JP2022124673A - Dc-dcコンバータおよび車両 - Google Patents
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Abstract
【課題】素子の損失を低減し、素子が発熱することを抑制する。【解決手段】本開示に係るDC-DCコンバータは、DC-AC変換回路と、トランスと、複数の整流回路と、複数の平滑回路と、出力回路と、を備える。DC-AC変換回路は、直流の入力電圧を一次側交流電圧に変換する。トランスは、一次側交流電圧が印加される一次側コイルと、一次側コイルに磁気的に結合される複数の二次側コイルとを含む。複数の整流回路は、複数の二次側コイルに一対一に対応して設けられ、それぞれが、複数の二次側コイルのうちの対応する二次側コイルから出力される二次側交流電圧を全波整流した整流電圧を出力する。複数の平滑回路は、複数の整流回路に一対一に対応して設けられ、それぞれが、複数の整流回路のうちの対応する整流回路から出力される整流電圧を平滑化する。出力回路は、複数の平滑回路のそれぞれの出力端子と接続され、直流の出力電圧を出力する。【選択図】図1
Description
本開示は、DC-DCコンバータおよび車両に関する。
トランスを用いた絶縁型のDC-DCコンバータが知られている。このようなDC-DCコンバータは、例えば、車載用のリチウムイオン電池の電力を鉛蓄電池へと充電するための車載充電器に用いられる。車載充電器に用いられるDC-DCコンバータは、例えば、リチウムイオン電池の360V程度の直流電圧を14V程度の直流電圧に変換する。特許文献1には、トランスを用いたDC-DCコンバータが記載されている。
ところで、DC-DCコンバータは、比較的に大きな直流電圧を、比較的に小さな直流電圧に降圧する場合、大きな出力電流を出力する。このため、このような場合、DC-DCコンバータは、トランスの二次側のコイルおよび二次側のMOSFET(Metal Oxice Semiconductor Field Effect Transistor)等の素子に比較的に大きな電流が流れる。DC-DCコンバータは、二次側の素子に大きな電流が流れた場合、素子で大きな損失が発生するため、発熱が大きくなり、素子が高温となる。車載充電器に用いられるDC-DCコンバータは、高温環境下で用いられるため、特に素子の温度が高くなってしまう可能性があった。
本開示の目的は、二次側の素子の損失を低減し、素子の温度を小さくすることができるDC-DCコンバータおよび車両を提供することである。
本開示に係るDC-DCコンバータは、DC-AC変換回路と、トランスと、複数の整流回路と、複数の平滑回路と、出力回路と、を備える。前記DC-AC変換回路は、直流の入力電圧を一次側交流電圧に変換する。前記トランスは、前記一次側交流電圧が印加される一次側コイルと、前記一次側コイルに磁気的に結合される複数の二次側コイルとを含む。前記複数の整流回路は、前記複数の二次側コイルに一対一に対応して設けられ、それぞれが、前記複数の二次側コイルのうちの対応する二次側コイルから出力される二次側交流電圧を全波整流した整流電圧を出力する。前記複数の平滑回路は、前記複数の整流回路に一対一に対応して設けられ、それぞれが、前記複数の整流回路のうちの対応する整流回路から出力される前記整流電圧を平滑化する。前記出力回路は、前記複数の平滑回路のそれぞれの出力端子と接続され、直流の出力電圧を出力する。
また、本開示に係る車両は、前記DC-DCコンバータを含む。
本開示に係るDC-DCコンバータおよび車両によれば、素子の損失を低減し、素子が発熱することを抑制することができる。
以下、図面を参照しながら、本開示に係るDC-DCコンバータ10の実施形態について説明する。
図1は、第1実施形態に係るDC-DCコンバータ10の構成を示す図である。DC-DCコンバータ10は、前段の装置から直流の入力電圧VIを受け取り、受け取った直流の入力電圧VIを直流の出力電圧VOに電力変換して、後段の装置に出力電圧VOを供給する電力変換装置である。本実施形態において、DC-DCコンバータ10は、直流の入力電圧VIを降圧した直流の出力電圧VOを出力する。なお、DC-DCコンバータ10は、直流の入力電圧VIを昇圧した直流の出力電圧VOを出力してもよい。
DC-DCコンバータ10は、第1入力端子22と、第2入力端子24と、第1出力端子26と、第2出力端子28と、DC-AC変換回路32と、トランス34と、複数の整流回路36と、複数の平滑回路38と、制御回路40とを備える。
DC-DCコンバータ10は、第1入力端子22と第2入力端子24との間に、前段の装置から直流の入力電圧VIを受け取る。第1入力端子22は、第2入力端子24より高い電圧が印加される。なお、第1入力端子22および第2入力端子24のそれぞれは、前段の装置と接続するケーブルまたは配線等であってもよい。
DC-DCコンバータ10は、第1出力端子26と第2出力端子28との間から、後段の装置へと直流の出力電圧VOを出力する。従って、第1出力端子26および第2出力端子28は、直流の出力電圧VOを出力する出力回路として機能する。第1出力端子26は、第2出力端子28より高い電圧が発生する。なお、第1出力端子26および第2出力端子28のそれぞれは、後段の装置と接続するケーブルまたは配線等であってもよい。
DC-AC変換回路32は、第1入力端子22と第2入力端子24との間に印加された直流の入力電圧VIを、交流電圧である一次側交流電圧に変換する。そして、DC-AC変換回路32は、第1交流端子50と第2交流端子52との間に一次側交流電圧を出力する。一次側交流電圧の波形は、パスル状の波形であってもよい。
DC-AC変換回路32は、例えばフルブリッジ方式のコンバータである。フルブリッジ方式のコンバータである場合、DC-AC変換回路32は、変換キャパシタ54と、第1変換スイッチ56と、第2変換スイッチ58と、第3変換スイッチ60と、第4変換スイッチ62とを含む。第1変換スイッチ56、第2変換スイッチ58、第3変換スイッチ60および第4変換スイッチ62は、制御回路40からの制御に応じて電力線を導通または不通に切り替えるMOSFET等の半導体素子である。
変換キャパシタ54は、第1入力端子22と第2入力端子24との間に接続される。第1変換スイッチ56は、第1入力端子22と第1交流端子50との間に接続される。第2変換スイッチ58は、第1交流端子50と第2入力端子24との間に接続される。第3変換スイッチ60は、第1入力端子22と第2交流端子52との間に接続される。第4変換スイッチ62は、第2交流端子52と第2入力端子24との間に接続される。第1変換スイッチ56、第2変換スイッチ58、第3変換スイッチ60および第4変換スイッチ62は、制御回路40により、第1交流端子50と第2交流端子52との間に、一次側交流電圧が発生するように、スイッチング制御される。これにより、DC-AC変換回路32は、直流の入力電圧VIを一次側交流電圧に変換することができる。
なお、変換キャパシタ54は、DC-AC変換回路32の入力側の外部に設けられていてもよい。また、DC-AC変換回路32は、フルブリッジ方式でなくハーフブリッジ方式であってもよい。
トランス34は、一次側コイル64と、複数の二次側コイル66とを含む。本実施形態において、トランス34は、複数の二次側コイル66として、第1二次側コイル66-1と、第2二次側コイル66-2とを含む。
一次側コイル64は、第1交流端子50と第2交流端子52との間に接続される。複数の二次側コイル66のそれぞれは、一次側コイル64に磁気的に結合される。複数の二次側コイル66のそれぞれは、一次側交流電圧の一部の電力に基づく二次側交流電圧を出力する。複数の二次側コイル66は、互いに同一電力および同一極性の二次側交流電圧を出力する。従って、トランス34は、一次側コイル64に一次側交流電圧が印加されることによって、複数の二次側コイル66のそれぞれに二次側交流電圧を発生する。
複数の整流回路36は、複数の二次側コイル66に一対一に対応して設けられる。複数の整流回路36のそれぞれは、複数の二次側コイル66のうちの対応する二次側コイル66から出力される二次側交流電圧を全波整流する。そして、整流回路36は、対応する二次側コイル66から出力される二次側交流電圧を全波整流した整流電圧を出力する。本実施形態において、DC-DCコンバータ10は、第1二次側コイル66-1に対応する第1整流回路36-1と、第2二次側コイル66-2に対応する第2整流回路36-2とを備える。
複数の整流回路36のそれぞれは、例えば、センタータップ方式の同期全波整流を行う。この場合、それぞれの整流回路36は、第1中間端子70と、第2中間端子72と、配線74と、第1整流スイッチ76と、第2整流スイッチ78とを含む。
配線74は、対応する二次側コイル66のセンタータップを、第1中間端子70に接続する。第1整流スイッチ76および第2整流スイッチ78は、制御回路40からの制御に応じて電力線を導通または不通に切り替えるMOSFET等の半導体素子である。第1整流スイッチ76は、対応する二次側コイル66の一方の端部である第1端子と、第2中間端子72との間に接続される。第2整流スイッチ78は、対応する二次側コイル66における第1整流スイッチ76が接続されていない側の端部である第2端子と、第2中間端子72との間に接続される。
第1整流スイッチ76は、制御回路40により、第1端子の電位が第2端子の電位より低い電圧が出力されている期間においてオンし、第1端子の電位が第2端子の電位より高い電圧が出力されている期間においてオフするように制御される。第2整流スイッチ78は、制御回路40により、第2端子の電位が第1端子の電位より低い電圧が出力されている期間においてオンし、第2端子の電位が第1端子の電位より高い電圧が出力されている期間においてオフするように制御される。これにより、複数の整流回路36のそれぞれは、第1中間端子70と第2中間端子72との間に、全波整流電圧を出力することができる。
なお、複数の整流回路36のそれぞれは、センタータップ方式の同期全波整流に限らず、他の方式で全波整流してもよい。例えば、複数の整流回路36のそれぞれは、フルブリッジ方式の同期全波整流をしてもよいし、ダイオード整流をしてもよい。
複数の平滑回路38は、複数の整流回路36に一対一に対応して設けられる。複数の平滑回路38のそれぞれは、複数の整流回路36のうちの対応する整流回路36から出力される整流電圧を平滑化する。本実施形態において、DC-DCコンバータ10は、第1整流回路36-1に対応する第1平滑回路38-1と、第2整流回路36-2に対応する第2平滑回路38-2とを備える。
例えば、複数の平滑回路38のそれぞれは、平滑インダクタ80と、平滑キャパシタ82とを含む、LC型ローパスフィルタであってもよい。この場合、平滑インダクタ80および平滑キャパシタ82は、対応する第1中間端子70と対応する第2中間端子72との間に直列に接続される。そして、この場合、複数の平滑回路38のそれぞれは、平滑キャパシタ82の両端電圧を、整流電圧を平滑化した電圧として出力する。
なお、本実施形態において、複数の平滑回路38のそれぞれは、LC型ローパスフィルタでなくてもよい。例えば、本実施形態において、複数の平滑回路38のそれぞれは、対応する第1中間端子70と対応する第2中間端子72との間に接続された平滑キャパシタ82を含み、インダクタを含まない回路であってもよい。
第1出力端子26および第2出力端子28は、複数の平滑回路38の全ての出力端子と接続される。より詳しくは、第1出力端子26は、複数の平滑回路38の全ての正側の電圧の出力端子と接続される。第2出力端子28は、複数の平滑回路38の全ての負側の電圧の出力端子と接続される。例えば、第1出力端子26は、複数の平滑回路38のそれぞれに含まれる平滑キャパシタ82における、平滑インダクタ80に接続されている側の端子と接続される。また、例えば、第2出力端子28は、複数の平滑回路38のそれぞれに含まれる平滑キャパシタ82における、平滑インダクタ80に接続されていない側の端子と接続される。
そして、第1出力端子26および第2出力端子28は、後段の装置へ、直流の出力電圧VOを出力する。すなわち、第1出力端子26および第2出力端子28は、複数の平滑回路38のそれぞれから出力された電力を合成した電力を後段の装置へと出力する出力回路として機能する。
制御回路40は、第1出力端子26と第2出力端子28との間に出力される出力電圧VOの測定値、または、出力電圧VOが印加される負荷に供給される出力電流IOの測定値を取得する。制御回路40は、出力電圧VOの測定値と目標電圧との偏差または出力電流IOの測定値と目標電流との偏差を算出する。そして、制御回路40は、算出した偏差を小さくするように、入力電圧VIを出力電圧VOへと変換する電力量を制御する。
例えば、制御回路40は、算出した偏差に応じて、DC-AC変換回路32からトランス34へと供給される電力量を変更するように、DC-AC変換回路32をスイッチング制御する。例えば、制御回路40は、第1変換スイッチ56、第2変換スイッチ58、第3変換スイッチ60および第4変換スイッチ62におけるオン期間とオフ期間との比率を、出力電圧VOの測定値と目標電圧との偏差または出力電流IOの測定値と目標電流との偏差に応じて制御する。例えば、制御回路40は、偏差がマイナスの場合には、オン期間を長くし、偏差がプラスの場合には、オン期間を短くするように制御する。これにより、制御回路40は、出力電圧VOまたは出力電流IOを目標値とすることができる。なお、DC-DCコンバータ10は、位相シフトコンバータであってもよい。この場合、制御回路40は、第1変換スイッチ56、第2変換スイッチ58、第3変換スイッチ60および第4変換スイッチ62におけるオン期間とオフ期間との比率を一定としつつ、スイッチングタイミングの位相差を偏差に応じて制御する。このようにしても、制御回路40は、出力電圧VOまたは出力電流IOを目標値とすることができる。
制御回路40は、例えばCPU(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)およびRAM(Random Access Memory)を含む。制御回路40は、予めせて設定されたプログラムに基づいて、処理を実行する。例えば、制御回路40は、例えばCPU等のプロセッサとROM等に記憶されたプログラム(ソフトウェア)との協働により制御信号を生成する。なお、制御回路40の機能は、ソフトウェアによって実現されるものに限らず、専用回路等のハードウェア構成によって実現されてもよい。
以上のような構成の第1実施形態に係るDC-DCコンバータ10は、トランス34の二次側が、複数の回路による並列構成となっている。より具体的には、DC-DCコンバータ10は、複数の二次側コイル66、複数の整流回路36および複数の平滑回路38を備え、これらが並列構成となっている。これにより、第1実施形態に係るDC-DCコンバータ10は、トランス34の二次側に設けられる素子のそれぞれに流れる電流を、小さくすることができる。この結果、第1実施形態に係るDC-DCコンバータ10は、二次側の素子のそれぞれの損失が抑制され、損失による発熱を小さくすることができる。
また、第1実施形態に係るDC-DCコンバータ10は、DC-AC変換回路32および一次側コイル64のそれぞれが単一の構成となっている。これにより、第1実施形態に係るDC-DCコンバータ10は、一次側の回路構成が簡易となり、コストを小さくすることができる。従って、この場合、DC-DCコンバータ10は、一次側の素子の構成を簡易にしてコストを小さくしつつ、二次側の素子の損失を低減して発熱を抑制することができる。
図2は、第2実施形態に係るDC-DCコンバータ10の構成を示す図である。第2実施形態に係るDC-DCコンバータ10は、第1実施形態と略同一の機能および構成を有する。第2実施形態の説明は、第1実施形態と略同一の機能および構成を有する回路に同一の符号を付け、相違点を除き詳細を省略する。
第2実施形態に係るDC-DCコンバータ10は、短絡配線84をさらに備える。短絡配線84は、複数の整流回路36の出力端子の同士を接続する。より具体的には、短絡配線84は、複数の整流回路36のそれぞれの第1中間端子70を接続する。本実施形態においては、短絡配線84は、第1整流回路36-1の第1中間端子70と、第2整流回路36-2の第1中間端子70とを接続する。
これにより、第2実施形態に係るDC-DCコンバータ10は、複数の整流回路36から出力された電力を一旦合成した後に、複数の平滑回路38に分配して供給する。例えば、短絡配線84により複数の整流回路36の出力端子が接続されておらず、インダクタンスのばらつきが大きい場合、複数の二次側コイル66は、互いに同一の二次側交流電圧を出力することができない。この場合、複数の整流回路36のそれぞれは、出力が不安定となる可能性がある。出力が不安定となった場合、複数の整流回路36のそれぞれは、安定時に発生する電圧よりも高い電圧を内部で発生させてしまう可能性がある。このため、短絡配線84により出力端子が接続されていない場合、複数の整流回路36のそれぞれは、耐圧の大きい素子を用いて構成されることが好ましかった。
これに対して、第2実施形態に係るDC-DCコンバータ10は、短絡配線84により複数の整流回路36の出力端子が接続されている。従って、複数の二次側コイル66のインダクタのばらつきが大きい場合であっても、複数の整流回路36のそれぞれは、安定した整流電圧を出力することができる。これにより、第2実施形態に係るDC-DCコンバータ10は、変動の少ない安定した出力電圧VOを出力することができる。さらに、第2実施形態に係るDC-DCコンバータ10は、耐圧の大きい素子を用いた整流回路36を備えなくてもよいので、コストを小さくすることができる。また、さらに、低耐圧の素子ほどオン抵抗が小さくなるので、第2実施形態に係るDC-DCコンバータ10は、より損失が抑制され、発熱を小さくすることができる。
図3は、第3実施形態に係るDC-DCコンバータ10の構成を示す図である。第3実施形態に係るDC-DCコンバータ10は、第2実施形態と略同一の機能および構成を有する。第3実施形態の説明は、第2実施形態と略同一の機能および構成を有する回路に同一の符号を付け、相違点を除き詳細を省略する。
第3実施形態に係るDC-DCコンバータ10は、第2実施形態と比較して、複数の平滑回路38に代えて1つの平滑回路38を備える。第3実施形態において、平滑回路38は、複数の整流回路36から出力される複数の整流電圧を合成して受け取り、受け取った電圧を平滑化した直流の出力電圧VOを出力する。このような構成の第3実施形態に係るDC-DCコンバータ10は、第2実施形態と同様の効果を奏することができる。さらに、第3実施形態に係るDC-DCコンバータ10は、1つの平滑回路38を備えればよいので、構成を簡易にすることができる。
なお、図3において、平滑回路38は、並列に接続された2個の平滑インダクタ80と、並列に接続された2個の平滑キャパシタ82とを含む構成となっている。しかし、平滑回路38は、1個の平滑インダクタ80と、1個の平滑キャパシタ82を含む構成であってよい。
図4は、第4実施形態に係る車両100の構成を示す図である。車両100は、第1バッテリ112と、第2バッテリ114と、電装装置116と、充電装置118とを備える。
第1バッテリ112は、例えばリチウムイオン電池であり、電気自動車用の充電スタンド等から電力が供給される。第1バッテリ112は、例えば360V程度の直流電圧を発生する。
第2バッテリ114は、例えば鉛蓄電池であり、第1バッテリ112の電力が転送されて充電される。第2バッテリ114は、例えば12V程度の直流電圧を発生する。
電装装置116は、車両100に搭載された装置である。電装装置116は、充電装置118から出力された電力、若しくは、第2バッテリ114に充電された電力により動作する。例えば、電装装置116は、車載コンピュータ、パワーステアリング、ヘッドライトおよびエアーコンディショナ等である。
充電装置118は、第1実施形態または第2実施形態の何れかのDC-DCコンバータ10を含む。充電装置118は、第1バッテリ112の電力を取り出し、第2バッテリ114へと充電する。例えば、充電装置118に含まれるDC-DCコンバータ10は、第1バッテリ112から発生された直流電圧を降圧して、第2バッテリ114に対して充電可能な直流電圧に変換する。
車両100は、第1バッテリ112の電力でモータを駆動して走行をすることができる。また、車両100は、第2バッテリ114の電力で電装装置116を駆動し、車両100の各種の制御および補助動作をすることができる。
そして、車両100は、充電装置118内のDC-DCコンバータ10において、内部で発生するサージ電圧を効率良く抑制することができる。これにより、車両100は、第1バッテリ112の電力を効率良く第2バッテリ114に充電することができる。
その他、上記実施の形態は、何れも本開示を実施するにあたっての具体化の一例を示したものに過ぎず、これらによって本開示の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本開示はその要旨、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。
10 DC-DCコンバータ、22 第1入力端子、24 第2入力端子、26 第1出力端子、28 第2出力端子、32 DC-AC変換回路、34 トランス、36 整流回路、38 平滑回路、40 制御回路、50 第1交流端子、52 第2交流端子、54 変換キャパシタ、56 第1変換スイッチ、58 第2変換スイッチ、60 第3変換スイッチ、62 第4変換スイッチ、64 一次側コイル、66 二次側コイル、70 第1中間端子、72 第2中間端子、74 配線、76 第1整流スイッチ、78 第2整流スイッチ、80 平滑インダクタ、82 平滑キャパシタ、84 短絡配線、100 車両、112 第1バッテリ、114 第2バッテリ、116 電装装置、118 充電装置
Claims (7)
- 直流の入力電圧を一次側交流電圧に変換するDC-AC変換回路と、
前記一次側交流電圧が印加される一次側コイルと、前記一次側コイルに磁気的に結合される複数の二次側コイルとを含むトランスと、
前記複数の二次側コイルに一対一に対応して設けられ、それぞれが、前記複数の二次側コイルのうちの対応する二次側コイルから出力される二次側交流電圧を全波整流した整流電圧を出力する複数の整流回路と、
前記複数の整流回路に一対一に対応して設けられ、それぞれが、前記複数の整流回路のうちの対応する整流回路から出力される前記整流電圧を平滑化する複数の平滑回路と、
前記複数の平滑回路のそれぞれの出力端子と接続され、直流の出力電圧を出力する出力端子と、
を備えるDC-DCコンバータ。 - 前記複数の整流回路は、互いの出力端子が接続される
請求項1に記載のDC-DCコンバータ。 - 直流の入力電圧を一次側交流電圧に変換するDC-AC変換回路と、
前記一次側交流電圧が印加される一次側コイルと、前記一次側コイルに磁気的に結合される複数の二次側コイルとを含むトランスと、
前記複数の二次側コイルに一対一に対応して設けられ、それぞれが、前記複数の二次側コイルのうちの対応するコイルから出力される二次側交流電圧を全波整流した整流電圧を出力する複数の整流回路と、
前記複数の整流回路から出力される複数の整流電圧を合成して受け取り、受け取った電圧を平滑化した直流の出力電圧を出力する平滑回路と、
を備えるDC-DCコンバータ。 - 前記複数の整流回路は、互いの出力端子が接続される
請求項3に記載のDC-DCコンバータ。 - 前記平滑回路は、LC型ローパスフィルタである
請求項1から4の何れか1項に記載のDC-DCコンバータ。 - 前記出力電圧を測定した測定値または負荷に供給される出力電流の測定値に応じて、前記入力電圧を前記出力電圧へと変換する電力量を制御する制御回路をさらに備える
請求項1から5の何れか1項に記載のDC-DCコンバータ。 - 請求項1から6の何れか1項に記載のDC-DCコンバータを含む
車両。
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