JP2023161414A - Dc/dc converter - Google Patents
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Abstract
Description
本明細書が開示する技術は、リアクトルとスイッチング素子を用いたスイッチドキャパシタ型のDC-DCコンバータに関する。特に、リアクトルの機能を補助するコンデンサ(充放電コンデンサ)を備えるDC-DCコンバータに関する。 The technology disclosed in this specification relates to a switched capacitor type DC-DC converter using a reactor and a switching element. In particular, it relates to a DC-DC converter that includes a capacitor (charge/discharge capacitor) that assists the function of a reactor.
上記したDC-DCコンバータが特許文献1に開示されている。特許文献1のDC-DCコンバータは、4個のスイッチング素子、リアクトル、充放電コンデンサを備える。4個のスイッチング素子は、DC-DCコンバータの高電圧端とグランドの間に直列に接続されている。説明の便宜上、4個のスイッチング素子を、高電圧端の側からグランドの側に向けて、第1、第2、第3、第4スイッチング素子と称する。
The above DC-DC converter is disclosed in
リアクトルは、第2/第3スイッチング素子の接続点と、DC-DCコンバータの低電圧端の間に接続されている。充放電コンデンサは、第1/第2スイッチング素子の接続点と、第3/第4スイッチング素子の接続点の間に接続されている。 The reactor is connected between the connection point of the second/third switching element and the low voltage end of the DC-DC converter. The charge/discharge capacitor is connected between the connection point of the first/second switching element and the connection point of the third/fourth switching element.
特許文献1のDC-DCコンバータは、充放電コンデンサがリアクトルの機能を補助する。充放電コンデンサを採用することでリアクトルに印加される電圧を低減することができ、その結果、リアクトルを小型化できる。充放電コンデンサを有効に使うには、充放電コンデンサの両端電圧の平均を高電圧端の電圧の半分に保持することが重要である。そのため、特許文献1のDC-DCコンバータは、充放電コンデンサの電圧を計測する電圧センサを備えており、電圧センサの計測値が充放電コンデンサの目標電圧(高電圧端の目標電圧の半分)に追従するようにフィードバック制御を行う。以下では、説明の便宜上、充放電コンデンサの両端電圧をコンデンサ電圧と称する。
In the DC-DC converter disclosed in
本明細書は、上記したDC-DCコンバータにおいて、充放電コンデンサの両端電圧を計測することなく、コンデンサ電圧の平均を高電圧端の電圧の半分に保持することのできる技術を提供する。 The present specification provides a technique that can maintain the average capacitor voltage at half the voltage at the high voltage end in the above-mentioned DC-DC converter without measuring the voltage across the charging/discharging capacitor.
特許文献1のDC-DCコンバータは、低電圧端に印加された電圧を昇圧して高電圧端から出力する昇圧動作と、高電圧端に印加された電圧を降圧して低電圧端から出力する降圧動作の双方を行うことができる。すなわち、特許文献1のDC-DCコンバータは、いわゆる双方向DC-DCコンバータである。第1/第2スイッチング素子が降圧動作に寄与し、第3/第4スイッチング素子が昇圧動作に寄与する。本明細書が開示する技術は、昇圧コンバータ、降圧コンバータ、双方向コンバータのいずれにも適用することができる。
The DC-DC converter of
本明細書が開示するDC-DCコンバータの第1の態様は、昇圧コンバータである。そのDC-DCコンバータは、高電圧端、低電圧端、グランド、2個のダイオード(第1/第2ダイオード)、2個のスイッチング素子(第1/第2スイッチング素子)、リアクトル、充放電コンデンサ、コントローラを備える。第1ダイオード、第2ダイオード、第1スイッチング素子、第2スイッチング素子は、高電圧端からグランドに向けて、この順序で直列に接続されている。リアクトルは、第2ダイオードと第1スイッチング素子の接続点と、低電圧端との間に接続されている。充放電コンデンサは、第1ダイオードと第2ダイオードの接続点と、第1スイッチング素子と第2スイッチング素子の接続点の間に接続されている。第1ダイオードと第2ダイオードは、グランドの側から高電圧端の側へ向けて電流が流れるように接続される。 A first aspect of the DC-DC converter disclosed herein is a boost converter. The DC-DC converter consists of a high voltage end, a low voltage end, a ground, two diodes (first/second diodes), two switching elements (first/second switching elements), a reactor, and a charge/discharge capacitor. , a controller. The first diode, the second diode, the first switching element, and the second switching element are connected in series in this order from the high voltage end to the ground. The reactor is connected between the connection point between the second diode and the first switching element and the low voltage end. The charge/discharge capacitor is connected between a connection point between the first diode and the second diode and a connection point between the first switching element and the second switching element. The first diode and the second diode are connected so that current flows from the ground side to the high voltage end side.
コントローラが第1/第2スイッチング素子を制御する。コントローラは、次の2つの処理を実行する。(1)コントローラは、目標電圧比(低電圧端と高電圧端の電圧比の目標値)に基づいて各スイッチング素子に与えるゲート信号のデューティを決定する。(2)コントローラは、第1スイッチング素子がオンし第2スイッチング素子がオフしている間のリアクトル電流の変化量と、第1スイッチング素子がオフし第2スイッチング素子がオンしている間のリアクトル電流の変化量との差分が小さくなるように第1スイッチング素子と第2スイッチング素子の少なくとも一方のゲート信号のデューティを補正する。 A controller controls the first/second switching elements. The controller performs the following two processes. (1) The controller determines the duty of the gate signal given to each switching element based on the target voltage ratio (target value of the voltage ratio between the low voltage end and the high voltage end). (2) The controller determines the amount of change in reactor current while the first switching element is on and the second switching element is off, and the amount of change in reactor current while the first switching element is off and the second switching element is on. The duty of the gate signal of at least one of the first switching element and the second switching element is corrected so that the difference with the amount of change in the current becomes small.
上記(2)の処理により、コンデンサ電圧は高電圧端の電圧の半分に保持される。上記のDC-DCコンバータでは、第1スイッチング素子がオンであり第2スイッチング素子がオフのとき、リアクトル、第1スイッチング素子、充放電コンデンサ、第1ダイオード、高電圧端の順に電流が流れる。このとき充放電コンデンサが放電する。説明の便宜上、このときの状態を第1モードと名付ける。また、DC-DCコンバータでは、第1スイッチング素子がオフ、第2スイッチング素子がオンのとき、リアクトル、第2ダイオード、充放電コンデンサ、第2スイッチング素子、グランドの順に電流が流れる。このとき、充放電コンデンサは充電される。このときの状態を第2モードと名付ける。 By the process (2) above, the capacitor voltage is held at half the voltage at the high voltage end. In the above DC-DC converter, when the first switching element is on and the second switching element is off, current flows in the order of the reactor, the first switching element, the charging/discharging capacitor, the first diode, and the high voltage terminal. At this time, the charge/discharge capacitor discharges. For convenience of explanation, this state will be referred to as the first mode. Further, in the DC-DC converter, when the first switching element is off and the second switching element is on, current flows in the order of the reactor, the second diode, the charging/discharging capacitor, the second switching element, and the ground. At this time, the charging/discharging capacitor is charged. This state is called the second mode.
第2モードで充放電コンデンサが充電され、第1モードで充放電コンデンサは放電する。低電圧端の電圧を記号VL、高電圧端の電圧を記号VH、リアクトルに印加される電圧を記号VRで表す。また、コンデンサ電圧を記号VCで表す。第1モードのとき、VR=VL+VC-VHとなり、第2モードのとき、VR=VL-VCとなる。ここで、コンデンサ電圧VCが高電圧端電圧VHの半分であれば、第1モード、第2モードのいずれの場合もVR=(1/2)VHとなり、第1モードの期間と第2モードの期間でリアクトル電流の変化量が等しくなる。逆に言えば、第1モードの期間と第2モードの期間でリアクトル電流の変化量が等しくなるようにスイッチング素子のデューティ比を調整すれば、コンデンサ電圧VCの平均が高電圧端電圧VHの半分に保持される。 In the second mode, the charge/discharge capacitor is charged, and in the first mode, the charge/discharge capacitor is discharged. The voltage at the low voltage end is represented by the symbol VL, the voltage at the high voltage end is represented by the symbol VH, and the voltage applied to the reactor is represented by the symbol VR. Further, the capacitor voltage is represented by the symbol VC. In the first mode, VR=VL+VC-VH, and in the second mode, VR=VL-VC. Here, if the capacitor voltage VC is half of the high voltage end voltage VH, VR = (1/2) VH in both the first mode and the second mode, and the period of the first mode and the second mode are The amount of change in reactor current becomes equal during the period. Conversely, if the duty ratio of the switching element is adjusted so that the amount of change in the reactor current is equal between the first mode period and the second mode period, the average capacitor voltage VC will be half of the high voltage end voltage VH. is maintained.
上記のDC-DCコンバータは、充放電コンデンサの両端電圧を計測する電圧センサを備えることなく、コンデンサ電圧の平均を高電圧端の電圧の半分に保持することができる。 The above DC-DC converter can maintain the average capacitor voltage at half the voltage at the high voltage end without having a voltage sensor that measures the voltage across the charging/discharging capacitor.
なお、昇圧動作の場合、入力電圧(低電圧端側の電圧)は既知である。それゆえ、「目標電圧比」は、「高電圧端の目標電圧」(=「低電圧端に印加される電圧」×「目標電圧比」)と等価である。従って、「目標電圧比」は、「高電圧端の目標電圧」と言い換えてもよい。 Note that in the case of boost operation, the input voltage (voltage on the low voltage end side) is known. Therefore, the "target voltage ratio" is equivalent to the "target voltage at the high voltage end" (="voltage applied to the low voltage end" x "target voltage ratio"). Therefore, the "target voltage ratio" may be rephrased as the "target voltage at the high voltage end."
上記のDC-DCコンバータにおいて、第1ダイオードに対して逆並列に第3スイッチング素子を接続し、第2ダイオードに対して逆並列に第4スイッチング素子を接続すれば、双方向DC-DCコンバータとなる。降圧動作の場合も、第1モードにおけるリアクトル電流の変化量と第2モードにおけるリアクトル電流の変化量の差分が小さくなるようにデューティを補正することにより、コンデンサ電圧の平均は高電圧端の電圧の半分になり、効率的な降圧動作が実現する。 In the above DC-DC converter, if the third switching element is connected in anti-parallel to the first diode and the fourth switching element is connected in anti-parallel to the second diode, it becomes a bidirectional DC-DC converter. Become. In the case of step-down operation, by correcting the duty so that the difference between the amount of change in reactor current in the first mode and the amount of change in reactor current in the second mode is small, the average capacitor voltage is equal to the voltage at the high voltage end. This reduces the voltage by half, realizing efficient step-down operation.
本明細書が開示する技術を降圧コンバータに適用する場合には、次の構成となる。DC-DCコンバータは、高電圧端と前記グランドの間に直列に接続されている第1スイッチング素子、第2スイッチング素子、第1ダイオード、第2ダイオードと、リアクトルと、充放電コンデンサと、コントローラを備える。第1スイッチング素子、第2スイッチング素子、第1ダイオード、第2ダイオードは、高電圧端からグランドに向けてこの順で直列に接続されている。第1/第2ダイオードは、グランドの側から高電圧端の側へ向けて電流が流れるように接続される。リアクトルは、低電圧端と、第2スイッチング素子と第1ダイオードの接続点の間に接続される。充放電コンデンサは、第1/第2スイッチング素子の接続点と、第1/第2ダイオードの接続点の間に接続される。コントローラは、次の2つの処理を実行する。(1)コントローラは、低電圧端と高電圧端の目標電圧比に基づいて各ゲート信号のデューティを決定する。(2)コントローラは、第1スイッチング素子がオンし第2スイッチング素子がオフしている間(第1モードの期間)のリアクトル電流の変化量と、第1スイッチング素子がオフし第2スイッチング素子がオンしている間(第2モードの期間)のリアクトル電流の変化量との差分が小さくなるように第1スイッチング素子と第2スイッチング素子の少なくとも一方のゲート信号のデューティを補正する。(2)の処理により、前述した昇圧コンバータのときと同様の原理により、コンデンサ電圧の平均が高電圧端の電圧の半分に保持される。 When the technology disclosed in this specification is applied to a step-down converter, the following configuration is achieved. The DC-DC converter includes a first switching element, a second switching element, a first diode, a second diode, a reactor, a charging/discharging capacitor, and a controller connected in series between a high voltage terminal and the ground. Be prepared. The first switching element, the second switching element, the first diode, and the second diode are connected in series in this order from the high voltage end toward the ground. The first/second diodes are connected so that current flows from the ground side to the high voltage end side. The reactor is connected between the low voltage end and the connection point between the second switching element and the first diode. The charging/discharging capacitor is connected between the connection point of the first/second switching element and the connection point of the first/second diode. The controller performs the following two processes. (1) The controller determines the duty of each gate signal based on the target voltage ratio between the low voltage end and the high voltage end. (2) The controller determines the amount of change in reactor current while the first switching element is on and the second switching element is off (first mode period), and the amount of change in the reactor current while the first switching element is off and the second switching element is off. The duty of the gate signal of at least one of the first switching element and the second switching element is corrected so that the difference with the amount of change in the reactor current while it is on (period of the second mode) is small. Through the process (2), the average capacitor voltage is maintained at half the voltage at the high voltage end, based on the same principle as in the step-up converter described above.
本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。 Details and further improvements of the technology disclosed in this specification will be explained in the following "Detailed Description of the Invention".
(第1実施例)図1に、第1実施例のDC-DCコンバータ2の回路図を示す。以下、説明の便宜上、「DC-DCコンバータ」を単に「コンバータ」と表記する。図2のコンバータ2は、低電圧端3(及びグランド5)に印加された電圧を昇圧して高電圧端4(及びグランド5)から出力することができる昇圧コンバータである。図1の例では、コンバータ2は、低電圧端3に接続された電源90の電圧を昇圧し、高電圧端4に接続された負荷91に供給する。負荷91は、例えば電気モータである。
(First Embodiment) FIG. 1 shows a circuit diagram of a DC-
コンバータ2は、高電圧端4とグランド5の間に直列に接続されている2個のダイオード(第1ダイオード12a、第2ダイオード12b)と、2個のスイッチング素子(第1スイッチング素子11a、第2スイッチング素子11b)を備えている。2個のダイオードを区別なく総称する場合にはダイオード12と表記し、2個のスイッチング素子を総称する場合にはスイッチング素子11と表記する。2個のスイッチング素子11は、電力変換用のトランジスタである。電力変換用のトランジスタはパワートランジスタと呼ばれることがある。
The
4個の半導体素子(2個のダイオード12と2個のスイッチング素子11)は高電圧端4とグランド5の間に直列に接続されている。第1ダイオード12a、第2ダイオード12b、第1スイッチング素子11a、第2スイッチング素子11bは、高電圧端4の側からグランド5の側へ向かってこの順序で接続されている。2個のダイオード12は、グランド5の側から高電圧端4の側へ電流を流す向きで接続されている。
Four semiconductor elements (two diodes 12 and two switching elements 11) are connected in series between
2個のスイッチング素子11は、オンのときに高電圧端4の側からグランド5の側への電流の流れを許容し、オフのときには高電圧端4の側からグランド5の側への電流の流れを遮断する。2個のスイッチング素子11の夫々には、グランド5の側から高電圧端4の側へは常に電流の流れを許容し、逆方向の電流の流れは常に遮断する還流ダイオード18が接続されている。還流ダイオード18の機能は、スイッチング素子11に内包されている場合もある。
The two switching elements 11 allow current to flow from the
コンバータ2は、さらに、リアクトル15、充放電コンデンサ16、平滑コンデンサ6、7を備える。リアクトル15は、第2ダイオード12bと第1スイッチング素子11aの接続点と、低電圧端3の間に接続されている。充放電コンデンサ16は、第1/第2ダイオード12a/12bの接続点と、第1/第2スイッチング素子11a/11bの接続点の間に接続されている。平滑コンデンサ6は、低電圧端3とグランド5の間に接続されており、平滑コンデンサ7は高電圧端4とグランド5の間に接続されている。
さらに、コンバータ2は、電流センサ21と電圧センサ22、23を備える。電流センサ21はリアクトル15に流れる電流を計測する。電圧センサ22は、低電圧端3の電圧を計測し、電圧センサ23は高電圧端4の電圧を計測する。コンバータ2のコントローラ100は、電圧センサ22、23の計測値から低電圧端3と高電圧端4の電圧比を得る。コントローラ100は、低電圧端3と高電圧端4の電圧比が目標電圧比に追従するように、2個のスイッチング素子11を駆動する。それぞれのスイッチング素子11は、所定のデューティを有するPWM信号で駆動される。スイッチング素子11を駆動するPWM信号を本明細書ではゲート信号と称する場合がある。
Furthermore,
図1の回路の構成と基本的な動作はよく知られている。コントローラ100は、低電圧端3の電圧と高電圧端4の電圧比が目標電圧比に追従するように、ゲート信号を生成する。DC-DCコンバータ2は、リアクトル15の機能を補助する充放電コンデンサ16を採用することで、小さなリアクトルで大きな電圧比を実現できる。より小型(小インダクタンス)のリアクトルを用いても、リアクトル15のみの構成と同等のリアクトル電流変化量で昇圧回路を実現することができる。
The configuration and basic operation of the circuit shown in FIG. 1 are well known. The
図2~図5を参照して、2個のスイッチング素子11の状態と電流経路を説明する。コンバータ2では、2個のスイッチング素子11の状態に応じて4通りの電流経路が実現される。4通りの電流経路を第1モード、第2モード、第3モード、第4モードと称する。
The states and current paths of the two switching elements 11 will be described with reference to FIGS. 2 to 5. In
第1モード(図2):第1モードは、第1スイッチング素子11aがオンし、第2スイッチング素子11bがオフした状態である。第1モードでは、電源90の出力電流は、リアクトル15、第1スイッチング素子11a、充放電コンデンサ16、第1ダイオード12aを通り、高電圧端4へ至る。後述する第2モードにおいてリアクトル15にエネルギが蓄積されるとともに充放電コンデンサ16に電荷が蓄積される。第3モードでリアクトル15にエネルギが蓄積される。第1モードでは、リアクトル15に蓄積されたエネルギにより高電圧端4の電圧が押し上げられ、さらに充放電コンデンサ16が放電し、高電圧端4の電圧をさらに押し上げる。
First mode (FIG. 2): In the first mode, the
第2モード(図3):第2モードは、第1スイッチング素子11aがオフし、第2スイッチング素子11bがオンした状態である。第2モードでは、電源90の出力電流は、リアクトル15、第2ダイオード12b、充放電コンデンサ16、第2スイッチング素子11bを通り、グランド5(または平滑コンデンサ6)へ流れる。第2モードでは、電流は電圧の低いグランド5へ流れる。このとき、充放電コンデンサ16が充電される。
Second mode (FIG. 3): In the second mode, the
詳しくは後述するが、第2モードでは、充放電コンデンサ16の電圧に応じて、リアクトル15にもエネルギが蓄積される場合とリアクトル15からエネルギが放出される場合がある。充放電コンデンサ16の電位がリアクトル15の電位よりも低ければ、第2モードにてリアクトル15にもエネルギが蓄積される。充放電コンデンサ16の電位がリアクトル15の電位よりも高ければ、第2モードにてリアクトル15のエネルギによって充放電コンデンサ16まで電流が押し出される。その結果、リアクトル15のエネルギは減少する。
Although details will be described later, in the second mode, depending on the voltage of the charging/discharging
第3モード(図4):第3モードは、第1/第2スイッチング素子11a/11bがオンした状態である。第3モードでは、電源90の出力電流は、リアクトル15、第1スイッチング素子11a、第2スイッチング素子11bを通り、グランド5(または平滑コンデンサ6)へ流れる。第3モードでも電流はリアクトル15からグランド5へ流れ、このとき、リアクトル15にエネルギが蓄積される。
Third mode (FIG. 4): In the third mode, the first/
第4モード(図5):第4モードは、第1/第2スイッチング素子11a/11bがオフした状態である。第4モードでは、電源90の出力電流は、リアクトル15、第1/第2ダイオード12a/12bを通り、高電圧端4へ至る。第2モードまたは第3モードでリアクトル15に蓄積されたエネルギによって、高電圧端4へ向けて電流が押し出され、高電圧端4の電圧が上昇する。
Fourth mode (FIG. 5): In the fourth mode, the first/
第3モードと第4モードはゲート信号のデューティに応じていずれか一方が実現される。すなわち、コンバータ2は、第1/第3/第2/第3モードをこの順序で繰り返すか、あるいは、第1/第4/第2/第4モードをこの順序で繰り返す。どちらのパターンが現れるかは、デューティに依存して決まる。
Either the third mode or the fourth mode is realized depending on the duty of the gate signal. That is, the
2個のスイッチング素子11のスイッチング動作とリアクトル電流IRの関係の一例を図6に示す。図6は、第1/第3/第2/第3モードのパターンを示している。図中の記号SW1/SW2は、それぞれ、第1/第2スイッチング素子を意味する。 FIG. 6 shows an example of the relationship between the switching operations of the two switching elements 11 and the reactor current IR. FIG. 6 shows patterns of first/third/second/third modes. Symbols SW1/SW2 in the figure mean first/second switching elements, respectively.
時刻T1に第1スイッチング素子11aがオンし、時刻T4に第1スイッチング素子11aがオフする。時刻T1から時刻T4までの時間が第1スイッチング素子11aのデューティD1に対応する。デューティD1は、第1スイッチング素子11aのオン時間に対応する。
The
第2スイッチング素子11bは時刻T2までの間、オンに保持されている。時刻T2に第2スイッチング素子11bがオフする。時刻T2から時刻T3までの間、第2スイッチング素子11bはオフを保持する。第2スイッチング素子11bは、時刻T3にオンし、時刻T6にオフする。時刻T3から時刻T6までの時間が第2スイッチング素子11bのデューティD2に対応する。デューティD2は、第2スイッチング素子11bのオン時間に対応する。
The
第1スイッチング素子11aは時刻T4から時刻T5までの間、オフに保持され、時刻T5に再びオンする。第2スイッチング素子11bは、時刻T6から時刻T7の間、オフに保持され、時刻T7に再びオンする。以後、同じパターンが繰り返される。
The
時刻T2から時刻T3の期間、第1スイッチング素子11aはオンであり、第2スイッチング素子11bはオフである。この期間が第1モードに相当する。時刻T4から時刻T5の間、第1スイッチング素子11aはオフであり、第2スイッチング素子11bはオンである。この期間が第2モードに相当する。時刻T1から時刻T2までの間、時刻T3から時刻T4の間、時刻T5から時刻T6の間、時刻T7から時刻T8の間、第1/第2スイッチング素子11a/11bがともにオンする。これらの期間が第3モードに相当する。
During the period from time T2 to time T3, the
先に述べたように、第1モードではリアクトル15のエネルギが放出する。それゆえ、第1モードではリアクトル電流IRが減少する。図6では、第1モードにおけるリアクトル電流IRの変化量を記号dI1(リアクトル電流の変化量dI1)で表している。
As mentioned above, in the first mode, the energy of the
第1モードに続く第3モードではリアクトル15の一端(スイッチング素子側の端)がグランド5に直結されるため、リアクトル15に一気に電流が流れ、エネルギが蓄積される。それゆえ、第3モードの期間ではリアクトル電流IRが増加する。
In the third mode following the first mode, one end of the reactor 15 (the end on the switching element side) is directly connected to the
図6の例の場合、第2モードではリアクトル15のエネルギが使われて充放電コンデンサ16が充電される。それゆえ、時刻T3から時刻T4の間でもリアクトル電流IRは減少する。図6では、第2モードにおけるリアクトル電流IRの変化量を記号dI2(リアクトル電流の変化量dI2)で表している。
In the example of FIG. 6, in the second mode, the energy of the
図6は、理想的な状態を示しており、第1スイッチング素子11aに対するデューティD1と第2スイッチング素子11bに対するデューティD2が等しく、第1モードにおけるリアクトル電流の変化量dI1と第2モードにおける変化量dI2が等しい(リアクトル電流の変化量dI1とdI2がバランスする)。このときのリアクトル電流/電圧と充放電コンデンサ16の電圧の関係を図7に示す。充放電コンデンサ16の電圧を記号VC(コンデンサ電圧VC)で表す。
FIG. 6 shows an ideal state in which the duty D1 for the
図7に示されるように、理想的な状態では、第1モード(充放電コンデンサが放電されるモード)におけるリアクトル電流の変化量dI1と第2モード(充放電コンデンサ16が充電されるモード)におけるリアクトル電流の変化量dI2がバランスする。このときコンデンサ電圧VCは、充放電によりゆらぐが、その平均は高電圧端電圧VHの1/2に等しくなる。なお、図7では高電圧端電圧VHが600[V]を示しているが、これは単なる例であり、高電圧端電圧VHはコンバータ2の特性や電源90の出力電圧に依存する。
As shown in FIG. 7, in an ideal state, the amount of change dI1 in the reactor current in the first mode (the mode in which the charging/discharging
図8に、第1モードにおけるリアクトル電流の変化量dI1と第2モードにおける変化量dI2がアンバランスの場合のコンデンサ電圧などの時間変化の例を示す。以下、リアクトル電流の変化量dI1/dI2を単に電流変化量dI1/dI2と表記する場合がある。 FIG. 8 shows an example of changes over time in the capacitor voltage, etc. when the amount of change dI1 in the reactor current in the first mode and the amount of change dI2 in the second mode are unbalanced. Hereinafter, the amount of change dI1/dI2 in the reactor current may be simply expressed as the amount of current change dI1/dI2.
図8は、第1モード(コンデンサ放電時)における電流変化量dI1が第2モード(コンデンサ充電時)における電流変化量dI2よりも大きい場合を示している。第1モード(コンデンサ放電時)の電流変化量dI1が第2モード(コンデンサ充電時)のリアクトル電流変化量dI2よりも大きいので、コンデンサ電圧VCは低くなる。このとき、コンデンサ電圧VCの平均は高電圧端電圧VHの半分よりも低くなる。この場合、充放電コンデンサ16の電荷収支を合わせるために、第3モードにてコンデンサ電圧VCに電流が流れる。
FIG. 8 shows a case where the amount of current change dI1 in the first mode (during capacitor discharging) is larger than the amount of current change dI2 in the second mode (during capacitor charging). Since the amount of current change dI1 in the first mode (when discharging the capacitor) is larger than the amount of change in reactor current dI2 in the second mode (when charging the capacitor), the capacitor voltage VC becomes low. At this time, the average of the capacitor voltage VC becomes lower than half of the high voltage end voltage VH. In this case, in order to match the charge balance of the charging/discharging
逆に、第2モードの電流変化量dI2が第1モードの電流変化量dI1よりも大きい場合は、コンデンサ電圧VCの平均は高電圧端電圧VHの半分よりも大きくなる。この場合、充放電コンデンサ16の電荷収支を合わせるために、第3モードにてコンデンサ電圧VCからグランド5へ電流が流れる。
Conversely, when the amount of current change dI2 in the second mode is larger than the amount of current change dI1 in the first mode, the average of the capacitor voltage VC becomes larger than half of the high voltage end voltage VH. In this case, in order to match the charge balance of the charging/discharging
このように、リアクトル15における電流変化量dI1とdI2がアンバランスすると、第3モードにて充放電コンデンサ16に電流が流れる。このときの電流はバランス時よりもピーク値(電流変化量)が大きくなり、その分だけ損失が増加する。すなわち、コンバータ2の電圧変換効率が下がる。逆に言えば、リアクトル電流変化量dI1とdI2が等しくなるときがコンバータ2の電圧変換効率が最大となる。電流変化量dI1とdI2が等しくなるように第1/第2スイッチング素子11a、11bのゲート信号を生成すれば、コンバータ2の損失が小さくなり、効率のよい昇圧動作が実現する。
In this way, when the current variation amounts dI1 and dI2 in the
図6のケースでは、第1スイッチング素子11aのデューティD1を大きくすると、第2モードの期間が短くなる。第2モードの期間に比べて第1モードの期間が相対的に長くなる。第1モードの期間が相対的に長くなることは、充放電コンデンサ16の放電期間が長くなることを意味する。第2スイッチング素子11bのデューティDを大きくすると、第1モードの期間が短くなる。第1モードの期間に比べて第2モードの期間が相対的に長くなる。第2モードの期間が長くなることは、充放電コンデンサ16の充電時間が長くなることを意味する。このように、第1/第2スイッチング素子11a/11bのデューティと第1/第2モードにおける充放電時間の間には一定の関係(比例関係)がある。
In the case of FIG. 6, when the duty D1 of the
図6の例の場合、電流変化量dI1が電流変化量dI2よりも大きい場合、デューティD1を小さくするか、デューティD2を大きくすれば、電流変化量dI1とdI2の差は小さくなる。逆に、電流変化量dI1が電流変化量dI2よりも小さい場合は、デューティD1を大きくするか、デューティD2を小さくすれば、電流変化量dI1とdI2の差は小さくなる。このように、電流変化量dI1とdI2の差を小さくするには、デューティD1とD2の少なくとも一方を調整すればよい。 In the case of the example in FIG. 6, when the current change amount dI1 is larger than the current change amount dI2, the difference between the current change amounts dI1 and dI2 becomes smaller by decreasing the duty D1 or increasing the duty D2. Conversely, when the current change amount dI1 is smaller than the current change amount dI2, the difference between the current change amounts dI1 and dI2 becomes smaller by increasing the duty D1 or decreasing the duty D2. In this way, in order to reduce the difference between the current variation amounts dI1 and dI2, it is sufficient to adjust at least one of the duties D1 and D2.
図6の例は、第1/第2スイッチング素子11a/11bが共にオンの状態(第3モード)が存在するが、第1/第2スイッチング素子11a/11bが共にオフの状態(図5の第4モード)は存在しない。第1/第2スイッチング素子11a、11bのデューティD1/D2がともに小さければ、第4モードの期間が生じる。図9に、第4モードが存在する場合のスイッチング素子のタイミングチャートを示す。
In the example of FIG. 6, there is a state in which the first and
図9の例では、時刻T1から時刻T2までの期間と時刻T5から時刻T6までの期間で第1スイッチング素子11aはオンしている。それ以外の期間では第1スイッチング素子11aはオフしている。一方。時刻T3から時刻T4までの期間と時刻T7から時刻T8までの期間で第2スイッチング素子11bはオフしており、それ以外の期間では第2スイッチング素子11bはオフしている。
In the example of FIG. 9, the
時刻T1から時刻T2までの期間、および、時刻T5から時刻T6までの期間では、第1スイッチング素子11aがオンし第2スイッチング素子11bがオフしている。すなわち、これらの期間が第1モードに相当する。時刻T3から時刻T4までの期間、および、時刻T7から時刻T8までの期間では、第1スイッチング素子11aがオフし第2スイッチング素子11bがオンしている。これらの期間は第2モードに相当する。
During the period from time T1 to time T2 and from time T5 to time T6, the
時刻T2から時刻T3までの期間、時刻T4から時刻T5までの期間、時刻T6から時刻T7までの期間では、第1/第2スイッチング素子11a、11bが共にオフしている。これらの期間は第4モードに相当する(図5参照)。図9の例では、第1モードの期間が第1スイッチング素子11aのデューティD1に相当し、第2モードの期間が第2スイッチング素子11bのデューティD2に相当する。
In the period from time T2 to time T3, the period from time T4 to time T5, and the period from time T6 to time T7, both the first and
図示は省略するが、図9の例においても、第1モードの期間で充放電コンデンサ16は放電し、第2モードの期間で充放電コンデンサ16は充電される。第1スイッチング素子11aのデューティD1を長くすれば、充放電コンデンサ16の放電時間が長くなり、第2スイッチング素子11bのデューティD2を長くすれば、充放電コンデンサ16の充電時間が長くなる。
Although illustration is omitted, in the example of FIG. 9 as well, the charge/
図9の例の場合でも、電流変化量dI1が電流変化量dI2よりも大きい場合、デューティD1を小さくするか、デューティD2を大きくすれば、電流変化量dI1とdI2の差は小さくなる。逆に、電流変化量dI1が電流変化量dI2よりも小さい場合は、デューティD1を大きくするか、デューティD2を小さくすれば、電流変化量dI1とdI2の差は小さくなる。このように、電流変化量dI1とdI2の差を小さくするには、デューティD1とD2の少なくとも一方を調整すればよい。 Even in the case of the example in FIG. 9, if the current change amount dI1 is larger than the current change amount dI2, the difference between the current change amounts dI1 and dI2 becomes smaller by decreasing the duty D1 or increasing the duty D2. Conversely, when the current change amount dI1 is smaller than the current change amount dI2, the difference between the current change amounts dI1 and dI2 becomes smaller by increasing the duty D1 or decreasing the duty D2. In this way, in order to reduce the difference between the current variation amounts dI1 and dI2, it is sufficient to adjust at least one of the duties D1 and D2.
コントローラ100は、次の処理を行うことで、第1モードにおけるリアクトルの電流変化量dI1と第2モードにおける電流変化量dI2の差を小さくできる。すなわち、コントローラ100は、次の処理を行うことで、コンバータ2を電圧変換効率よく動作させることができる。
The
(1)コントローラ100は、低電圧端3の電圧と高電圧端4の電圧の目標電圧比に基づいて各ゲート信号のデューティを決定する。(2)コントローラ100は、第1スイッチング素子11aがオンし第2スイッチング素子11bがオフしている間(第1モード期間)におけるリアクトル電流の変化量dI1と、第1スイッチング素子11aがオフし第2スイッチング素子11bがオンしている間(第2モード期間)におけるリアクトル電流の変化量dI2との差分が小さくなるように第1スイッチング素子11aと第2スイッチング素子11bの少なくとも一方のゲート信号のデューティを補正する。
(1) The
上記の(1)と(2)の処理を行うことで、コンバータ2は、効率よく電圧を変換することができる。なお、目標電圧比が実現されるように第1/第2スイッチング素子11a/11bのデューティを決めるには、公知の制御則を採用すればよい。
By performing the processes (1) and (2) above,
上記(1)と(2)の処理を実現するコントローラ100の一例のブロック図を図10に示す。図10の記号VHrefは、高電圧端4の目標電圧である。高電圧端4の目標電圧VHrefは、低電圧端3の電圧VLとコンバータ2の目標電圧比Vratioを用いて、「VHref=VL×Vratio」で表される。すなわち、目標電圧VHrefは、コンバータ2の目標電圧比Vratioと実質的に等価である。
FIG. 10 shows a block diagram of an example of a
実際の高電圧端電圧VHは、電圧センサ23で計測される。差分器101により目標電圧VHrefと実際の高電圧端電圧VHの差分(電圧差分)が演算される。目標電圧VHrefと、電圧差分は目標デューティDtを導出する第1制御ブロック102に入力される。目標電圧VHrefはフィードフォワード値として、電圧差分(VHref-VH)はフィードバック値として第1制御ブロック102に入力される。
The actual high voltage end voltage VH is measured by the
第1制御ブロック102は、PI制御、PID制御など、従来の制御ルールに従って目標デューティDtを算出する。目標デューティDtは、加算器107によりデューティオフセットDoff(後述)と加算される。デューティオフセットDoffが加算された目標デューティDtを第1補正後デューティDtm1と称する。第1補正後デューティDtm1は比較器105に入力される。比較器105には、第1キャリア発生器104が出力する第1キャリア信号も入力される。比較器105により、第1補正後デューティDtm1と第1キャリア信号の比較結果が第1スイッチング素子11aのゲート信号GS1として出力される。このゲート信号GS1には、前述したデューティD1(第1スイッチング素子11aのオン時間を指定するパラメータ)が含まれる。
The
一方、減算器117によって目標デューティDtからデューティオフセットDoffが減じられる。デューティオフセットDoffが減じられた目標デューティDtを第2補正後デューティDtm2と称する。第2補正後デューティDtm2は比較器115に入力される。比較器115には、第2キャリア発生器114が出力する第2キャリア信号も入力される。なお、第2キャリア信号は、第1キャリア信号を反転させたものである。比較器115により、第2補正後デューティDtm2と第2キャリア信号の比較結果が第2スイッチング素子11bのゲート信号GS2として出力される。ゲート信号GS2には、前述したデューティD2(第2スイッチング素子11bのオン時間を指定するパラメータ)が含まれる。
On the other hand, the
オフセット生成モジュール120について説明する。オフセット生成モジュール120は、前述したデューティオフセットDoffを生成する。電流センサ21によって計測されたリアクトル電流IRは、変化量取得部121に入力される。変化量取得部121には、第1/第2スイッチング素子11a/11bのゲート信号も入力される。
The offset
図6と図9に示したように、第1/第2スイッチング素子11a/11bのスイッチングタイムチャート(すなわちゲート信号)から、第1モードの期間、第2モードの期間が特定される。変化量取得部121では、ゲート信号から第1モードと第2モードの期間を特定し、それらの期間における電流センサ21の計測値のデータから、それぞれの期間における電流変化量dI1/dI2を特定する。
As shown in FIGS. 6 and 9, the period of the first mode and the period of the second mode are specified from the switching time charts (ie, gate signals) of the first/
電流変化量dI1/dT2は、第2制御ブロック122に送られる。第2制御ブロック122では、電流変化量dI1/dT2の差に基づいてデューティオフセットDoffが算出される。最も単純には、デューティオフセットDoffは、電流変化量dI1/dI2の差分にゲインを乗じた値でよい。第2制御ブロック122でも、電流変化量dI1/dT2の差に対してPI制御則、PID制御則などを使ってデューティオフセットDoffを算出するようにしてもよい。
The current change amount dI1/dT2 is sent to the
先に述べたように、デューティオフセットDoffは、加算器107により目標デューティDtに加算され、減算器117により目標デューティDtから減算される。
As described above, the duty offset Doff is added to the target duty Dt by the
図10の制御ブロックのポイントを説明する。説明の便宜上、第1スイッチング素子11aに対するゲート信号を第1ゲート信号と表記し、第2スイッチング素子11bに対するゲート信号を第2ゲート信号と表記する。
The points of the control block in FIG. 10 will be explained. For convenience of explanation, the gate signal for the
第1キャリア信号を反転させた信号が第2キャリア信号である。デューティオフセットDoffが無い場合、目標デューティDtと第1キャリア信号の比較結果が第1ゲート信号になり、目標デューティDtと第2キャリア信号の比較結果が第2ゲート信号となる。すなわち、デューティオフセットDoffがない場合、第1ゲート信号と第2ゲート信号は、同じデューティを有し、180度の位相差を有することになる。 A signal obtained by inverting the first carrier signal is the second carrier signal. When there is no duty offset Doff, the comparison result between the target duty Dt and the first carrier signal becomes the first gate signal, and the comparison result between the target duty Dt and the second carrier signal becomes the second gate signal. That is, if there is no duty offset Doff, the first gate signal and the second gate signal have the same duty and a phase difference of 180 degrees.
デューティがキャリア信号と比較される前に第1ゲート信号では目標デューティDtにデューティオフセットDoffが加算され、第2ゲート信号では目標デューティDtからデューティオフセットDoffが減算される。この処理により、デューティオフセットDoffによって第1ゲート信号のデューティが大きくなるとき、第2ゲート信号のデューティは小さくなる。逆に、デューティオフセットDoffによって第1ゲート信号のデューティが小さくなるとき、第2ゲート信号のデューティは大きくなる。この処理により、第1ゲート信号と第2ゲート信号の合計のデューティを変えることなく、リアクトル電流の変化量dI1/dI2の差分を小さくすることができる。第1ゲート信号と第2ゲート信号の合計のデューティが変わらないことで、コンバータ2の電圧比が維持される。
Before the duty is compared with the carrier signal, the first gate signal adds the duty offset Doff to the target duty Dt, and the second gate signal subtracts the duty offset Doff from the target duty Dt. With this process, when the duty of the first gate signal increases due to the duty offset Doff, the duty of the second gate signal decreases. Conversely, when the duty of the first gate signal becomes smaller due to the duty offset Doff, the duty of the second gate signal becomes larger. With this process, the difference between the amount of change dI1/dI2 in the reactor current can be reduced without changing the total duty of the first gate signal and the second gate signal. Since the total duty of the first gate signal and the second gate signal does not change, the voltage ratio of the
なお、第1ゲート信号は目標デューティDtのみで生成し、第2ゲート信号だけ、目標デューティDtにデューティオフセットDoffを加減するようにしてもよい。あるいは、第2ゲート信号は目標デューティDtのみで生成し、第1ゲート信号だけ、目標デューティDtにデューティオフセットDoffを加減するようにしてもよい。
すなわち、コントローラ100は、電流差分dI1/dI2の差分が小さくなるように、第1スイッチング素子11aと第2スイッチング素子11bの少なくとも一方のゲート信号のデューティを補正する。この場合、実現される電圧比が多少ゆらぐが、第1制御ブロック102のフィードバック効果により、実際の電圧比は目標電圧比に収束する。
Note that the first gate signal may be generated only with the target duty Dt, and only the second gate signal may be generated by adding or subtracting the duty offset Doff to the target duty Dt. Alternatively, the second gate signal may be generated using only the target duty Dt, and the duty offset Doff may be added to or subtracted from the target duty Dt only for the first gate signal.
That is, the
以上説明したように、第1実施例のコンバータ2は、コンデンサ電圧VCを計測することなく、コンデンサ電圧VCの平均を高電圧端4の電圧VHの半分に維持することができる。
As explained above, the
第2モードではリアクトル電流の変化量dI2の符号が逆転する場合があることを説明する。先に述べたように、第2モードでは、充放電コンデンサ16の電圧に応じて、リアクトル15にもエネルギが蓄積される場合とリアクトル15からエネルギが放出される場合がある。図8のケースでは、充放電コンデンサ16の電位がリアクトル15の電位よりも高い。その結果、第2モードにてリアクトル15のエネルギによって充放電コンデンサ16へ向けて電流が押し出される。第2モードではリアクトルの電流が減少する。
It will be explained that in the second mode, the sign of the amount of change dI2 in the reactor current may be reversed. As described above, in the second mode, depending on the voltage of the charging/discharging
図11に、第2モードにおいてリアクトル15の電位が充放電コンデンサ16の電位よりも高い場合のリアクトルの電圧/電流変化を示す。図11の例では、第2モードの全期間においてリアクトル電圧が正値となる。その結果、第2モードにおいてリアクトル電流が増加する。図11の例は、図8の例とはリアクトル電流の増減が逆となる。
FIG. 11 shows changes in voltage/current of the reactor when the potential of the
第2モードの開始時点と終了時点のリアクトル電流の大小関係が逆転する場合がある。従って、第1モードの期間におけるリアクトル電流の変化量dI1と、第2モードの期間における変化量dI2の差分を演算する場合、変化量の絶対値を採用せず、正負の符号を含めた変化量に基づいて差分を算出する。 The magnitude relationship of the reactor current at the start and end of the second mode may be reversed. Therefore, when calculating the difference between the amount of change dI1 in the reactor current during the period of the first mode and the amount of change dI2 during the period of the second mode, the absolute value of the amount of change is not used, but the amount of change including the positive and negative signs is calculated. Calculate the difference based on.
(第2実施例)図12に第2実施例のDC-DCコンバータ(コンバータ2a)を示す。コンバータ2aは降圧コンバータである。高電圧端4に電源90が接続され、低電圧端3に負荷91が接続される。コンバータ2aは、高電圧端4に印加された電圧を降圧して低電圧端3から出力する。
(Second Embodiment) FIG. 12 shows a DC-DC converter (
コンバータ2aは、第1実施例のコンバータ2の第1/第2スイッチング素子11a/11bと、第1/第2ダイオード12a/12bを入れ替えた構成に相当する。図12では、リアクトル15の一端と高電圧端4の間に接続されたスイッチング素子を第1スイッチング素子11a、第2スイッチング素子11bと称する。また、リアクトル15の一端とグランド5の間に接続されたダイオードを第1ダイオード12a、第2ダイオード12bと称する。
The
コンバータ2aの特徴を以下に説明する。コンバータ2aは、低電圧端3、高電圧端4、グランド5、第1/第2スイッチング素子11a/11b、第1/第2ダイオード12a/12b、リアクトル15、充放電コンデンサ16、コントローラ100を備える。第1/第2スイッチング素子11a/11b、第1/第2ダイオード12a/12bは、高電圧端4からグランド5に向かってこの順で直列に接続されている。第1/第2ダイオード12a、12bは、グランド5の側から高電圧端4の側へ電流が流れるように接続されている。第1/第2スイッチング素子11a/11bは、オンのときに高電圧端4の側からグランド5の側へ向けて電流が流れることを許容する。第1/第2スイッチング素子11a/11bは、オフのときに高電圧端4の側からグランド5の側へ向けた電流を遮断する。第1/第2スイッチング素子11a/11bのそれぞれには、還流ダイオード18が逆並列に接続されている。
The features of
リアクトル15は、第2スイッチング素子11bと第1ダイオード12aの接続点と、低電圧端3との間に接続されている。充放電コンデンサ16は、第1/第2スイッチング素子11a/11bの接続点と、第1/第2ダイオード12a/12bの接続点の間に接続されている。コントローラ100は、第1スイッチング素子11aと第2スイッチング素子11bの夫々に与えるゲート信号を生成する。コントローラ100は、次の処理を実行する。(1)コントローラ100は、低電圧端3の電圧と高電圧端4の電圧の目標電圧比に基づいて各ゲート信号のデューティを決定する。(2)コントローラ100は、第1スイッチング素子11aがオンし第2スイッチング素子11bがオフしている間(第1モード)のリアクトル電流の変化量dI1と、第1スイッチング素子11aがオフし第2スイッチング素子11bがオンしている間(第2モード)のリアクトル電流の変化量dI2との差分が小さくなるように第1/第2スイッチング素子11a/11bの少なくとも一方のゲート信号のデューティを補正する。
The
図13に第1モードのときの電流経路を示す。第1モードは、第1スイッチング素子11aがオン、第2スイッチング素子11bがオフのときの状態である。降圧動作の第1モードでは、電源90の出力電流は、第1スイッチング素子11a、充放電コンデンサ16、第1ダイオード12a、リアクトル15を通過し、低電圧端3に至る。このとき、充放電コンデンサ16が充電される。また、リアクトル15にもエネルギが蓄積される。
FIG. 13 shows the current path in the first mode. The first mode is a state when the
図14に、第2モードのときの電流経路を示す。第2モードは、第1スイッチング素子11aがオフ、第2スイッチング素子11bがオンのときの状態である。降圧動作の第2モードでは、充放電コンデンサ16から放電された電流が第2スイッチング素子11bとリアクトル15を通過し、低電圧端3に至る。このとき、充放電コンデンサ16は放電する。また、リアクトル15は、エネルギを放出する場合もあれば、充放電コンデンサ16の放電でエネルギが蓄積される場合がある。
FIG. 14 shows the current path in the second mode. The second mode is a state when the
図15に、第3モードのときの電流経路を示す。第3モードは、第1/第2スイッチング素子11a/11bがともにオンのときの状態である。降圧動作の第3モードでは、電源90の出力電流が第1/第2スイッチング素子11a/11bとリアクトル15を通過し、低電圧端3に至る。このとき、電源90の電力によりリアクトル15にエネルギが蓄積される。
FIG. 15 shows the current path in the third mode. The third mode is a state when both the first and
図16に、第4モードのときの電流経路を示す。第4モードは、第1/第2スイッチング素子11a/11bがともにオフのときの状態である。降圧動作の第4モードでは、電源90が完全に低電圧端3から遮断される。このとき、リアクトル15のエネルギにより誘導起電力が発生し、リアクトル15から低電圧端3へ電流が流れる。
FIG. 16 shows the current path in the fourth mode. The fourth mode is a state when both the first and
降圧動作の場合、第1モードで充放電コンデンサ16が充電され、第2モードで充放電コンデンサ16が放電する。第1モードにおけるリアクトル電流の変化量dI1と第2モードにおけるリアクトル電流の変化量dI2が等しければ、第1モードにおける充放電コンデンサ16の充電量と、第2モードにおける充放電コンデンサ16の放電量が等しくなる。その結果、リアクトル15に発生する電流変化量が最小となる。すなわち、最も効率よく電圧が変換される。
In the case of step-down operation, the charge/
(第3実施例)図17に、第3実施例のDC-DCコンバータ2b(コンバータ2b)の回路図を示す。コンバータ2bは、第1実施例のコンバータ2に、第3スイッチング素子11cと第4スイッチング素子11dが加えられた構成を有している。第3スイッチング素子11cは、第1ダイオード12aに対して逆並列に接続され、第4スイッチング素子11dは、第2ダイオード12bに対して逆並列に接続される。別言すれば、第3/第4スイッチング素子11c/11dは、オンのときに高電圧端4の側からグランド5の側へ流れる電流を許容し、オフのときには高電圧端4の側からグランド5の側へ流れる電流を遮断する。
(Third Embodiment) FIG. 17 shows a circuit diagram of a DC-
なお、第1ダイオード12aと第3スイッチング素子11cが一つの半導体素子で実現されてもよい。同様に第2ダイオード12bと第4スイッチング素子11dが一つの半導体素子で実現されてもよい。
Note that the
コンバータ2bのコントローラ200は、第1実施例の場合と同様に、第1/第2スイッチング素子11a/11bのゲート信号を生成する。コントローラ200は、第1スイッチング素子11aのゲート信号を反転させた信号を第4スイッチング素子11dのゲート信号として生成する。また、コントローラ200は、第2スイッチング素子11bのゲート信号を反転させた信号を第3スイッチング素子11cのゲート信号として生成する。
コンバータ2bは、いわゆる双方向DC-DCコンバータである。コンバータ2bは、低電圧端3の電圧と高電圧端4の電圧の目標電圧比と、実現されている電圧比によって昇圧動作と降圧動作が自動的に入れ替わる。実際の電圧比が目標電圧比よりも低ければコンバータ2bは高電圧端の電圧を高めるように動作する(すなわち昇圧動作が行われる)。実際の電圧比が目標電圧比よりも高ければコンバータ2bは低電圧端の電圧を高めるように動作する(すなわち降圧動作が行われる)。コンバータ2bは、例えば電気自動車に採用される。低電圧端3にはバッテリ90が接続され、高電圧端4にはインバータの直流端が接続され、インバータの交流端には走行用の電気モータが接続される。すなわち、図17の負荷91は電気モータである。
自動車を加速させるとき、バッテリ90の出力電圧が昇圧されて高電圧端4から出力される。減速時にはモータが回生電力を生成する。モータが生成した回生電力(交流)は、インバータで直流に変換され、コンバータ2bの高電圧端4に印加される。このとき、低電圧端3の電圧(バッテリ90の電圧)と高電圧端4の電圧の比は目標電圧比よりも大きくなる。この場合、コンバータ2bは高電圧端4に印加された電圧(回生電力の電圧)を降圧して低電圧端3から出力する。低電圧端3から出力される電圧でバッテリ90が充電される。
When accelerating the automobile, the output voltage of the
コンバータ2bは、昇圧時も降圧時も、第1モードにおけるリアクトル電流の変化量dI1と第2モードにおける変化量dI2の差分が小さくなるように、第1-第4スイッチング素子11a-11dのゲート信号のデューティを決定する。その結果、コンバータ2aでは、コンデンサ電圧VCの平均が高電圧端4の電圧VHの半分に保持され、コンバータ2bの損失が小さくなる。降圧動作時の電流の流れ方については、第2実施例で説明した通りである。
The
第3実施例のコンバータ2bのコントローラ200の制御ブロック図を図18に示す。コントローラ200は、第1実施例のコンバータ2のコントローラ100(図10参照)に、乗算器223、反転器206、216を加えたものである。
FIG. 18 shows a control block diagram of the
乗算器223は、デューティオフセットDoffに対してリアクトル電流IRの向きに応じた正負符号を乗算する。例えば低電圧端3からリアクトル15に向かう電流を正値と定義し、逆方向(リアクトル15から低電圧端3への向き)の電流を負値と定義するとき、電流がリアクトル15から低電圧端3へ向かう場合に、乗算器223は、デューティオフセットDoffの符号を反転させる。これは、先に述べたように、昇圧動作の場合には第1モードで充放電コンデンサ16が放電され第2モードで充放電コンデンサ16が充電されるのに対して、降圧動作の場合は充電と放電が反転するからである。すなわち、降圧動作の場合、第1モードで充放電コンデンサ16が充電され第2モードで充放電コンデンサ16が放電される。
反転器206は、第1スイッチング素子11aに対するゲート信号GS1を反転させる。ゲート信号GS1を反転させた信号が第4スイッチング素子11dに対するゲート信号GS4となる。反転器216は、第2スイッチング素子11bに対するゲート信号GS2を反転させる。ゲート信号GS2を反転させた信号が第3スイッチング素子11cに対するゲート信号GS4となる。
The
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。 Although specific examples of the present invention have been described in detail above, these are merely illustrative and do not limit the scope of the claims. The techniques described in the claims include various modifications and changes to the specific examples illustrated above. The technical elements described in this specification or the drawings exhibit technical utility alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims as filed. Furthermore, the techniques illustrated in this specification or the drawings can achieve multiple objectives simultaneously, and achieving one of the objectives has technical utility in itself.
2、2a、2b:DC-DCコンバータ 3:低電圧端 4:高電圧端 5:グランド 6、7:平滑コンデンサ 11a-11d:スイッチング素子 12a、12b:ダイオード 15:リアクトル 16:充放電コンデンサ 18:還流ダイオード 21:電流センサ 22、23:電圧センサ 90:電源(バッテリ) 91:負荷 100、200:コントローラ 101:差分器 102:第1制御ブロック 104、114:キャリア発生器 105、115:比較器 107:加算器 117:減算器 120:オフセット生成モジュール 121:変化量取得部 122:第2制御ブロック 223:乗算器 206、216:反転器
2, 2a, 2b: DC-DC converter 3: Low voltage end 4: High voltage end 5:
Claims (3)
高電圧端と、
グランドと、
前記高電圧端と前記グランドの間に直列に接続されている第1ダイオード、第2ダイオード、第1スイッチング素子、第2スイッチング素子であって前記高電圧端から前記グランドに向けてこの順で接続されている第1ダイオード、第2ダイオード、第1スイッチング素子、第2スイッチング素子と、
前記第2ダイオードと前記第1スイッチング素子の接続点と、低電圧端との間に接続されているリアクトルと、
前記第1ダイオードと前記第2ダイオードの接続点と、前記第1スイッチング素子と前記第2スイッチング素子の接続点の間に接続されている充放電コンデンサと、
前記第1スイッチング素子と前記第2スイッチング素子の夫々に与えるゲート信号を生成するコントローラと、
を備えており、
前記第1ダイオードと前記第2ダイオードは、前記グランドの側から前記高電圧端の側へ向けて電流が流れるように接続されており、
前記コントローラは、
(1)前記低電圧端の電圧と前記高電圧端の電圧の目標電圧比に基づいて各ゲート信号のデューティを決定し、
(2)前記第1スイッチング素子がオンし前記第2スイッチング素子がオフしている間に前記リアクトルに流れるリアクトル電流の変化量と、前記第1スイッチング素子がオフし前記第2スイッチング素子がオンしている間の前記リアクトル電流の変化量との差分が小さくなるように前記第1スイッチング素子と前記第2スイッチング素子の少なくとも一方のゲート信号のデューティを補正する、DC-DCコンバータ。 low voltage end,
high voltage end,
Grand and
A first diode, a second diode, a first switching element, and a second switching element are connected in series between the high voltage end and the ground, and are connected in this order from the high voltage end to the ground. A first diode, a second diode, a first switching element, a second switching element,
a reactor connected between a connection point between the second diode and the first switching element and a low voltage end;
a charging/discharging capacitor connected between a connection point between the first diode and the second diode and a connection point between the first switching element and the second switching element;
a controller that generates a gate signal to be applied to each of the first switching element and the second switching element;
It is equipped with
The first diode and the second diode are connected so that a current flows from the ground side to the high voltage end side,
The controller includes:
(1) determining the duty of each gate signal based on a target voltage ratio of the voltage at the low voltage end and the voltage at the high voltage end;
(2) The amount of change in the reactor current flowing through the reactor while the first switching element is on and the second switching element is off, and the amount of change in the reactor current flowing through the reactor while the first switching element is off and the second switching element is on. The DC-DC converter corrects a duty of a gate signal of at least one of the first switching element and the second switching element so that a difference between the amount of change in the reactor current and the amount of change in the reactor current during the current switching is reduced.
高電圧端と、
グランドと、
前記高電圧端と前記グランドの間に直列に接続されている第1スイッチング素子、第2スイッチング素子、第1ダイオード、第2ダイオードであって前記高電圧端から前記グランドに向けてこの順で接続されている第1スイッチング素子、第2スイッチング素子、第1ダイオード、第2ダイオードと、
前記第2スイッチング素子と前記第1ダイオードの接続点と、低電圧端との間に接続されているリアクトルと、
前記第1スイッチング素子と前記第2スイッチング素子の接続点と、前記第1ダイオードと前記第2ダイオードの接続点の間に接続されている充放電コンデンサと、
前記第1スイッチング素子と前記第2スイッチング素子の夫々に与えるゲート信号を生成するコントローラと、
を備えており、
前記第1ダイオードと前記第2ダイオードは、前記グランドの側から前記高電圧端の側へ向けて電流が流れるように接続されており、
前記コントローラは、
(1)前記低電圧端の電圧と前記高電圧端の電圧の目標電圧比に基づいて各ゲート信号のデューティを決定し、
(2)前記第1スイッチング素子がオンし前記第2スイッチング素子がオフしている間の前記リアクトルに流れるリアクトル電流の変化量と、前記第1スイッチング素子がオフし前記第2スイッチング素子がオンしている間の前記リアクトル電流の変化量との差分が小さくなるように前記第1スイッチング素子と前記第2スイッチング素子の少なくとも一方のゲート信号のデューティを補正する、DC-DCコンバータ。 low voltage end,
high voltage end,
Grand and
A first switching element, a second switching element, a first diode, and a second diode are connected in series between the high voltage end and the ground, and are connected in this order from the high voltage end to the ground. A first switching element, a second switching element, a first diode, a second diode,
a reactor connected between a connection point between the second switching element and the first diode and a low voltage end;
a charging/discharging capacitor connected between a connection point between the first switching element and the second switching element and a connection point between the first diode and the second diode;
a controller that generates a gate signal to be applied to each of the first switching element and the second switching element;
It is equipped with
The first diode and the second diode are connected so that a current flows from the ground side to the high voltage end side,
The controller includes:
(1) determining the duty of each gate signal based on a target voltage ratio of the voltage at the low voltage end and the voltage at the high voltage end;
(2) The amount of change in the reactor current flowing through the reactor while the first switching element is on and the second switching element is off, and the amount of change in the reactor current flowing through the reactor while the first switching element is off and the second switching element is on. The DC-DC converter corrects a duty of a gate signal of at least one of the first switching element and the second switching element so that a difference between the amount of change in the reactor current and the amount of change in the reactor current during the current switching is reduced.
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