JP2020137347A - Voltage conversion device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電圧変換装置に関する。 The present invention relates to a voltage converter.
従来、直列に接続された2つの負荷の接続点の電圧(例えば、中点電圧)を調整しながら、2つの負荷に電圧を供給する電力変換装置が知られている(例えば、特許文献1参照)。この電力変換装置は、電動車両に搭載される補機類などの複数の負荷にバッテリの出力電圧を分圧して供給するDC/DCコンバータを備える。DC/DCコンバータは、直列に接続された2つのスイッチング素子と、直列に接続された2つのコンデンサと、2つのスイッチング素子の接続点と2つのコンデンサの接続点との間に接続されたインダクタと、を備える。2つの負荷と、2つのスイッチング素子と、2つのコンデンサとは、バッテリの正極端子と負極端子との間に並列に接続されている。 Conventionally, there is known a power conversion device that supplies a voltage to two loads while adjusting the voltage (for example, the midpoint voltage) of two loads connected in series (see, for example, Patent Document 1). ). This power conversion device includes a DC / DC converter that divides and supplies the output voltage of the battery to a plurality of loads such as auxiliary machinery mounted on an electric vehicle. A DC / DC converter consists of two switching elements connected in series, two capacitors connected in series, and an inductor connected between the connection point of the two switching elements and the connection point of the two capacitors. , Equipped with. The two loads, the two switching elements, and the two capacitors are connected in parallel between the positive electrode terminal and the negative electrode terminal of the battery.
ところで、上記従来技術に係る電力変換装置においては、中点電圧を調整する際に、直列に接続された2つのスイッチング素子の各々にバッテリの出力電圧が印加される場合が生じる。このため、各スイッチング素子の定格電圧は、少なくともバッテリの出力電圧まで高く設定される必要が生じ、電力変換装置の構成に要する費用が嵩むという問題が生じる。 By the way, in the power conversion device according to the above-mentioned prior art, when adjusting the midpoint voltage, the output voltage of the battery may be applied to each of the two switching elements connected in series. Therefore, the rated voltage of each switching element needs to be set as high as at least the output voltage of the battery, which causes a problem that the cost required for configuring the power conversion device increases.
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、構成に要する費用の増大を抑制することが可能な電圧変換装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a voltage conversion device capable of suppressing an increase in cost required for configuration.
上記課題を解決して係る目的を達成するために、本発明は以下の態様を採用した。
(1)本発明の一態様に係る電圧変換装置(例えば、実施形態での電圧変換装置1)は、電源(例えば、実施形態でのバッテリ11)の正極端子(例えば、実施形態での正極端子PB)に接続される上アーム素子(例えば、実施形態での第1トランジスタSW1)と、前記電源の負極端子(例えば、実施形態での負極端子NB)に接続される下アーム素子(例えば、実施形態での第2トランジスタSW2)と、前記正極端子と前記負極端子との間の中間端子(例えば、実施形態での中間端子MV)と、前記上アーム素子との間に接続される第1リアクトル(例えば、実施形態での第1リアクトル21)と、前記中間端子と前記下アーム素子との間に接続される第2リアクトル(例えば、実施形態での第2リアクトル22)と、前記上アーム素子及び前記下アーム素子のスイッチングを制御する制御部(例えば、実施形態での電子制御ユニット15)と、を備える。
In order to solve the above problems and achieve the above object, the present invention has adopted the following aspects.
(1) The voltage conversion device according to one aspect of the present invention (for example, the
(2)上記(1)に記載の電圧変換装置は、前記中間端子と前記上アーム素子との間に前記第1リアクトルと並列に接続される第1ダイオード(例えば、実施形態での第1ダイオード23)と、前記中間端子と前記下アーム素子との間に前記第2リアクトルと並列に接続される第2ダイオード(例えば、実施形態での第2ダイオード24)と、を備えてもよい。
(2) The voltage conversion device according to (1) above is a first diode connected in parallel with the first reactor between the intermediate terminal and the upper arm element (for example, the first diode in the embodiment). 23) and a second diode (for example, the
(3)上記(1)又は(2)に記載の電圧変換装置では、前記制御部は、前記上アーム素子及び前記下アーム素子のスイッチングを制御することにより、前記中間端子から出力される電圧を所定値に維持してもよい。 (3) In the voltage conversion device according to (1) or (2) above, the control unit controls switching between the upper arm element and the lower arm element to obtain a voltage output from the intermediate terminal. It may be maintained at a predetermined value.
(4)上記(1)から(3)の何れか1つに記載の電圧変換装置では、前記上アーム素子の定格電圧及び前記下アーム素子の定格電圧は、前記正極端子及び前記負極端子間に印加される電圧よりも低くてもよい。 (4) In the voltage conversion device according to any one of (1) to (3) above, the rated voltage of the upper arm element and the rated voltage of the lower arm element are between the positive electrode terminal and the negative electrode terminal. It may be lower than the applied voltage.
(5)上記(4)に記載の電圧変換装置では、前記上アーム素子の定格電圧と前記下アーム素子の定格電圧との差は、所定範囲以内であってもよい。 (5) In the voltage conversion device according to (4) above, the difference between the rated voltage of the upper arm element and the rated voltage of the lower arm element may be within a predetermined range.
(6)上記(1)から(5)の何れか1つに記載の電圧変換装置は、前記正極端子と前記中間端子との間に接続される第1負荷(例えば、実施形態での第1負荷25)と、前記中間端子と前記負極端子との間に接続される第2負荷(例えば、実施形態での第2負荷26)と、を備え、前記第1負荷の消費電力と前記第2負荷の消費電力との差は、所定範囲以内であってもよい。
(6) The voltage conversion device according to any one of (1) to (5) above has a first load (for example, a first load in the embodiment) connected between the positive electrode terminal and the intermediate terminal. A load 25) and a second load (for example, a
(7)上記(1)から(6)の何れか1つに記載の電圧変換装置では、前記正極端子及び前記負極端子に接続される蓄電装置(例えば、実施形態でのバッテリ11)と、モータ(例えば、実施形態でのモータ12)と、前記モータとの間で電力を授受する電力変換装置(例えば、実施形態でのパワーモジュール13)と、前記モータのステータ巻線を経由して接続される充電器インレット(例えば、実施形態での充電器インレット31)と、を備えてもよい。
(7) In the voltage conversion device according to any one of (1) to (6) above, the power storage device (for example, the
上記(1)によれば、上アーム素子及び下アーム素子は、第1リアクトル及び第2リアクトルを介して接続されているので、正極端子及び負極端子間の電圧は分圧されて、上アーム素子及び下アーム素子の各々に印加される。これにより、例えば、正極端子と負極端子との間の電圧が分圧されずに上アーム素子及び下アーム素子の各々に集中して印加される場合に比べて、上アーム素子及び下アーム素子の各々の耐圧を低くすることができ、装置構成に要する費用の増大を抑制することができる。 According to the above (1), since the upper arm element and the lower arm element are connected via the first reactor and the second reactor, the voltage between the positive electrode terminal and the negative electrode terminal is divided and the upper arm element is divided. And applied to each of the lower arm elements. As a result, for example, as compared with the case where the voltage between the positive electrode terminal and the negative electrode terminal is concentratedly applied to each of the upper arm element and the lower arm element without being divided, the upper arm element and the lower arm element The withstand voltage of each can be lowered, and an increase in the cost required for the device configuration can be suppressed.
上記(2)の場合、上アーム素子及び下アーム素子のスイッチングに伴って第1リアクトル及び第2リアクトルの各々に生じる逆起電圧(サージ電圧)を、第1ダイオード及び第2ダイオードの各々を順方向に流れる電流によって吸収(消費)することができる。 In the case of (2) above, the counter electromotive voltage (surge voltage) generated in each of the first reactor and the second reactor due to the switching of the upper arm element and the lower arm element is sequentially applied to each of the first diode and the second diode. It can be absorbed (consumed) by the current flowing in the direction.
上記(3)の場合、上アーム素子及び下アーム素子のスイッチングによって中間端子から出力される電圧を容易に所定値に維持することができる。 In the case of (3) above, the voltage output from the intermediate terminal can be easily maintained at a predetermined value by switching between the upper arm element and the lower arm element.
上記(4)の場合、例えば、上アーム素子及び下アーム素子の各々の定格電圧が正極端子と負極端子との間の電圧以上に設定される場合に比べて、装置構成に要する費用の増大を抑制することができる。 In the case of (4) above, for example, the cost required for the device configuration is increased as compared with the case where the rated voltage of each of the upper arm element and the lower arm element is set to be equal to or higher than the voltage between the positive electrode terminal and the negative electrode terminal. It can be suppressed.
上記(5)の場合、上アーム素子の定格電圧と下アーム素子の定格電圧とを所定範囲以内で等しくすることができ、例えば所定範囲を超えて定格電圧が異なる上アーム素子及び下アーム素子を備える場合に比べて、装置構成に要する費用の増大を抑制することができる。 In the case of (5) above, the rated voltage of the upper arm element and the rated voltage of the lower arm element can be equalized within a predetermined range. For example, the upper arm element and the lower arm element having different rated voltages beyond the predetermined range can be used. It is possible to suppress an increase in the cost required for the device configuration as compared with the case of providing the device.
上記(6)の場合、第1負荷の消費電力と第2負荷の消費電力とを所定範囲以内で等しくすることができ、例えば所定範囲を超えて消費電力が異なる第1負荷及び第2負荷を備える場合に比べて、装置構成に要する費用の増大を抑制することができる。 In the case of (6) above, the power consumption of the first load and the power consumption of the second load can be equalized within a predetermined range, for example, the first load and the second load having different power consumption beyond the predetermined range It is possible to suppress an increase in the cost required for the device configuration as compared with the case of providing the device.
上記(7)の場合、充電器インレットから入力される電圧を、モータのステータ巻線及び電力変換装置を用いて昇圧することができ、充電器インレットに接続される充電器の定格電圧以上において蓄電装置を充電することができる。 In the case of (7) above, the voltage input from the charger inlet can be boosted by using the stator winding of the motor and the power conversion device, and the voltage is stored at the rated voltage or higher of the charger connected to the charger inlet. The device can be charged.
以下、本発明の電圧変換装置の一実施形態について添付図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, an embodiment of the voltage conversion device of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
本実施形態による電圧変換装置は、例えば、モータとバッテリとの間の電力授受を制御するパワーモジュールに接続されている。例えば、電圧変換装置及びパワーモジュールは、電動車両等に搭載されている。電動車両は、電気自動車、ハイブリッド車両、及び燃料電池車両等である。電気自動車は、バッテリを動力源として駆動する。ハイブリッド車両は、バッテリ及び内燃機関を動力源として駆動する。燃料電池車両は、燃料電池を動力源として駆動する。 The voltage converter according to this embodiment is connected to, for example, a power module that controls power transfer between a motor and a battery. For example, a voltage converter and a power module are mounted on an electric vehicle or the like. The electric vehicle is an electric vehicle, a hybrid vehicle, a fuel cell vehicle, or the like. Electric vehicles are powered by batteries. The hybrid vehicle is driven by a battery and an internal combustion engine as power sources. A fuel cell vehicle is driven by a fuel cell as a power source.
<車両>
図1は、本発明の実施形態に係る電圧変換装置1を搭載する車両10の一部の構成を示す図である。
図1に示すように、車両10は、電圧変換装置1に加えて、バッテリ11(BATT)と、走行駆動用のモータ12(MOT)と、パワーモジュール13と、電流センサ14と、電子制御ユニット15(MOT ECU)と、ゲートドライブユニット16(G/D VCU ECU)と、を備える。
<Vehicle>
FIG. 1 is a diagram showing a partial configuration of a
As shown in FIG. 1, in addition to the
バッテリ11は、例えば、車両10の動力源である高圧のバッテリである。バッテリ11は、バッテリケースと、バッテリケース内に収容される複数のバッテリモジュールと、を備える。バッテリモジュールは、直列に接続される複数のバッテリセルを備える。
バッテリ11は、直流コネクタ17aに接続される正極端子PB及び負極端子NBを備える。正極端子PB及び負極端子NBは、バッテリケース内において直列に接続される複数のバッテリモジュールの正極端及び負極端に接続されている。
The
The
モータ12は、バッテリ11から供給される電力によって回転駆動力(力行動作)を発生させる。モータ12は、回転軸に入力される回転駆動力によって発電電力を発生させてもよい。モータ12は、内燃機関の回転動力が伝達可能に構成されてもよい。例えば、モータ12は、3相交流のブラシレスDCモータである。3相は、U相、V相、及びW相である。
モータ12は、界磁用の永久磁石を有する回転子と、回転子を回転させる回転磁界を発生させるための3相のステータ巻線を有する固定子と、を備える。モータ12の3相のステータ巻線は、3相コネクタ17bに接続されている。
The
The
パワーモジュール13は、例えば、3相コネクタ13bによってモータ12の3相のステータ巻線に接続されている。パワーモジュール13は、バッテリ11から入力される直流電力を3相交流電力に変換する。パワーモジュール13は、モータ12から入力される3相交流電力を直流電力に変換してもよい。パワーモジュール13によって変換された直流電力は、バッテリ11に供給することが可能である。
The
パワーモジュール13は、ブリッジ接続される複数のスイッチング素子によって形成されるブリッジ回路を備える。例えば、スイッチング素子は、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、又はMOSFET(Metal Oxide Semi-conductor Field Effect Transistor)等のトランジスタである。例えば、ブリッジ回路においては、対を成すハイサイドアーム及びローサイドアームU相トランジスタUH,ULと、対を成すハイサイドアーム及びローサイドアームV相トランジスタVH,VLと、対を成すハイサイドアーム及びローサイドアームW相トランジスタWH,WLとが、それぞれブリッジ接続されている。
The
ハイサイドアームの各トランジスタUH,VH,WHは、コレクタが正極バスバーPIに接続されてハイサイドアームを構成している。各相においてハイサイドアームの各正極バスバーPIは、電圧変換装置1の正極バスバーPVに接続されている。
ローサイドアームの各トランジスタUL,VL,WLは、エミッタが負極バスバーNIに接続されてローサイドアームを構成している。各相においてローサイドアームの各負極バスバーNIは、電圧変換装置1の負極バスバーNVに接続されている。
なお、各正極バスバーPI,PV同士の接続及び各負極バスバーNI,NV同士の接続には、例えば、ボルト締結よりも小型であるとともに、絶縁部位の熱損傷を抑制するように、レーザ溶接又はクリップによる接続などが採用されている。
In each transistor UH, VH, WH of the high side arm, a collector is connected to the positive electrode bus bar PI to form a high side arm. In each phase, each positive electrode bus bar PI of the high sidearm is connected to the positive electrode bus bar PV of the
The emitters of each of the transistors UL, VL, and WL of the low side arm are connected to the negative electrode bus bar NI to form the low side arm. In each phase, each negative electrode bus bar NI of the low side arm is connected to the negative electrode bus bar NV of the
The connection between the positive electrode bus bars PI and PV and the connection between the negative electrode bus bars NI and NV are, for example, smaller than bolt fastening and laser welded or clipped so as to suppress thermal damage to the insulated portion. Connection etc. are adopted.
各相においてハイサイドアームの各トランジスタUH,VH,WHのエミッタは、接続点TIにおいてローサイドアームの各トランジスタUL,VL,WLのコレクタに接続されている。
各相において接続点TIを形成する入出力バスバー18は入出力端子Qに接続されている。入出力端子Qは、3相コネクタ17bに接続されている。各相の接続点TIは、入出力バスバー18、入出力端子Q、及び3相コネクタ17bを介してモータ12の各相のステータ巻線に接続されている。
ブリッジ回路は、各トランジスタUH,UL,VH,VL,WH,WLのコレクタ−エミッタ間においてエミッタからコレクタに向けて順方向となるように接続されるダイオードを備えている。
In each phase, the emitters of the high-side arm transistors UH, VH, and WH are connected to the collectors of the low-side arm transistors UL, VL, and WL at the connection point TI.
The input /
The bridge circuit includes a diode connected between the collector and the emitter of each transistor UH, UL, VH, VL, WH, and WL so as to be forward from the emitter to the collector.
パワーモジュール13は、ゲートドライブユニット16から各トランジスタUH,VH,WH,UL,VL,WLのゲートに入力されるスイッチング指令であるゲート信号に基づき、各相のトランジスタ対のオン(導通)/オフ(遮断)を切り替える。パワーモジュール13は、バッテリ11から電圧変換装置1を介して入力される直流電力を3相交流電力に変換し、モータ12の3相のステータ巻線への通電を順次転流させることで、3相のステータ巻線に交流のU相電流、V相電流、及びW相電流を通電する。
パワーモジュール13は、モータ12の回転に同期がとられた各相のトランジスタ対のオン(導通)/オフ(遮断)駆動によって、モータ12の3相のステータ巻線から出力される3相交流電力を直流電力に変換してもよい。パワーモジュール13によって3相交流電力から変換された直流電力は、電圧変換装置1を介してバッテリ11に供給することが可能である。
The
The
電流センサ14は、例えば、各相の入出力バスバー18に配置され、U相、V相、及びW相の各々の電流を検出する。電流センサ14は、信号線によって電子制御ユニット15に接続されている。
The
電子制御ユニット15は、モータ12の動作を制御する。例えば、電子制御ユニット15は、CPU(Central Processing Unit)等のプロセッサによって所定のプログラムが実行されることにより機能するソフトウェア機能部である。ソフトウェア機能部は、CPU等のプロセッサ、プログラムを格納するROM(Read Only Memory)、データを一時的に記憶するRAM(Random Access Memory)、及びタイマー等の電子回路を備えるECU(Electronic Control Unit)である。なお、電子制御ユニット15の少なくとも一部は、LSI(Large Scale Integration)等の集積回路であってもよい。
The
例えば、電子制御ユニット15は、電流センサ14の電流検出値とモータ12に対するトルク指令値に応じた電流目標値とを用いる電流のフィードバック制御等を実行し、ゲートドライブユニット16に入力する制御信号を生成する。制御信号は、パワーモジュール13の各トランジスタ対をオン(導通)/オフ(遮断)駆動するタイミングを示す信号である。例えば、制御信号は、パルス幅変調された信号等である。
また、電子制御ユニット15は、電流センサ14の電流検出値とモータ12に対する回生指令値に応じた電流目標値とを用いる電流のフィードバック制御等を実行し、ゲートドライブユニット16に入力する制御信号を生成してもよい。
For example, the
Further, the
ゲートドライブユニット16は、電子制御ユニット15から受け取る制御信号に基づいて、パワーモジュール13の各トランジスタ対を実際にオン(導通)/オフ(遮断)駆動するためのゲート信号を生成する。例えば、ゲートドライブユニット16は、制御信号の増幅及びレベルシフト等を実行して、ゲート信号を生成する。
ゲートドライブユニット16は、電圧変換装置1の各トランジスタSW1,SW2をオン(導通)/オフ(遮断)駆動するためのゲート信号を生成する。例えば、ゲートドライブユニット16は、電圧変換装置1の電圧調整時における電圧指令に応じたデューティー比のゲート信号を生成する。デューティー比は、例えば、各トランジスタSW1,SW2のオン時間の比率である。
The
The
<電圧変換装置>
電圧変換装置1は、対を成す2つのスイッチング素子と、第1リアクトル21及び第2リアクトル22と、第1ダイオード23及び第2ダイオード24と、第1コンデンサC1a及び第2コンデンサC1bと、平滑コンデンサC2と、第1負荷(Sa)25及び第2負荷(Sb)26と、を備える。
<Voltage converter>
The
対を成す2つのスイッチング素子は、例えば、ハイサイドアームの第1トランジスタSW1及びローサイドアームの第2トランジスタSW2である。
第1トランジスタSW1は、コレクタが正極バスバーPVに接続されてハイサイドアームを構成している。ハイサイドアームの正極バスバーPVは、バッテリ11の正極端子PB及びパワーモジュール13の正極バスバーPIに接続されている。第1トランジスタSW1のエミッタは、第1リアクトル21に接続されている。
第2トランジスタSW2は、エミッタが負極バスバーNVに接続されてローサイドアームを構成している。ローサイドアームの負極バスバーNVは、バッテリ11の負極端子NB及びパワーモジュール13の負極バスバーNIに接続されている。第2トランジスタSW2のコレクタは、第2リアクトル22に接続されている。
The two pairing switching elements are, for example, the first transistor SW1 of the high side arm and the second transistor SW2 of the low side arm.
In the first transistor SW1, the collector is connected to the positive electrode bus bar PV to form a high side arm. The positive electrode bus bar PV of the high side arm is connected to the positive electrode terminal PB of the
The emitter of the second transistor SW2 is connected to the negative electrode bus bar NV to form a low side arm. The negative electrode bus bar NV of the low side arm is connected to the negative electrode terminal NB of the
第1トランジスタSW1及び第2トランジスタSW2の各々の定格電圧は、正極バスバーPV及び負極バスバーNV間に印加されるバッテリ11の正極端子PB及び負極端子NB間に出力される出力電圧VBよりも低く設定されている。
第1トランジスタSW1の定格電圧と、第2トランジスタSW2の定格電圧との差は、所定範囲以内に設定されている。例えば、所定範囲は、所望の許容誤差の範囲などである。
The rated voltage of each of the first transistor SW1 and the second transistor SW2 is set lower than the output voltage VB output between the positive electrode terminal PB and the negative electrode terminal NB of the
The difference between the rated voltage of the first transistor SW1 and the rated voltage of the second transistor SW2 is set within a predetermined range. For example, the predetermined range is a range of desired tolerances and the like.
第1リアクトル21及び第2リアクトル22は、正極バスバーPVと負極バスバーNVとの間に設けられる中間端子MVに接続されている。第1リアクトル21は、第1トランジスタSW1のエミッタと中間端子MVとの間に接続されている。第2リアクトル22は、第2トランジスタSW2のコレクタと中間端子MVとの間に接続されている。
第1ダイオード23及び第2ダイオード24の各々は、第1リアクトル21及び第2リアクトル22の各々に接続されている。第1ダイオード23は、中間端子MVから第1トランジスタSW1のエミッタに向けて順方向となるようにして、第1ダイオード23と並列に接続されている。第2ダイオード24は、第2トランジスタSW2のコレクタから中間端子MVに向けて順方向となるようにして、第2リアクトル22と並列に接続されている。
The
Each of the
第1コンデンサC1a及び第2コンデンサC1bは、正極バスバーPVと負極バスバーNVとの間で直列に接続されている。第1コンデンサC1aと第2コンデンサC1bとの接続点は、中間端子MVに接続されている。つまり、第1コンデンサC1aは正極バスバーPVと中間端子MVとの間に接続され、第2コンデンサC1bは中間端子MVと負極バスバーNVとの間に接続されている。第1コンデンサC1a及び第2コンデンサC1bは、第1トランジスタSW1及び第2トランジスタSW2のオン/オフの切換動作に伴って発生する電圧変動を平滑化する。 The first capacitor C1a and the second capacitor C1b are connected in series between the positive electrode bus bar PV and the negative electrode bus bar NV. The connection point between the first capacitor C1a and the second capacitor C1b is connected to the intermediate terminal MV. That is, the first capacitor C1a is connected between the positive electrode bus bar PV and the intermediate terminal MV, and the second capacitor C1b is connected between the intermediate terminal MV and the negative electrode bus bar NV. The first capacitor C1a and the second capacitor C1b smooth the voltage fluctuations generated by the on / off switching operation of the first transistor SW1 and the second transistor SW2.
平滑コンデンサC2は、正極バスバーPVと中間端子MVとの間に接続されている。平滑コンデンサC2は、正極バスバーPV及び負極バスバーNVを介して、パワーモジュール13の複数の正極バスバーPI及び負極バスバーNI間に接続されている。平滑コンデンサC2は、パワーモジュール13の各トランジスタUH,UL,VH,VL,WH,WLのオン/オフの切換動作に伴って発生する電圧変動を平滑化する。
The smoothing capacitor C2 is connected between the positive electrode bus bar PV and the intermediate terminal MV. The smoothing capacitor C2 is connected between the plurality of positive electrode bus bars PI and the negative electrode bus bar NI of the
第1負荷(Sa)25及び第2負荷(Sb)26は、例えば、電動車両に搭載されるエアコンプレッサー及びDC−DCコンバータなどの補機類、又は各種車両に搭載されるヘッドライト及びワイパーなどの補機類である。
第1負荷(Sa)25及び第2負荷(Sb)26は、正極バスバーPVと負極バスバーNVとの間で直列に接続されている。第1負荷25と第2負荷26との接続点は、中間端子MVに接続されている。つまり、第1負荷25は正極バスバーPVと中間端子MVとの間に接続され、第2負荷26は中間端子MVと負極バスバーNVとの間に接続されている。
The first load (Sa) 25 and the second load (Sb) 26 are, for example, auxiliary equipment such as an air compressor and a DC-DC converter mounted on an electric vehicle, or headlights and wipers mounted on various vehicles. Auxiliary equipment.
The first load (Sa) 25 and the second load (Sb) 26 are connected in series between the positive electrode bus bar PV and the negative electrode bus bar NV. The connection point between the
本実施形態による電圧変換装置1は上記構成を備えており、次に、電圧変換装置1の動作について説明する。
電圧変換装置1は、ゲートドライブユニット16から第1トランジスタSW1及び第2トランジスタSW2の各々のゲートに入力されるスイッチング指令であるゲート信号に基づき、トランジスタ対のオン(導通)/オフ(遮断)を切り替える。
図2は、本発明の実施形態に係る電圧変換装置1において、第2トランジスタSW2がオンの場合における電流の流れの一例を示す図である。図3は、本発明の実施形態に係る電圧変換装置1において、第1トランジスタSW1がオンの場合における電流の流れの一例を示す図である。図4は、本発明の実施形態に係る電圧変換装置1において、第2トランジスタSW2のオン/オフに伴って第2負荷26の正極端及び負極端の両端間に印加される電圧Vsbの変化の一例を示す図である。図5は、本発明の実施形態に係る電圧変換装置1において、第2トランジスタSW2のオン/オフに伴って第2トランジスタSW2のコレクタ−エミッタ間に印加される電圧Vsw2の変化の一例を示す図である。
The
The
FIG. 2 is a diagram showing an example of current flow when the second transistor SW2 is on in the
図2及び図3に示すように、電圧変換装置1は、第1トランジスタSW1がオン(導通)及び第2トランジスタSW2がオフ(遮断)に設定される第1状態と、第1トランジスタSW1がオフ(遮断)及び第2トランジスタSW2がオン(導通)に設定される第2状態とを、交互に切り替えることによって、中間端子MVから出力される電圧を調整する。
As shown in FIGS. 2 and 3, in the
図2に示すように、第1状態では、順次、バッテリ11の正極端子PBと、第1負荷25、第1トランジスタSW1、及び第1リアクトル21と、第2負荷26と、バッテリ11の負極端子NBとへ電流が流れる。第1リアクトル21は、バッテリ11の出力電流IBから第1トランジスタSW1及び第1負荷25のうち第1トランジスタSW1側に分岐された電流I1によって直流励磁されて磁気エネルギーが蓄積される。第1状態では、相対的に第1負荷25よりも第2負荷26の消費電力が大きくなる。また、第2リアクトル22に生じる逆起電圧(サージ電圧)は第2ダイオード24を順方向に流れる電流によって吸収(消費)される。
As shown in FIG. 2, in the first state, the positive electrode terminal PB of the
図3に示すように、第2状態では、順次、バッテリ11の正極端子PBと、第1負荷25と、第2負荷26、第2リアクトル22、及び第2トランジスタSW2とへ電流が流れる。第2リアクトル22は、バッテリ11の出力電流IBから第2トランジスタSW2及び第2負荷26のうち第2トランジスタSW2側に分岐された電流I2によって直流励磁されて磁気エネルギーが蓄積される。第2状態では、相対的に第2負荷26よりも第1負荷25の消費電力が大きくなる。また、第1リアクトル21に生じる逆起電圧(サージ電圧)は第1ダイオード23を順方向に流れる電流によって吸収(消費)される。
As shown in FIG. 3, in the second state, a current flows sequentially to the positive electrode terminal PB of the
電圧変換装置1は、例えば、第1トランジスタSW1及び第2トランジスタSW2のスイッチングによって、中間端子MVから出力される電圧を所定値に維持する。例えば、所定値は、所望の許容誤差範囲内でバッテリ11の出力電圧VBの1/2となる値(VB/2)などである。
さらに、電圧変換装置1は、例えば、第1負荷25の消費電力と第2負荷26の消費電力との差を所定範囲以内に維持する。例えば、所定範囲は、所望の許容誤差の範囲などである。
The
Further, the
電圧変換装置1において、第1トランジスタSW1及び第2トランジスタSW2のスイッチングに伴い、各トランジスタSW1,SW2のコレクタ−エミッタ間に印加される各電圧Vsw1,Vsw2は、各負荷25,26の正極端及び負極端の両端間に印加される各電圧Vsa,Vsbによって規制される。
例えば図4及び図5に示すように、第2トランジスタSW2のオン(ON)/オフ(OFF)の切換動作に伴い、第2負荷26の正極端及び負極端の両端間に印加される電圧Vsbは、所定範囲内において減少傾向及び増大傾向に交互に切り替わりながら変化する。第2トランジスタSW2のコレクタ−エミッタ間に印加される電圧Vsw2は、第2トランジスタSW2のオン時にゼロとなり、第2トランジスタSW2のオフ時に第2負荷26の電圧Vsbに一致する。
同様に、第1トランジスタSW1のオン(ON)/オフ(OFF)の切換動作に伴い、第1負荷25の正極端及び負極端の両端間に印加される電圧Vsaは、所定範囲内において減少傾向及び増大傾向に交互に切り替わりながら変化する。第1トランジスタSW1のコレクタ−エミッタ間に印加される電圧Vsw1は、第1トランジスタSW1のオン時にゼロとなり、第1トランジスタSW1のオフ時に第1負荷25の電圧Vsaに一致する。
In the
For example, as shown in FIGS. 4 and 5, the voltage Vsb applied between both the positive end and the negative end of the
Similarly, the voltage Vsa applied between both ends of the positive electrode end and the negative electrode end of the
上述したように、本実施形態の電圧変換装置1によれば、ハイサイドアームの第1トランジスタSW1及びローサイドアームの第2トランジスタSW2は、第1リアクトル21及び第2リアクトル22を介して接続されている。したがって、正極バスバーPV及び負極バスバーNV間のバッテリ電圧VBは分圧されて、第1トランジスタSW1及び第2トランジスタSW2の各々に印加される。これにより、正極バスバーPV及び負極バスバーNV間のバッテリ電圧VBが第1トランジスタSW1及び第2トランジスタSW2の各々に集中して印加される場合に比べて、第1トランジスタSW1及び第2トランジスタSW2の各々の耐圧を低くすることができ、装置構成に要する費用の増大を抑制することができる。
As described above, according to the
また、第1トランジスタSW1及び第2トランジスタSW2の各々の耐圧を低くすることができるので、例えば、IGBTなどに比べて、より安価かつ低損失のFETなどのスイッチング素子を用いることができる。これにより、スイッチング周波数を増大させることができ、第1リアクトル21及び第2リアクトル22を小型化することができ、装置構成に要する費用の増大を抑制することができる。
Further, since the withstand voltage of each of the first transistor SW1 and the second transistor SW2 can be lowered, a switching element such as an FET, which is cheaper and has lower loss than, for example, can be used as compared with an IGBT or the like. As a result, the switching frequency can be increased, the
また、第1トランジスタSW1及び第2トランジスタSW2のスイッチングによって中間端子MVから出力される電圧を容易に所定値に維持することができる。
また、第1トランジスタSW1及び第2トランジスタSW2の各々の定格電圧を、バッテリ電圧VBよりも低く、相互に所定範囲以内で等しくするので、例えば所定範囲を超えて定格電圧が異なる第1トランジスタSW1及び第2トランジスタSW2を備える場合に比べて、装置構成に要する費用の増大を抑制することができる。
Further, the voltage output from the intermediate terminal MV can be easily maintained at a predetermined value by switching the first transistor SW1 and the second transistor SW2.
Further, since the rated voltages of the first transistor SW1 and the second transistor SW2 are lower than the battery voltage VB and are equal to each other within a predetermined range, for example, the first transistor SW1 and the first transistor SW1 having different rated voltages exceeding the predetermined range Compared with the case where the second transistor SW2 is provided, it is possible to suppress an increase in the cost required for the device configuration.
また、第1負荷25の消費電力と第2負荷26の消費電力とを所定範囲以内で等しくすることができ、例えば所定範囲を超えて消費電力が異なる第1負荷25及び第2負荷26を備える場合に比べて、装置構成に要する費用の増大を抑制することができる。
また、電圧変換装置1の中間端子MVには、第1負荷25及び第2負荷26の消費電力の差分のみが現れるだけであり、電圧変換装置1を小型化することができる。また、電力変換装置1を通過する電力の低減により、電力変換装置1における損失を低減することができ、車両10のエネルギー消費を低減することができる。
Further, the power consumption of the
Further, only the difference in power consumption between the
また、第1トランジスタSW1及び第2トランジスタSW2のスイッチングに伴って第1リアクトル21及び第2リアクトル22の各々に生じる逆起電圧(サージ電圧)を、第1ダイオード23及び第2ダイオード24の各々を順方向に流れる電流によって吸収(消費)することができる。
Further, the counter electromotive voltage (surge voltage) generated in each of the
以下、実施形態の変形例について説明する。
上述した実施形態において、第1トランジスタSW1及び第2トランジスタSW2の各々の定格電圧は、所定範囲以内で一致するとしたが、これに限定されない。
第1トランジスタSW1及び第2トランジスタSW2の何れか一方の定格電圧は、バッテリ11の出力電圧VBよりも低く設定されて、何れか他方の定格電圧は、バッテリ11の出力電圧VBから一方の定格電圧を差し引いて得られる電圧に設定されてもよい。
Hereinafter, a modified example of the embodiment will be described.
In the above-described embodiment, the rated voltages of the first transistor SW1 and the second transistor SW2 are matched within a predetermined range, but the voltage is not limited to this.
The rated voltage of either the first transistor SW1 or the second transistor SW2 is set lower than the output voltage VB of the
上述した実施形態において、電圧変換装置1は、モータ12のステータ巻線12aを経由して接続される充電器インレット31を備えてもよい。充電器インレット31は、バッテリ11を充電するための充電器に接続される。
図6は、本発明の実施形態の第1変形例に係る電圧変換装置1を搭載する車両10の一部の構成を示す図である。
図6に示すように、第1変形例に係る電圧変換装置1は、例えば、コンデンサC3と、充電器インレット31と、を備える。コンデンサC3は、例えば、モータ12においてスター結線によって接続された3相のステータ巻線12aの中性点12bと、電圧変換装置1の負極バスバーNVとの間に接続されている。充電器インレット31は、中性点12bと負極バスバーNVとの間においてコンデンサC3と並列に接続されている。
In the above-described embodiment, the
FIG. 6 is a diagram showing a partial configuration of a
As shown in FIG. 6, the
第1変形例に係る電圧変換装置1は、充電器インレット31に接続される充電器の出力電圧を変圧してバッテリ11を充電する際、モータ12の3相のうち少なくとも何れか2相のステータ巻線12aに対応するパワーモジュール13のハイサイドアーム及びローサイドアームのトランジスタを同時にオン/オフ駆動する。これにより、電圧変換装置1は、モータ12の回転を抑止しながら、ステータ巻線12aのインダクタンスによる昇圧作用によって、充電器インレット31に供給される電圧を昇圧してバッテリ11を充電する。
第1変形例によれば、充電器インレット31から入力される電圧を、モータ12のステータ巻線12a及びパワーモジュール13を用いて昇圧することができ、充電器インレット31に接続される充電器の定格電圧以上においてバッテリ11を充電することができる。
When the
According to the first modification, the voltage input from the
なお、上述した第1変形例においては、モータ12の3相のうち少なくとも何れか2相のステータ巻線12aのインダクタンスを用いるとしたが、これに限定されない。モータ12の回転動力の駆動輪などへの伝達を抑止するための機構として、例えば、パーキングブレーキ又はクラッチなどを備える場合には、モータ12の3相のうち何れか1相のみのステータ巻線12aのインダクタンスを用いてもよい。この場合、電圧変換装置1は、充電器インレット31に接続される充電器の出力電圧を昇圧してバッテリ11を充電する際、モータ12の3相のうち何れか1相のステータ巻線12aに対応するパワーモジュール13のハイサイドアーム及びローサイドアームのトランジスタを同時にオン/オフ駆動する。
In the first modification described above, the inductance of the stator winding 12a of at least one of the three phases of the
上述した実施形態の第1変形例において、電圧変換装置1は、さらに、1対のスイッチング素子を備えてもよい。
図7は、本発明の実施形態の第2変形例に係る電圧変換装置1を搭載する車両10の一部の構成を示す図である。
図7に示すように、第2変形例に係る電圧変換装置1は、例えば、1対のハイサイドアームトランジスタSW3及びローサイドアームトランジスタSW4を備える。ハイサイドアームトランジスタSW3及びローサイドアームトランジスタSW4は直列に接続されている。ハイサイドアームトランジスタSW3のエミッタ及びローサイドアームトランジスタSW4のコレクタは、例えば、モータ12においてスター結線によって接続された3相のステータ巻線12aの中性点12bと接続されている。ハイサイドアームトランジスタSW3のコレクタと、ローサイドアームトランジスタSW4のエミッタとの間には、コンデンサC3が接続されている。充電器インレット31は、ハイサイドアームトランジスタSW3のコレクタと、ローサイドアームトランジスタSW4のエミッタとの間においてコンデンサC3と並列に接続されている。ローサイドアームトランジスタSW4のエミッタは、電圧変換装置1の負極バスバーNVと接続されている。
第2変形例に係る電圧変換装置1は、モータ12の回転動力の駆動輪などへの伝達を抑止するための機構を備えた状態において、モータ12の3相のうち何れか1相のみのステータ巻線12aのインダクタンスを用いて、充電器インレット31に接続される充電器の出力電圧を降圧してバッテリ11を充電する。
In the first modification of the above-described embodiment, the
FIG. 7 is a diagram showing a partial configuration of a
As shown in FIG. 7, the
The
上述した実施形態において、第1コンデンサC1a及び第2コンデンサC1bと、平滑コンデンサC2とは、例えば、共通の正極バスバー及び負極バスバーを備えるコンデンサユニットを構成してもよい。
上述した実施形態において、電圧変換装置1は車両10に搭載されるとしたが、これに限定されず、他の機器に搭載されてもよい。
In the above-described embodiment, the first capacitor C1a and the second capacitor C1b and the smoothing capacitor C2 may form, for example, a capacitor unit including a common positive electrode bus bar and negative electrode bus bar.
In the above-described embodiment, the
本発明の実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。 The embodiments of the present invention are presented as examples and are not intended to limit the scope of the invention. These embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the gist of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention as well as the invention described in the claims and the equivalent scope thereof.
1…電圧変換装置、10…車両、11…バッテリ(電源、蓄電装置)、12…モータ、13…パワーモジュール(電力変換装置)、15…電子制御ユニット(制御部)、16…ゲートドライブユニット、21…第1リアクトル、22…第2リアクトル、23…第1ダイオード、24…第2ダイオード、25…第1負荷、26…第2負荷、31…充電器インレット、MV…中間端子、NB…負極端子、PB…正極端子、SW1…第1トランジスタ(上アーム素子)、SW2…第2トランジスタ(下アーム素子) 1 ... Voltage converter, 10 ... Vehicle, 11 ... Battery (power supply, power storage device), 12 ... Motor, 13 ... Power module (power converter), 15 ... Electronic control unit (control unit), 16 ... Gate drive unit, 21 ... 1st reactor, 22 ... 2nd reactor, 23 ... 1st diode, 24 ... 2nd diode, 25 ... 1st load, 26 ... 2nd load, 31 ... Charger inlet, MV ... Intermediate terminal, NB ... Negative terminal , PB ... Positive electrode terminal, SW1 ... 1st transistor (upper arm element), SW2 ... 2nd transistor (lower arm element)
Claims (7)
前記電源の負極端子に接続される下アーム素子と、
前記正極端子と前記負極端子との間の中間端子と、前記上アーム素子との間に接続される第1リアクトルと、
前記中間端子と前記下アーム素子との間に接続される第2リアクトルと、
前記上アーム素子及び前記下アーム素子のスイッチングを制御する制御部と、
を備える、
ことを特徴とする電圧変換装置。 The upper arm element connected to the positive electrode terminal of the power supply and
The lower arm element connected to the negative electrode terminal of the power supply and
An intermediate terminal between the positive electrode terminal and the negative electrode terminal, and a first reactor connected between the upper arm element.
A second reactor connected between the intermediate terminal and the lower arm element,
A control unit that controls switching between the upper arm element and the lower arm element,
To prepare
A voltage converter characterized by that.
前記中間端子と前記下アーム素子との間に前記第2リアクトルと並列に接続される第2ダイオードと、
を備える、
ことを特徴とする請求項1に記載の電圧変換装置。 A first diode connected in parallel with the first reactor between the intermediate terminal and the upper arm element,
A second diode connected in parallel with the second reactor between the intermediate terminal and the lower arm element,
To prepare
The voltage conversion device according to claim 1.
前記上アーム素子及び前記下アーム素子のスイッチングを制御することにより、前記中間端子から出力される電圧を所定値に維持する、
ことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の電圧変換装置。 The control unit
By controlling the switching of the upper arm element and the lower arm element, the voltage output from the intermediate terminal is maintained at a predetermined value.
The voltage conversion device according to claim 1 or 2, wherein the voltage conversion device is characterized by the above.
ことを特徴とする請求項1から請求項3の何れか1項に記載の電圧変換装置。 The rated voltage of the upper arm element and the rated voltage of the lower arm element are lower than the voltage applied between the positive electrode terminal and the negative electrode terminal.
The voltage conversion device according to any one of claims 1 to 3, wherein the voltage conversion device is characterized by the above.
ことを特徴とする請求項4に記載の電圧変換装置。 The difference between the rated voltage of the upper arm element and the rated voltage of the lower arm element is within a predetermined range.
The voltage conversion device according to claim 4.
前記中間端子と前記負極端子との間に接続される第2負荷と、
を備え、
前記第1負荷の消費電力と前記第2負荷の消費電力との差は、所定範囲以内である、
ことを特徴とする請求項1から請求項5の何れか1項に記載の電圧変換装置。 A first load connected between the positive electrode terminal and the intermediate terminal,
A second load connected between the intermediate terminal and the negative electrode terminal,
With
The difference between the power consumption of the first load and the power consumption of the second load is within a predetermined range.
The voltage conversion device according to any one of claims 1 to 5, wherein the voltage conversion device is characterized by the above.
モータと、
前記モータとの間で電力を授受する電力変換装置と、
前記モータのステータ巻線を経由して接続される充電器インレットと、
を備えることを特徴とする請求項1から請求項6の何れか1項に記載の電圧変換装置。 A power storage device connected to the positive electrode terminal and the negative electrode terminal,
With the motor
A power converter that transfers power to and from the motor,
With the charger inlet connected via the stator winding of the motor,
The voltage conversion device according to any one of claims 1 to 6, wherein the voltage conversion device is provided.
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|
JP2019031503A JP2020137347A (en) | 2019-02-25 | 2019-02-25 | Voltage conversion device |
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