JP2021121138A

JP2021121138A - Dc/dc converter

Info

Publication number: JP2021121138A
Application number: JP2020013532A
Authority: JP
Inventors: 定典鈴木; Sadanori Suzuki; 直孝小出; Naotaka Koide; 勝裕畑; Katsuhiro Hata; 真高宮; Makoto Takamiya; 善高山内; Yoshitaka Yamauchi
Original assignee: Toyota Industries Corp; University of Tokyo NUC
Current assignee: Toyota Industries Corp; University of Tokyo NUC
Priority date: 2020-01-30
Filing date: 2020-01-30
Publication date: 2021-08-19

Abstract

To output an output voltage exceeding half of an input voltage.SOLUTION: A track 10 includes a DC/DC converter 30 having a switching circuit 31, a flying capacitor Cf and an output capacitor Co. The switching circuit 31 has a first switching element Q1, a second switching element Q2, a third switching element Q3 and a coil L. The switching elements Q1, Q2, Q3 and the coil L are connected in series in the order of the first switching element Q1, the second switching element Q2, the coil L and the third switching element Q3. The flying capacitor Cf is connected to a junction between the first switching element Q1 and the second switching element Q2 and a junction between the coil L and the third switching element Q3. A terminal not connected to the coil L of terminals at both edges of the third switching element Q3 is connected to a junction between two batteries B1, B2 connected in series to each other.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、ＤＣ／ＤＣコンバータに関する。 The present invention relates to a DC / DC converter.

降圧型のＤＣ／ＤＣコンバータは、直流電源から入力された入力電圧を降圧して出力する。特許文献１には、第１スイッチング素子と、第２スイッチング素子と、第３スイッチング素子と、コイルと、フライングキャパシタと、を備えたＤＣ／ＤＣコンバータが記載されている。各スイッチング素子及びコイルは、第１スイッチング素子、第２スイッチング素子、コイル、第３スイッチング素子の順に直列接続されている。第１スイッチング素子は、直流電源に接続されている。第３スイッチング素子は、グランドに接続されている。フライングキャパシタは、第１スイッチング素子と第２スイッチング素子との接続点と、コイルと第３スイッチング素子との接続点と、に接続されている。各スイッチング素子のスイッチングにより、入力電圧は降圧され、第２スイッチング素子とコイルとの接続点から出力電圧として出力される。 The step-down DC / DC converter steps down the input voltage input from the DC power supply and outputs it. Patent Document 1 describes a DC / DC converter including a first switching element, a second switching element, a third switching element, a coil, and a flying capacitor. Each switching element and coil are connected in series in the order of a first switching element, a second switching element, a coil, and a third switching element. The first switching element is connected to a DC power supply. The third switching element is connected to the ground. The flying capacitor is connected to a connection point between the first switching element and the second switching element and a connection point between the coil and the third switching element. By switching each switching element, the input voltage is stepped down and output as an output voltage from the connection point between the second switching element and the coil.

特開２０１５−４７０１７号公報JP-A-2015-47017

上記したＤＣ／ＤＣコンバータでは、出力電圧の上限値は、入力電圧の半分であり、入力電圧の半分を超える出力電圧を得ることができないという出力電圧範囲の制限を有する。 In the above-mentioned DC / DC converter, the upper limit of the output voltage is half of the input voltage, and has a limitation of the output voltage range that an output voltage exceeding half of the input voltage cannot be obtained.

本発明の目的は、入力電圧の半分を超える出力電圧を出力できるＤＣ／ＤＣコンバータを提供することにある。 An object of the present invention is to provide a DC / DC converter capable of outputting an output voltage exceeding half of an input voltage.

上記課題を解決するＤＣ／ＤＣコンバータは、直流電源からの入力電圧を降圧して出力電圧として出力するＤＣ／ＤＣコンバータであって、第１スイッチング素子、第２スイッチング素子、コイル、第３スイッチング素子の順に各スイッチング素子及び前記コイルを直列接続したスイッチング回路と、前記第１スイッチング素子と前記第２スイッチング素子との接続点と、前記コイルと前記第３スイッチング素子との接続点と、に接続されたフライングキャパシタとを有し、前記第２スイッチング素子と前記コイルとの接続点から前記出力電圧を出力し、前記第１スイッチング素子が前記直流電源に接続され、前記第３スイッチング素子の両端の端子のうち前記コイルに接続されない端子が、複数のバッテリを互いに直列接続した直列接続体における前記バッテリ同士の接続点に接続される。 The DC / DC converter that solves the above problems is a DC / DC converter that steps down the input voltage from the DC power supply and outputs it as an output voltage, and is a first switching element, a second switching element, a coil, and a third switching element. The switching circuit in which each switching element and the coil are connected in series, the connection point between the first switching element and the second switching element, and the connection point between the coil and the third switching element are connected in this order. It has a flying capacitor, outputs the output voltage from the connection point between the second switching element and the coil, the first switching element is connected to the DC power supply, and the terminals at both ends of the third switching element. Of these, the terminal not connected to the coil is connected to the connection point between the batteries in a series connection body in which a plurality of batteries are connected in series with each other.

第３スイッチング素子がオンになると、バッテリとコイルが接続され、バッテリから電圧が印加される。この電圧により、ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧の上限値を高くすることができる。ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧の上限値は、入力電圧の半分と、第３スイッチング素子がオンのときにバッテリから印加される電圧の半分とを加算した値となる。従って、ＤＣ／ＤＣコンバータは、入力電圧の半分を超える出力電圧を出力できる。 When the third switching element is turned on, the battery and the coil are connected, and a voltage is applied from the battery. With this voltage, the upper limit of the output voltage of the DC / DC converter can be increased. The upper limit of the output voltage of the DC / DC converter is a value obtained by adding half of the input voltage and half of the voltage applied from the battery when the third switching element is on. Therefore, the DC / DC converter can output an output voltage exceeding half of the input voltage.

上記ＤＣ／ＤＣコンバータについて、前記ＤＣ／ＤＣコンバータは、トラックに搭載されていてもよい。
上記課題を解決するＤＣ／ＤＣコンバータは、直流電源からの入力電圧を降圧して出力電圧として出力するＤＣ／ＤＣコンバータであって、第１スイッチング素子、第２スイッチング素子、コイル、第３スイッチング素子の順に各スイッチング素子及び前記コイルを直列接続したスイッチング回路と、前記第１スイッチング素子と前記第２スイッチング素子との接続点と、前記コイルと前記第３スイッチング素子との接続点と、に接続されたフライングキャパシタとを有し、前記第２スイッチング素子と前記コイルとの接続点から前記出力電圧を出力し、前記第１スイッチング素子が前記直流電源に接続され、前記第３スイッチング素子の両端の端子のうち前記コイルに接続されない端子に、基準電位を超え前記入力電圧未満の電圧が印加される。 Regarding the DC / DC converter, the DC / DC converter may be mounted on a truck.
The DC / DC converter that solves the above problems is a DC / DC converter that steps down the input voltage from the DC power supply and outputs it as an output voltage, and is a first switching element, a second switching element, a coil, and a third switching element. The switching circuit in which each switching element and the coil are connected in series, the connection point between the first switching element and the second switching element, and the connection point between the coil and the third switching element are connected in this order. It has a flying capacitor, outputs the output voltage from the connection point between the second switching element and the coil, the first switching element is connected to the DC power supply, and the terminals at both ends of the third switching element. A voltage exceeding the reference potential and lower than the input voltage is applied to the terminals not connected to the coil.

第３スイッチング素子がオンになると、基準電位を超え入力電圧未満の電圧がコイルに印加される。この電圧により、ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧の上限値を高くすることができる。ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧の上限値は、入力電圧の半分と、第３スイッチング素子がオンのときに印加される電圧の半分とを加算した値となる。従って、ＤＣ／ＤＣコンバータは、入力電圧の半分を超える出力電圧を出力できる。 When the third switching element is turned on, a voltage exceeding the reference potential and lower than the input voltage is applied to the coil. With this voltage, the upper limit of the output voltage of the DC / DC converter can be increased. The upper limit of the output voltage of the DC / DC converter is a value obtained by adding half of the input voltage and half of the voltage applied when the third switching element is on. Therefore, the DC / DC converter can output an output voltage exceeding half of the input voltage.

本発明によれば、入力電圧の半分を超える出力電圧を出力できる。 According to the present invention, an output voltage exceeding half of the input voltage can be output.

ＤＣ／ＤＣコンバータが搭載されるトラックの概略構成図。Schematic diagram of a truck equipped with a DC / DC converter. 第１モードにおけるＤＣ／ＤＣコンバータの等価回路。Equivalent circuit of DC / DC converter in the first mode. 第２モードにおけるＤＣ／ＤＣコンバータの等価回路。Equivalent circuit of DC / DC converter in the second mode. デューティ比と出力電圧との関係を示す図。The figure which shows the relationship between a duty ratio and an output voltage. ＤＣ／ＤＣコンバータの変形例を示す図。The figure which shows the modification of the DC / DC converter.

以下、ＤＣ／ＤＣコンバータの一実施形態について説明する。
図１に示すように、トラック１０は、車載バッテリ２０と、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０と、負荷４０と、を備える。トラック１０は、貨物を運送する貨物自動車である。 Hereinafter, an embodiment of the DC / DC converter will be described.
As shown in FIG. 1, the truck 10 includes an in-vehicle battery 20, a DC / DC converter 30, and a load 40. Truck 10 is a freight vehicle that carries freight.

直流電源としての車載バッテリ２０は、２つのバッテリＢ１，Ｂ２を備える。２つのバッテリＢ１，Ｂ２は、互いに直列接続されている。車載バッテリ２０は、２つのバッテリＢ１，Ｂ２を直列接続した直列接続体である。２つのバッテリＢ１，Ｂ２は同一のバッテリである。バッテリＢ１，Ｂ２の定格電圧は、１２［Ｖ］である。従って、車載バッテリ２０の定格電圧は、２４［Ｖ］といえる。２つのバッテリＢ１，Ｂ２のうちの１つを第１バッテリＢ１、第１バッテリＢ１とは異なるバッテリＢ２を第２バッテリＢ２とする。車載バッテリ２０の正極は第１バッテリＢ１の正極であり、車載バッテリ２０の負極は第２バッテリＢ２の負極である。 The vehicle-mounted battery 20 as a DC power source includes two batteries B1 and B2. The two batteries B1 and B2 are connected in series with each other. The in-vehicle battery 20 is a series connection body in which two batteries B1 and B2 are connected in series. The two batteries B1 and B2 are the same battery. The rated voltage of the batteries B1 and B2 is 12 [V]. Therefore, it can be said that the rated voltage of the vehicle-mounted battery 20 is 24 [V]. One of the two batteries B1 and B2 is referred to as a first battery B1, and a battery B2 different from the first battery B1 is referred to as a second battery B2. The positive electrode of the vehicle-mounted battery 20 is the positive electrode of the first battery B1, and the negative electrode of the vehicle-mounted battery 20 is the negative electrode of the second battery B2.

ＤＣ／ＤＣコンバータ３０は、第１入力端Ｔ１と、第２入力端Ｔ２と、出力端Ｔ３と、スイッチング回路３１と、フライングキャパシタＣｆと、出力キャパシタＣｏと、制御装置３２と、を備える。ＤＣ／ＤＣコンバータ３０は、第１入力端Ｔ１を介して車載バッテリ２０から入力された入力電圧Ｖｉを降圧して出力電圧Ｖｏとして出力端Ｔ３から出力する。ＤＣ／ＤＣコンバータ３０は、降圧型のＤＣ／ＤＣコンバータである。 The DC / DC converter 30 includes a first input end T1, a second input end T2, an output end T3, a switching circuit 31, a flying capacitor Cf, an output capacitor Co, and a control device 32. The DC / DC converter 30 steps down the input voltage Vi input from the vehicle-mounted battery 20 via the first input terminal T1 and outputs the output voltage Vo from the output terminal T3. The DC / DC converter 30 is a step-down DC / DC converter.

第１入力端Ｔ１には、車載バッテリ２０の正極が接続されている。第２入力端Ｔ２には、互いに直列接続された２つのバッテリＢ１，Ｂ２同士の接続点が接続されている。出力端Ｔ３には、負荷４０が接続されている。負荷４０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０から出力された電力によって駆動する。負荷４０は、トラック１０に搭載された電装品であり、例えば、照明、オーディオ、電子制御ユニットを挙げることができる。 The positive electrode of the vehicle-mounted battery 20 is connected to the first input terminal T1. A connection point between two batteries B1 and B2 connected in series to each other is connected to the second input terminal T2. A load 40 is connected to the output terminal T3. The load 40 is driven by the electric power output from the DC / DC converter 30. The load 40 is an electrical component mounted on the truck 10, and examples thereof include lighting, audio, and an electronic control unit.

スイッチング回路３１は、第１スイッチング素子Ｑ１と、第２スイッチング素子Ｑ２と、第３スイッチング素子Ｑ３と、コイルＬと、を備える。第１スイッチング素子Ｑ１、第２スイッチング素子Ｑ２、コイルＬ、第３スイッチング素子Ｑ３の順に各スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３及びコイルＬは直列接続されている。スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３としてＭＯＳＦＥＴ：Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistorが用いられているが、ＩＧＢＴ：Insulated Gate Bipolar Transistor等の他のスイッチング素子を用いてもよい。 The switching circuit 31 includes a first switching element Q1, a second switching element Q2, a third switching element Q3, and a coil L. The switching elements Q1, Q2, Q3 and the coil L are connected in series in the order of the first switching element Q1, the second switching element Q2, the coil L, and the third switching element Q3. MOSFET: Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor is used as the switching elements Q1, Q2, and Q3, but other switching elements such as IGBT: Insulated Gate Bipolar Transistor may be used.

各スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３は、それぞれ、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３のオン／オフを切り替えるための制御端子であるゲートＧと、ドレインＤと、ソースＳと、を備える。ドレインＤ及びソースＳは、各スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３の両端の端子となる。 Each switching element Q1, Q2, Q3 includes a gate G, a drain D, and a source S, which are control terminals for switching on / off of the switching elements Q1, Q2, and Q3, respectively. The drain D and the source S are terminals at both ends of the switching elements Q1, Q2, and Q3.

第１スイッチング素子Ｑ１のドレインＤは、第１入力端Ｔ１に接続されている。第１スイッチング素子Ｑ１は、第１入力端Ｔ１を介して車載バッテリ２０に接続されているといえる。第１スイッチング素子Ｑ１のソースＳと第２スイッチング素子Ｑ２のドレインＤとは互いに接続されている。第２スイッチング素子Ｑ２のソースＳとコイルＬの一端とは互いに接続されている。コイルＬの両端のうち第２スイッチング素子Ｑ２に接続された端部とは反対の端部と第３スイッチング素子Ｑ３のドレインＤとは互いに接続されている。第３スイッチング素子Ｑ３のソースＳは、第２入力端Ｔ２に接続されている。第３スイッチング素子Ｑ３の両端の端子のうちソースＳはコイルＬに接続されていない端子である。第３スイッチング素子Ｑ３のソースＳは、第２入力端Ｔ２を介して、２つのバッテリＢ１，Ｂ２同士の接続点に接続されている。第２バッテリＢ２は、第３スイッチング素子Ｑ３とグランドとの間に設けられているといえる。第３スイッチング素子Ｑ３のソースＳには、基準電位を超え入力電圧未満の電圧が印加されるといえる。第２スイッチング素子Ｑ２とコイルＬとの接続点は、出力端Ｔ３に接続されている。第２スイッチング素子Ｑ２とコイルＬとの接続点は、出力端Ｔ３を介して負荷４０に接続されているといえる。 The drain D of the first switching element Q1 is connected to the first input terminal T1. It can be said that the first switching element Q1 is connected to the vehicle-mounted battery 20 via the first input terminal T1. The source S of the first switching element Q1 and the drain D of the second switching element Q2 are connected to each other. The source S of the second switching element Q2 and one end of the coil L are connected to each other. Of both ends of the coil L, the end opposite to the end connected to the second switching element Q2 and the drain D of the third switching element Q3 are connected to each other. The source S of the third switching element Q3 is connected to the second input terminal T2. Of the terminals at both ends of the third switching element Q3, the source S is a terminal that is not connected to the coil L. The source S of the third switching element Q3 is connected to the connection point between the two batteries B1 and B2 via the second input terminal T2. It can be said that the second battery B2 is provided between the third switching element Q3 and the ground. It can be said that a voltage exceeding the reference potential and lower than the input voltage is applied to the source S of the third switching element Q3. The connection point between the second switching element Q2 and the coil L is connected to the output end T3. It can be said that the connection point between the second switching element Q2 and the coil L is connected to the load 40 via the output end T3.

フライングキャパシタＣｆは、第１スイッチング素子Ｑ１と第２スイッチング素子Ｑ２との接続点と、コイルＬと第３スイッチング素子Ｑ３との接続点と、に接続されている。フライングキャパシタＣｆは、１つのキャパシタであってもよいし、複数のキャパシタを並列接続または直列接続したものであってもよい。 The flying capacitor Cf is connected to a connection point between the first switching element Q1 and the second switching element Q2 and a connection point between the coil L and the third switching element Q3. The flying capacitor Cf may be one capacitor, or may be a plurality of capacitors connected in parallel or in series.

出力キャパシタＣｏは、出力端Ｔ３とグランドとの間に設けられている。出力キャパシタＣｏは、負荷４０と並列接続される。なお、本実施形態において、グランド＝基準電位は、車載バッテリ２０の負極である。 The output capacitor Co is provided between the output end T3 and the ground. The output capacitor Co is connected in parallel with the load 40. In this embodiment, the ground = reference potential is the negative electrode of the vehicle-mounted battery 20.

制御装置３２は、入力信号に基づいて各スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３のオンとオフとを切り替えるための制御信号を生成し、各スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３に出力する。各スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３は、制御装置３２からの制御信号によりオンとオフとが切り替えられる。本実施形態では、制御装置３２への入力信号として、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０の出力電圧Ｖｏを用いている。入力信号としては、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０の出力電圧Ｖｏだけではなく、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０の出力電流も用いることができる。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０の出力電圧Ｖｏと出力電流の両方を用いることもできる。制御装置３２が実行する処理は、記憶部に記憶された処理をＣＰＵが実行することにより行われてもよいし、ASIC：Application Specific Integrated CircuitやFPGA：Field Programmable Gate Array等の専用の電子回路によるハードウェア処理によって行われてもよい。 The control device 32 generates a control signal for switching on and off of each switching element Q1, Q2, Q3 based on the input signal, and outputs the control signal to each switching element Q1, Q2, Q3. The switching elements Q1, Q2, and Q3 are switched on and off by a control signal from the control device 32. In this embodiment, the output voltage Vo of the DC / DC converter 30 is used as the input signal to the control device 32. As the input signal, not only the output voltage Vo of the DC / DC converter 30 but also the output current of the DC / DC converter 30 can be used. Further, both the output voltage Vo and the output current of the DC / DC converter 30 can be used. The processing executed by the control device 32 may be performed by the CPU executing the processing stored in the storage unit, or by a dedicated electronic circuit such as an ASIC: Application Specific Integrated Circuit or an FPGA: Field Programmable Gate Array. It may be done by hardware processing.

ＤＣ／ＤＣコンバータ３０では、第１モードと第２モードとが切り替えられることで、入力電圧Ｖｉの降圧が行われる。第１モードは、第１スイッチング素子Ｑ１がオン、第２スイッチング素子Ｑ２及び第３スイッチング素子Ｑ３がオフとされるモードである。第２モードは、第１スイッチング素子Ｑ１がオフ、第２スイッチング素子Ｑ２及び第３スイッチング素子Ｑ３がオンとされるモードである。 In the DC / DC converter 30, the input voltage Vi is stepped down by switching between the first mode and the second mode. The first mode is a mode in which the first switching element Q1 is turned on and the second switching element Q2 and the third switching element Q3 are turned off. The second mode is a mode in which the first switching element Q1 is turned off and the second switching element Q2 and the third switching element Q3 are turned on.

図２に示すように、第１モードでは、フライングキャパシタＣｆ及びコイルＬが車載バッテリ２０に直列接続される。車載バッテリ２０に直列接続されることでフライングキャパシタＣｆは充電される。車載バッテリ２０に直列接続されることで、コイルＬにはエネルギーが蓄積される。 As shown in FIG. 2, in the first mode, the flying capacitor Cf and the coil L are connected in series to the vehicle-mounted battery 20. The flying capacitor Cf is charged by being connected in series to the in-vehicle battery 20. By being connected in series to the in-vehicle battery 20, energy is stored in the coil L.

図３に示すように、第２モードでは、フライングキャパシタＣｆとコイルＬとが並列接続される。第２モードでは、コイルＬ、及びフライングキャパシタＣｆから放電が行われる。また、第２モードでは、第２バッテリＢ２とコイルＬとが直列接続される。これにより、第２バッテリＢ２から電圧が印加される。以下の説明において、第２モードの際に、第２バッテリＢ２から印加される電圧をオフセット電圧Ｖｂ［Ｖ］と称する。 As shown in FIG. 3, in the second mode, the flying capacitor Cf and the coil L are connected in parallel. In the second mode, discharge is performed from the coil L and the flying capacitor Cf. Further, in the second mode, the second battery B2 and the coil L are connected in series. As a result, a voltage is applied from the second battery B2. In the following description, the voltage applied from the second battery B2 in the second mode is referred to as an offset voltage Vb [V].

コイルＬに流れる電流であるコイル電流ＩＬ［Ａ］は、１周期の間に変化する。コイルＬのインダクタンスをＬ１［Ｈ］とし、コイルＬの端子間電圧をＶ［Ｖ］とする。コイル電流ＩＬの変化量をΔＩとすると、期間Δｔ［ｓｅｃ］の間に変化するコイル電流ＩＬの変化量ΔＩは以下の（１）式で求めることができる。 The coil current IL [A], which is the current flowing through the coil L, changes during one cycle. The inductance of the coil L is L1 [H], and the voltage between the terminals of the coil L is V [V]. Assuming that the amount of change in the coil current IL is ΔI, the amount of change ΔI in the coil current IL that changes during the period Δt [sec] can be obtained by the following equation (1).

ここで、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０の動作の周期をＴとし、デューティ比をＤｕｔｙとすると、第１モードの期間はＤｕｔｙ・Ｔ［ｓｅｃ］となる。第２モードの期間は（１−Ｄｕｔｙ）Ｔ［ｓｅｃ］となる。なお、デューティ比Ｄｕｔｙは、１周期に対する第１スイッチング素子Ｑ１のオン時間の割合である。コイル電流ＩＬは、第１モードで増加し、第２モードで減少する。１周期内におけるコイル電流ＩＬの増加量をΔＩＬ_＋とし、フライングキャパシタＣｆの端子間電圧をＶｃ［Ｖ］とすると、（１）式より、コイル電流ＩＬの増加量ΔＩＬ_＋は以下の（２）式で求めることができる。１周期内におけるコイル電流ＩＬの減少量をΔＩＬ₋とすると、（１）式より、コイル電流ＩＬの減少量ΔＩＬ₋は以下の（３）式で求めることができる。

Here, assuming that the operation cycle of the DC / DC converter 30 is T and the duty ratio is Duty, the period of the first mode is Duty · T [sec]. The period of the second mode is (1-Duty) T [sec]. The duty ratio Duty is the ratio of the on-time of the first switching element Q1 to one cycle. The coil current IL increases in the first mode and decreases in the second mode. Assuming that the increase amount of the coil current IL in one cycle is ΔIL ₊ and the voltage between the terminals of the flying capacitor Cf is Vc [V], the increase amount ΔIL ₊ of the coil current IL is as follows (2) from the equation (1). It can be calculated by the formula. Assuming that the amount of decrease in the coil current IL in one cycle is ΔIL ₋ _{, the amount of decrease in the coil current IL −} can be obtained from the following equation (3) from the equation (1).

１周期において、コイル電流ＩＬの増加量ΔＩＬ_＋とコイル電流ＩＬの減少量ΔＩＬ₋は等しいとみなすことができるため、（２）式、及び（３）式より以下の（４）式が成立する。また、（４）式及び（５）式から（６）式が成立する。

Since the increase amount ΔIL ₊ of the coil current IL _{+ and the decrease amount ΔIL −} of the coil current IL can be regarded as equal in one cycle, the following equations (4) are established from the equations (2) and (3). .. Further, the equations (4) and (5) to (6) are established.

（６）式から、以下の（７）式を導出することができる。

The following equation (7) can be derived from equation (6).

（７）式から把握できるように、出力電圧Ｖｏは、デューティ比Ｄｕｔｙによって変化する。ＤＣ／ＤＣコンバータ３０は、各スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３を制御することで、出力電圧Ｖｏを調整可能といえる。図４には、横軸をデューティ比Ｄｕｔｙとし、縦軸を出力電圧Ｖｏとし、デューティ比Ｄｕｔｙと出力電圧Ｖｏとの相関を示している。

As can be grasped from the equation (7), the output voltage Vo changes depending on the duty ratio duty. It can be said that the DC / DC converter 30 can adjust the output voltage Vo by controlling the switching elements Q1, Q2, and Q3. In FIG. 4, the horizontal axis is the duty ratio Duty, the vertical axis is the output voltage Vo, and the correlation between the duty ratio Duty and the output voltage Vo is shown.

図４から把握できるように、出力電圧Ｖｏは、デューティ比Ｄｕｔｙに応じて、オフセット電圧Ｖｂ〜入力電圧Ｖｉ／２＋オフセット電圧Ｖｂ／２の間で変化する。ＤＣ／ＤＣコンバータ３０の出力電圧Ｖｏの下限値は、デューティ比Ｄｕｔｙが０の場合のオフセット電圧Ｖｂであり、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０の出力電圧Ｖｏの上限値は、デューティ比Ｄｕｔｙが１の場合の入力電圧Ｖｉ／２＋オフセット電圧Ｖｂ／２である。 As can be seen from FIG. 4, the output voltage Vo changes between the offset voltage Vb and the input voltage Vi / 2 + the offset voltage Vb / 2 according to the duty ratio duty. The lower limit of the output voltage Vo of the DC / DC converter 30 is the offset voltage Vb when the duty ratio Duty is 0, and the upper limit of the output voltage Vo of the DC / DC converter 30 is the offset voltage Vb when the duty ratio Duty is 1. The input voltage is Vi / 2 + the offset voltage is Vb / 2.

実施形態の作用について説明する。
第２モードで、第３スイッチング素子Ｑ３がオンとなると、互いに直列接続された２つのバッテリＢ１，Ｂ２のうち第２バッテリＢ２とコイルＬとが接続され、第２バッテリＢ２からオフセット電圧Ｖｂが印加される。このオフセット電圧Ｖｂにより、第３スイッチング素子Ｑ３がグランドに接続されている場合に比べて、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０の出力電圧Ｖｏを高くすることができる。第３スイッチング素子Ｑ３のソースＳがグランドに接続されている場合、出力電圧Ｖｏの範囲は０〜Ｖｉ／２であるのに対し、オフセット電圧Ｖｂを加えることで、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０の出力電圧Ｖｏはオフセット電圧Ｖｂ〜入力電圧Ｖｉ／２＋オフセット電圧Ｖｂ／２となる。第２バッテリＢ２は、オフセット電圧Ｖｂを印加することによって、出力電圧Ｖｏの上限値を高くする電源として機能しているといえる。 The operation of the embodiment will be described.
When the third switching element Q3 is turned on in the second mode, the second battery B2 and the coil L of the two batteries B1 and B2 connected in series to each other are connected, and an offset voltage Vb is applied from the second battery B2. Will be done. With this offset voltage Vb, the output voltage Vo of the DC / DC converter 30 can be increased as compared with the case where the third switching element Q3 is connected to the ground. When the source S of the third switching element Q3 is connected to the ground, the range of the output voltage Vo is 0 to Vi / 2, but by adding the offset voltage Vb, the output voltage of the DC / DC converter 30 Vo is an offset voltage Vb to an input voltage Vi / 2 + an offset voltage Vb / 2. It can be said that the second battery B2 functions as a power source that raises the upper limit of the output voltage Vo by applying the offset voltage Vb.

本実施形態のＤＣ／ＤＣコンバータ３０は、フライングキャパシタＣｆとコイルＬとを組み合わせたハイブリッドコンバータである。ハイブリッドコンバータは、フライングキャパシタ及びコイルのいずれかを用いて電力の変換を行う一般的なＤＣ／ＤＣコンバータに比べて以下のような利点を有する。ＤＣ／ＤＣコンバータとして、フライングキャパシタＣｆを用いずに、スイッチング素子とコイルとを組み合わせたものは、出力電流の全てがコイルを通って出力される。これに対し、ハイブリッドコンバータでは、第２モードにおいて、出力電流はフライングキャパシタＣｆからも流れる。出力電流を一定とすると、フライングキャパシタＣｆから流れる電流の分だけ、コイルＬを流れる電流が少なくなる。コイルＬでは、コイルＬを構成する導線の抵抗による銅損と、鉄芯による鉄損とが生じる。このため、コイルＬに電流が流れると損失が大きい。ハイブリッドコンバータでは、コイルＬに流れる電流を少なくすることで、損失を低減することができる。また、コイルＬは、キャパシタに比べて単位面積当たりに蓄えられるエネルギーが少ない。このため、フライングキャパシタＣｆを用いないＤＣ／ＤＣコンバータは、大型化しやすい。ハイブリッドコンバータは、フライングキャパシタＣｆとコイルＬとを組み合わせているため、同一の電力を変換する場合、フライングキャパシタＣｆを用いないＤＣ／ＤＣコンバータに比べて小型化を図ることができる。また、ＤＣ／ＤＣコンバータとして、コイルを用いずに、フライングキャパシタとスイッチング素子とを組み合わせたものは、出力電圧を連続的に変化させることができない。ハイブリッドコンバータは、コイルＬの自己誘導により、出力電圧Ｖｏを連続的に変化させることができる。 The DC / DC converter 30 of the present embodiment is a hybrid converter in which a flying capacitor Cf and a coil L are combined. The hybrid converter has the following advantages over a general DC / DC converter that converts electric power using either a flying capacitor or a coil. In a DC / DC converter in which a switching element and a coil are combined without using a flying capacitor Cf, all of the output current is output through the coil. On the other hand, in the hybrid converter, the output current also flows from the flying capacitor Cf in the second mode. When the output current is constant, the current flowing through the coil L is reduced by the amount of the current flowing from the flying capacitor Cf. In the coil L, copper loss due to the resistance of the conducting wire constituting the coil L and iron loss due to the iron core occur. Therefore, when a current flows through the coil L, the loss is large. In the hybrid converter, the loss can be reduced by reducing the current flowing through the coil L. Further, the coil L stores less energy per unit area than the capacitor. Therefore, the DC / DC converter that does not use the flying capacitor Cf tends to be large in size. Since the hybrid converter combines the flying capacitor Cf and the coil L, when converting the same electric power, the size can be reduced as compared with the DC / DC converter that does not use the flying capacitor Cf. Further, as a DC / DC converter, a combination of a flying capacitor and a switching element without using a coil cannot continuously change the output voltage. The hybrid converter can continuously change the output voltage Vo by self-induction of the coil L.

このように、ハイブリッドコンバータでは、損失の低減、小型化、及び出力電圧Ｖｏの連続性といった効果が得られる。一方、前述したように、本実施形態のスイッチング回路３１を採用し、かつ、第３スイッチング素子Ｑ３をグランドに接続した場合、出力電圧Ｖｏの上限値が入力電圧Ｖｉの半分に制限されるという課題が生じる。第３スイッチング素子Ｑ３をバッテリＢ１，Ｂ２同士の接続点に接続することで、ハイブリッドコンバータにより得られる効果を享受しつつ、入力電圧Ｖｉの半分を超える出力電圧Ｖｏを出力することができる。 As described above, in the hybrid converter, effects such as loss reduction, miniaturization, and continuity of the output voltage Vo can be obtained. On the other hand, as described above, when the switching circuit 31 of the present embodiment is adopted and the third switching element Q3 is connected to the ground, the problem that the upper limit of the output voltage Vo is limited to half of the input voltage Vi. Occurs. By connecting the third switching element Q3 to the connection point between the batteries B1 and B2, it is possible to output an output voltage Vo exceeding half of the input voltage Vi while enjoying the effect obtained by the hybrid converter.

実施形態の効果について説明する。
（１）第３スイッチング素子Ｑ３のソースＳを互いに直列接続されたバッテリＢ１，Ｂ２同士の接続点に接続している。第３スイッチング素子Ｑ３のソースＳをグランドに接続する場合に比べて、出力電圧Ｖｏの上限値がオフセット電圧Ｖｂの半分だけ高くなる。ＤＣ／ＤＣコンバータ３０の出力電圧Ｖｏの上限値は、入力電圧Ｖｉの半分と、オフセット電圧Ｖｂの半分とを加算した値となる。従って、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０は、入力電圧Ｖｉの半分を超える出力電圧Ｖｏを出力できる。 The effect of the embodiment will be described.
(1) The source S of the third switching element Q3 is connected to the connection point between the batteries B1 and B2 connected in series with each other. Compared with the case where the source S of the third switching element Q3 is connected to the ground, the upper limit value of the output voltage Vo is higher by half of the offset voltage Vb. The upper limit of the output voltage Vo of the DC / DC converter 30 is a value obtained by adding half of the input voltage Vi and half of the offset voltage Vb. Therefore, the DC / DC converter 30 can output an output voltage Vo that exceeds half of the input voltage Vi.

（２）ＤＣ／ＤＣコンバータ３０は、トラック１０に搭載されている。トラック１０においては、スターターの駆動のために２４［Ｖ］の車載バッテリ２０を採用する場合がある。一方で、電装品は１２［Ｖ］で駆動するものが多く、車載バッテリ２０の電力によって電装品を駆動させる場合、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０を用いて車載バッテリ２０の入力電圧Ｖｉを降圧させて、電装品に出力する必要がある。しかしながら、車載バッテリ２０の経年劣化や周辺環境によっては車載バッテリ２０の出力が２４［Ｖ］を下回るおそれがある。前述したように、仮に、第３スイッチング素子Ｑ３のソースＳをグランドに接続した場合、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０の出力電圧Ｖｏは、最大でも入力電圧Ｖｉの半分になる。車載バッテリ２０の出力が２４［Ｖ］を下回ると、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０の出力電圧Ｖｏが１２［Ｖ］を下回ることで、１２［Ｖ］で駆動する電装品を駆動できないおそれがある。これに対し、本実施形態のＤＣ／ＤＣコンバータ３０では、入力電圧Ｖｉの半分を超えた出力電圧Ｖｏを出力可能である。車載バッテリ２０の出力が２４［Ｖ］を下回った場合であっても、安定して電装品を駆動させることができる。 (2) The DC / DC converter 30 is mounted on the track 10. In the truck 10, a 24 [V] in-vehicle battery 20 may be used to drive the starter. On the other hand, many electrical components are driven by 12 [V], and when the electrical components are driven by the electric power of the vehicle-mounted battery 20, the input voltage Vi of the vehicle-mounted battery 20 is stepped down by using a DC / DC converter 30. It is necessary to output to electrical components. However, the output of the vehicle-mounted battery 20 may be less than 24 [V] depending on the aged deterioration of the vehicle-mounted battery 20 and the surrounding environment. As described above, if the source S of the third switching element Q3 is connected to the ground, the output voltage Vo of the DC / DC converter 30 becomes half of the input voltage Vi at the maximum. If the output of the vehicle-mounted battery 20 is less than 24 [V], the output voltage Vo of the DC / DC converter 30 is less than 12 [V], and there is a possibility that the electrical components driven by 12 [V] cannot be driven. On the other hand, the DC / DC converter 30 of the present embodiment can output an output voltage Vo that exceeds half of the input voltage Vi. Even when the output of the vehicle-mounted battery 20 is less than 24 [V], the electrical components can be stably driven.

（３）ＤＣ／ＤＣコンバータ３０は、フライングキャパシタＣｆとコイルＬとを組み合わせたハイブリッドコンバータである。フライングキャパシタＣｆを用いずに、スイッチング素子とコイルとを組み合わせたＤＣ／ＤＣコンバータに比べて、コイルＬに流れる電流を少なくすることができ、損失を低減することができる。 (3) The DC / DC converter 30 is a hybrid converter that combines a flying capacitor Cf and a coil L. Compared to a DC / DC converter in which a switching element and a coil are combined without using the flying capacitor Cf, the current flowing through the coil L can be reduced, and the loss can be reduced.

実施形態は、以下のように変更して実施することができる。実施形態及び以下の変形例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
○図５に示すように、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０は、第３スイッチング素子Ｑ３とグランドとの間に設けられた電圧源Ｅを備えていてもよい。電圧源Ｅは、例えば、バッテリである。電圧源Ｅの端子間電圧は、入力電圧Ｖｉよりも低い。第３スイッチング素子Ｑ３のソースＳは、電圧源Ｅの正極に接続されている。第３スイッチング素子Ｑ３の両端の端子のうちコイルＬに接続されないソースＳに、基準電位を超え入力電圧未満の電圧が印加される。実施形態では、車載バッテリ２０のうち第２バッテリＢ２からオフセット電圧Ｖｂを印加していたのに対し、図５のＤＣ／ＤＣコンバータ５０ではオフセット電圧Ｖｂを印加するための専用の電圧源Ｅを設けているといえる。なお、図５に示すＤＣ／ＤＣコンバータ５０は、第３スイッチング素子Ｑ３が電圧源Ｅに接続される点を除いて、実施形態のＤＣ／ＤＣコンバータ３０と同様の構成を備える。 The embodiment can be modified and implemented as follows. The embodiments and the following modifications can be implemented in combination with each other to the extent that they are technically consistent.
○ As shown in FIG. 5, the DC / DC converter 50 may include a voltage source E provided between the third switching element Q3 and the ground. The voltage source E is, for example, a battery. The voltage between the terminals of the voltage source E is lower than the input voltage Vi. The source S of the third switching element Q3 is connected to the positive electrode of the voltage source E. A voltage exceeding the reference potential and lower than the input voltage is applied to the source S which is not connected to the coil L among the terminals at both ends of the third switching element Q3. In the embodiment, the offset voltage Vb is applied from the second battery B2 of the vehicle-mounted battery 20, whereas the DC / DC converter 50 of FIG. 5 is provided with a dedicated voltage source E for applying the offset voltage Vb. It can be said that it is. The DC / DC converter 50 shown in FIG. 5 has the same configuration as the DC / DC converter 30 of the embodiment except that the third switching element Q3 is connected to the voltage source E.

図５に示すＤＣ／ＤＣコンバータ５０では、実施形態のＤＣ／ＤＣコンバータ３０と同様の効果を得ることができる。第３スイッチング素子Ｑ３がオンになると、電圧源ＥとコイルＬが接続され、電圧源Ｅからオフセット電圧Ｖｂが印加される。オフセット電圧Ｖｂにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０の出力電圧の上限値を高くすることができる。ＤＣ／ＤＣコンバータ５０の出力電圧の上限値は、実施形態と同様に、入力電圧Ｖｉ／２＋オフセット電圧Ｖｂ／２となる。従って、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０は、入力電圧Ｖｉの半分を超える出力電圧Ｖｏを出力できる。 The DC / DC converter 50 shown in FIG. 5 can obtain the same effect as the DC / DC converter 30 of the embodiment. When the third switching element Q3 is turned on, the voltage source E and the coil L are connected, and an offset voltage Vb is applied from the voltage source E. The offset voltage Vb can increase the upper limit of the output voltage of the DC / DC converter 50. The upper limit of the output voltage of the DC / DC converter 50 is the input voltage Vi / 2 + the offset voltage Vb / 2, as in the embodiment. Therefore, the DC / DC converter 50 can output an output voltage Vo that exceeds half of the input voltage Vi.

○上記したＤＣ／ＤＣコンバータ５０において、電圧源Ｅとしては、電力源から入力される電力を変換して出力する電源回路を用いてもよい。
○ＤＣ／ＤＣコンバータ３０は、乗用車や家電製品等に搭載されていてもよい。 ○ In the above-mentioned DC / DC converter 50, as the voltage source E, a power supply circuit that converts and outputs the power input from the power source may be used.
○ The DC / DC converter 30 may be mounted on a passenger car, a home electric appliance, or the like.

○直列接続体は、３個以上のバッテリを互いに直列接続したものでもよい。この場合、バッテリ同士の接続点が複数になる。第３スイッチング素子Ｑ３のソースＳは、いずれの接続点に接続されていてもよい。オフセット電圧Ｖｂは、第３スイッチング素子Ｑ３が接続される接続点によって異なり、第３スイッチング素子Ｑ３が接続される接続点とグランドとの間に存在するバッテリの数が多いほど高い値となる。 ○ The series connection body may be one in which three or more batteries are connected in series with each other. In this case, there are a plurality of connection points between the batteries. The source S of the third switching element Q3 may be connected to any connection point. The offset voltage Vb differs depending on the connection point to which the third switching element Q3 is connected, and becomes a higher value as the number of batteries existing between the connection point to which the third switching element Q3 is connected and the ground increases.

○ＤＣ／ＤＣコンバータ３０に入力電圧Ｖｉを入力する直流電源と、第３スイッチング素子Ｑ３が接続される直列接続体とは別々の部材であってもよい。 ○ The DC power supply that inputs the input voltage Vi to the DC / DC converter 30 and the series connector to which the third switching element Q3 is connected may be separate members.

Ｂ１，Ｂ２…バッテリ、Ｃｆ…フライングキャパシタ、Ｌ…コイル、Ｑ１…第１スイッチング素子、Ｑ２…第２スイッチング素子、Ｑ３…第３スイッチング素子、Ｓ…ソース、２０…直列接続体としての車載バッテリ、３０，５０…ＤＣ／ＤＣコンバータ、３１…スイッチング回路。 B1, B2 ... battery, Cf ... flying capacitor, L ... coil, Q1 ... first switching element, Q2 ... second switching element, Q3 ... third switching element, S ... source, 20 ... in-vehicle battery as a series connector, 30, 50 ... DC / DC converter, 31 ... Switching circuit.

Claims

A DC / DC converter that steps down the input voltage from a DC power supply and outputs it as an output voltage.
A switching circuit in which each switching element and the coil are connected in series in the order of the first switching element, the second switching element, the coil, and the third switching element.
It has a flying capacitor connected to a connection point between the first switching element and the second switching element, and a connection point between the coil and the third switching element.
The output voltage is output from the connection point between the second switching element and the coil, and the output voltage is output.
The first switching element is connected to the DC power supply,
A DC / DC converter in which terminals not connected to the coil among the terminals at both ends of the third switching element are connected to connection points between the batteries in a series connection body in which a plurality of batteries are connected in series with each other.

The DC / DC converter according to claim 1, wherein the DC / DC converter is mounted on a truck.

A DC / DC converter that steps down the input voltage from a DC power supply and outputs it as an output voltage.
A switching circuit in which each switching element and the coil are connected in series in the order of the first switching element, the second switching element, the coil, and the third switching element.
It has a flying capacitor connected to a connection point between the first switching element and the second switching element, and a connection point between the coil and the third switching element.
The output voltage is output from the connection point between the second switching element and the coil, and the output voltage is output.
The first switching element is connected to the DC power supply,
A DC / DC converter in which a voltage exceeding the reference potential and lower than the input voltage is applied to terminals not connected to the coil among the terminals at both ends of the third switching element.