter according to claim 2,
The control circuit includes:
When a signal indicating the current flowing through the primary coil is acquired and the current indicated by the acquired signal is an overcurrent, the abnormality is detected.
A forward-type bidirectional DC-DC converter characterized by the above.
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