JP5211644B2 - DC / DC converter - Google Patents
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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.
スイッチング損失の低減を目的とする共振スナバ方式ソフトスイッチングコンバータは、例えば、特許文献1の特開2004−129393号公報「DC/DCコンバータ」に記載されているように、直列接続された2つの主スイッチングトランジスタSU,SLのそれぞれには、並列に、共振コンデンサCU,CLが接続されており、2つの主スイッチングトランジスタSU,SLの接続点には、主リアクトルLが接続され、該主リアクトルLに対して補助リアクトルLrと補助スイッチSrとがさらに並列に接続されている。そして、例えば、降圧力行動作の場合、以下のような動作を行う。 A resonant snubber type soft switching converter for the purpose of reducing switching loss is, for example, two main circuits connected in series as described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-129393 “DC / DC converter”. Resonant capacitors CU and CL are connected in parallel to the switching transistors SU and SL, respectively, and a main reactor L is connected to a connection point between the two main switching transistors SU and SL. On the other hand, the auxiliary reactor Lr and the auxiliary switch Sr are further connected in parallel. Then, for example, in the case of the pressure drop operation, the following operation is performed.
1)上側(つまり上アーム)の主スイッチングトランジスタSUがオフするタイミングでは、主リアクトルに流れる主リアクトル電流ILが共振コンデンサCUにバイパスして、共振コンデンサCUを充電することによって、主スイッチングトランジスタSUはゼロ電圧スイッチング動作となる。一方、下側(つまり下アーム)の主スイッチングトランジスタSLがオンするタイミングでは、主リアクトル電流ILと入力電圧とを検知して、主スイッチングトランジスタSLがゼロ電圧スイッチング動作になるように設定される。 1) At the timing the main switching transistor SU of the upper (i.e. the upper arm) is turned off, the main reactor current I L flowing in the main reactor is bypassed to the resonant capacitor CU, by charging the resonant capacitor CU, the main switching transistor SU Is a zero voltage switching operation. On the other hand, the timing of turning on the main switching transistor SL of the lower (i.e. the lower arm), by detecting the input voltage to the main reactor current I L, the main switching transistor SL are set to be zero-voltage switching operation .
2)また、補助スイッチSrをオンすることにより、一定の時間、補助リアクトルLrに主リアクトル電流IL以上の補助リアクトル電流Irを流す。この時間内に下側の主スイッチングトランジスタSLがオフする。下側の主スイッチングトランジスタSLがオフすることによって、共振コンデンサCU,CLと補助リアクトルLrとを共振させる。そして、共振コンデンサCUの電荷が放電されると、上側の主スイッチングトランジスタSUの両端電圧は0V近辺になる。両端電圧は0V近辺になったタイミングで、上側の主スイッチングトランジスタSUをオンすることによって、ゼロ電圧スイッチング動作となる。 2) In addition, by turning on the auxiliary switch Sr, certain time passes a main reactor current I L or more auxiliary reactor current Ir to the auxiliary reactor Lr. Within this time, the lower main switching transistor SL is turned off. When the lower main switching transistor SL is turned off, the resonance capacitors CU and CL and the auxiliary reactor Lr are resonated. When the electric charge of the resonant capacitor CU is discharged, the voltage across the upper main switching transistor SU becomes around 0V. By turning on the upper main switching transistor SU at a timing when the both-end voltage becomes around 0V, a zero voltage switching operation is performed.
かくのごときソフトスイッチングを行うことによって、DC/DCコンバータのスイッチング損失を減らすことが可能になる。
しかしながら、前記特許文献1に記載されているような従来のDC/DCコンバータの場合、例えば、上側(つまり上アーム)の主スイッチングトランジスタSUと並列に共振コンデンサCUが接続された構成になっているので、軽負荷時の場合には、スイッチング時の主リアクトル電流ILが小さくなり、上側の主スイッチングトランジスタSUがオフするタイミングにおいて、共振コンデンサCUが完全に充電される前に、下側(つまり下アーム)の主スイッチングトランジスタSLがオンしてしまい、ソフトスイッチング条件が成立しなくなる。この結果、下側の主スイッチングトランジスタSLがスイッチオンした瞬間に、過大なサージ電流が発生するため、素子が破損してしまう可能性がある。
However, in the case of the conventional DC / DC converter as described in
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、負荷の状態如何に関係なく、スイッチング時において過大なサージ電流が発生することを防止可能なDC/DCコンバータを提供することを、その目的としている。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object thereof is to provide a DC / DC converter capable of preventing an excessive surge current from occurring at the time of switching regardless of the state of a load. It is said.
本発明は、前述の課題を解決するために、直流の入力電圧を所定の出力電圧の電力として外部の負荷へ出力するDC/DCコンバータであって、電力を制御するために直列接続して交互にオン/オフさせるブリッジ回路を構成する上側の主スイッチングトランジスタと下側の主スイッチングトランジスタとのそれぞれに、転流用ダイオードを並列接続し、かつ、平滑用の主リアクトルの一端を上側の主スイッチングトランジスタと下側の主スイッチングトランジスタとの接続点に接続し、該主リアクトルの他端を出力端子に接続して、出力端子から出力電圧を外部に出力するDC/DCコンバータにおいて、上側の主スイッチングトランジスタおよび/または下側の主スイッチングトランジスタに、共振用コンデンサと第一の補助スイッチとを直列に接続した第一の補助回路を並列接続し、かつ、主リアクトルに、共振用の補助リアクトルと第二の補助スイッチとを直列に接続した第二の補助回路を並列接続している。上側の主スイッチングトランジスタ、下側の主スイッチングトランジスタ、第一の補助スイッチ、第二の補助スイッチのそれぞれのスイッチング周期が、同一であり、かつ、上側の主スイッチングトランジスタと下側の主スイッチングトランジスタとは、同時にはオンしないように、それぞれがオンする直前にデッドタイムが設けられている。第一の補助スイッチをオン/オフする期間は、主リアクトルに流れる主アクトル電流と入力電圧と出力電圧とから、当該DC/DCコンバータ内に発生するスイッチング損失を推定した結果に基づいて制御される。 In order to solve the above-mentioned problems, the present invention is a DC / DC converter that outputs a DC input voltage as power of a predetermined output voltage to an external load, and is connected in series to alternately control power. A commutation diode is connected in parallel to each of the upper main switching transistor and the lower main switching transistor constituting the bridge circuit to be turned on / off, and one end of the smoothing main reactor is connected to the upper main switching transistor. In the DC / DC converter, the upper main switching transistor is connected to a connection point between the main switching transistor and the lower main switching transistor, the other end of the main reactor is connected to the output terminal, and the output voltage is output to the outside from the output terminal. And / or a lower main switching transistor, a resonance capacitor and a first auxiliary switch; A first auxiliary circuit connected in parallel which are connected in series, and the main reactor, connected in parallel a second auxiliary circuit which connects the auxiliary reactor and a second auxiliary switch for resonance in series. The upper main switching transistor, the lower main switching transistor, the first auxiliary switch, and the second auxiliary switch have the same switching cycle, and the upper main switching transistor and the lower main switching transistor In order not to be turned on at the same time, a dead time is provided immediately before each of them is turned on. The period during which the first auxiliary switch is turned on / off is controlled based on the result of estimating the switching loss generated in the DC / DC converter from the main reactor current flowing through the main reactor, the input voltage, and the output voltage. .
本発明のDC/DCコンバータによれば、上側の主スイッチングトランジスタおよび/または下側の主スイッチングトランジスタに並列接続された共振コンデンサに直列に補助スイッチを接続する構成としているので、該補助スイッチをオン/オフするタイミングを制御することによって、負荷の状態如何に関係なく、スイッチング時において過大なサージ電流が発生することを抑制することができるため、素子の破損を防止することができるという効果を奏することができる。 According to the DC / DC converter of the present invention, since the auxiliary switch is connected in series to the resonance capacitor connected in parallel to the upper main switching transistor and / or the lower main switching transistor, the auxiliary switch is turned on. By controlling the timing of turning off / off, it is possible to suppress the occurrence of an excessive surge current at the time of switching regardless of the state of the load, so that the element can be prevented from being damaged. be able to.
以下に、本発明によるDC/DCコンバータの最良の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。 Hereinafter, the best embodiment of a DC / DC converter according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(本発明の特徴)
本発明の実施形態の説明に先立って、まず、本発明の主要な特徴について、その概略を説明する。本発明は、ソフトスイッチング方式を適用したDC/DCコンバータに関するものであり、交互にオン/オフ動作を行うブリッジ回路を構成して、DC/DCコンバータとしての主スイッチ動作を行う上側(つまり上アーム)の主スイッチングトランジスタSUと下側(つまり下アーム)の主スイッチングトランジスタSLとの2つのトランジスタを直列接続するとともに、上側の主スイッチングトランジスタSU、および/または、下側の主スイッチングトランジスタSLに、それぞれ、並列接続された、上側の共振コンデンサCU、および/または、下側の共振コンデンサCLに対して、さらに、補助スイッチを第一のスイッチとして直列接続した構成とする点に、その特徴を有している。
(Features of the present invention)
Prior to the description of the embodiments of the present invention, first, the outline of the main features of the present invention will be described. The present invention relates to a DC / DC converter to which a soft switching method is applied, and constitutes a bridge circuit that alternately performs on / off operations to perform an upper side (that is, an upper arm) that performs a main switch operation as a DC / DC converter. ) Main switching transistor SU and lower (that is, lower arm) main switching transistor SL are connected in series, and the upper main switching transistor SU and / or the lower main switching transistor SL are connected to each other. This is characterized in that the auxiliary switch is connected in series as the first switch to the upper resonance capacitor CU and / or the lower resonance capacitor CL connected in parallel. doing.
ここで、補助スイッチつまり第一のスイッチをオフする期間は、平滑用の主リアクトルLに流れる主アクトル電流ILと入力電圧と出力電圧とから、当該DC/DCコンバータ内に発生するスイッチング損失を推定した結果に基づいて、過大なサージ電流が流れないように制御される。 Here, a period for turning off the auxiliary switch, that the first switch from flowing through the main reactor L for smoothing the main Akutoru current I L input and output voltages and the switching loss occurring in the DC / DC converter Based on the estimated result, control is performed so that an excessive surge current does not flow.
また、上側の主スイッチングトランジスタSUと下側の主スイッチングトランジスタSLとの接続点には、平滑用の主リアクトルLと、共振用の補助リアクトルLrと第二のスイッチとなる共振用補助スイッチとを直列接続した回路とが、接続されて、共振用のソフトスイッチング動作を行う回路構成とされている。つまり、補助スイッチつまり第一のスイッチを制御することにより、上側の主スイッチングトランジスタSUおよび/または下側の主スイッチングトランジスタSLのターンオフ時の電流を共振コンデンサCUおよび/または共振コンデンサCLに通電または遮断させ、補助スイッチつまり第一のスイッチと共振用補助スイッチつまり第二のスイッチとを制御することにより、共振コンデンサCUおよび/または共振コンデンサCLと補助リアクトルLrとの共振用のソフトスイッチング動作を行わせる構成とされている。 Further, at the connection point between the upper main switching transistor SU and the lower main switching transistor SL, a smoothing main reactor L, a resonance auxiliary reactor Lr, and a resonance auxiliary switch serving as a second switch are provided. A circuit connected in series is connected to perform a resonance soft switching operation. That is, by controlling the auxiliary switch, that is, the first switch, the current at the time of turn-off of the upper main switching transistor SU and / or the lower main switching transistor SL is supplied to or cut off from the resonance capacitor CU and / or the resonance capacitor CL. By controlling the auxiliary switch, that is, the first switch and the resonance auxiliary switch, that is, the second switch, the resonance soft switching operation of the resonance capacitor CU and / or the resonance capacitor CL and the auxiliary reactor Lr is performed. It is configured.
なお、本発明によるDC/DCコンバータにおいては、直列接続された共振コンデンサと補助スイッチとを、上側の主スイッチングトランジスタSU、上側の主スイッチングトランジスタSUの双方に並列接続しても良いし、いずれか一方にのみ並列接続しても良いが、以下の実施形態の説明においては、説明を簡明にするために、上側の主スイッチングトランジスタSUにのみ並列接続している場合について説明する。 In the DC / DC converter according to the present invention, the resonance capacitor and the auxiliary switch connected in series may be connected in parallel to both the upper main switching transistor SU and the upper main switching transistor SU. Although only one side may be connected in parallel, in the following description of the embodiment, a case where only the upper main switching transistor SU is connected in parallel will be described for the sake of simplicity.
また、主スイッチングトランジスタSU,SLをはじめとして、DC/DCコンバータの各スイッチング素子を構成するトランジスタについては、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor:絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)を用いても良いし、MOS−FET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor:金属酸化物半導体型電界効果トランジスタ)を用いても良いし、あるいは、場合によっては、バイポーラトランジスタを用いても良い。また、NPN型のトランジスタであっても良いし、場合によっては、PNP型のトランジスタであっても良い。以下の実施形態の説明においては、IGBTを用いた場合であって、かつ、NPN型のトランジスタを用いた場合について説明する。 In addition to the main switching transistors SU and SL, as the transistors constituting each switching element of the DC / DC converter, an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) may be used, or a MOS-FET ( Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) may be used, or in some cases, a bipolar transistor may be used. Further, it may be an NPN type transistor or, depending on the case, a PNP type transistor. In the following description of the embodiment, a case where an IGBT is used and an NPN transistor is used will be described.
(第一の実施形態)
まず、本発明によるDC/DCコンバータの第一の実施形態について説明する。 (第一の実施形態の回路構成)
本発明によるDC/DCコンバータの第一の実施形態として、本発明によるDC/DCコンバータを降圧型チョッパ回路に適用した場合の回路図を図1に示す。ここに、図1は、本発明によるDC/DCコンバータの第一の実施形態の回路構成を示す回路図であり、降圧型チョッパ回路に適用した場合の一例を示している。
(First embodiment)
First, a first embodiment of a DC / DC converter according to the present invention will be described. (Circuit configuration of the first embodiment)
As a first embodiment of the DC / DC converter according to the present invention, FIG. 1 shows a circuit diagram when the DC / DC converter according to the present invention is applied to a step-down chopper circuit. FIG. 1 is a circuit diagram showing the circuit configuration of the first embodiment of the DC / DC converter according to the present invention, and shows an example when applied to a step-down chopper circuit.
図1において、入力電源Viはバッテリなどの直流電圧源である。主スイッチングトランジスタSU,SLに用いられるスイッチング素子は、前述のように、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor:絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)などのトランジスタによって形成される。また、ブリッジ回路として交互にオン/オフ動作を行い、DC/DCコンバータとしての主スイッチ動作を行う上側(つまり上アーム)の主スイッチングトランジスタSUと下側(つまり下アーム)の主スイッチングトランジスタSLとの2つのトランジスタは、直列に接続されており、さらに、上側の主スイッチングトランジスタSU、下側の主スイッチングトランジスタSLには、それぞれ、転流用ダイオードDU、転流用ダイオードDLが並列に接続されている。 In FIG. 1, an input power source Vi is a DC voltage source such as a battery. As described above, the switching element used for the main switching transistors SU and SL is formed by a transistor such as an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor). Further, an upper (that is, upper arm) main switching transistor SU and a lower (that is, lower arm) main switching transistor SL that alternately perform on / off operations as a bridge circuit and perform a main switch operation as a DC / DC converter, The commutation diode DU and the commutation diode DL are connected in parallel to the upper main switching transistor SU and the lower main switching transistor SL, respectively. .
つまり、上側の主スイッチングトランジスタSUのエミッタは下側の主スイッチングトランジスタSLのコレクタに接続されており、また、転流用ダイオードDU,DLは、それぞれ、主スイッチングトランジスタSU,SLのエミッタ側からコレクタ側に電流を流せるように、アノード側がエミッタ側に、カソード側がコレクタ側に接続されている。さらに、上側の主スイッチングトランジスタSUのコレクタは入力電源Viの正極側に接続されており、下側の主スイッチングトランジスタSLのエミッタは入力電源Viの負極側(ここでは、グランド)に接続されている。 That is, the emitter of the upper main switching transistor SU is connected to the collector of the lower main switching transistor SL, and the commutation diodes DU and DL are respectively connected from the emitter side to the collector side of the main switching transistors SU and SL. Are connected to the emitter side and the cathode side to the collector side. Further, the collector of the upper main switching transistor SU is connected to the positive side of the input power source Vi, and the emitter of the lower main switching transistor SL is connected to the negative side (here, ground) of the input power source Vi. .
また、上側の主スイッチングトランジスタSUのエミッタと下側の主スイッチングトランジスタSLのコレクタとの接続点Pには、平滑用の主リアクトルLの一端が接続されている。そして、主リアクトルLの他端は、平滑コンデンサCoの一方の端子とコンバータ出力端子の正極側の端子とに接続されており、コンバータ出力端子を通じて、外部の負荷に対する電力が出力電圧Voとして供給される。また、平滑コンデンサCoの他方の端子は、コンバータ出力端子の負極側の端子と接続されて、入力電源Viの負極側と共通のグランドに落ちている。 One end of the smoothing main reactor L is connected to a connection point P between the emitter of the upper main switching transistor SU and the collector of the lower main switching transistor SL. The other end of the main reactor L is connected to one terminal of the smoothing capacitor Co and a positive terminal of the converter output terminal, and electric power for an external load is supplied as an output voltage Vo through the converter output terminal. The Further, the other terminal of the smoothing capacitor Co is connected to the negative terminal of the converter output terminal and falls to the common ground with the negative terminal of the input power source Vi.
さらに、上側の主スイッチングトランジスタSUには、並列に、共振コンデンサCUと第一の補助スイッチScとからなる直列回路が第一の補助回路として接続されている。第一の補助スイッチScは、IGBTなどからなる補助スイッチングトランジスタQSCと補助ダイオードDSCとからなる並列回路であり、補助ダイオードDSCは、補助スイッチングトランジスタQSCのエミッタ側からコレクタ側に電流を流せるように、アノード側がエミッタ側に、カソード側がコレクタ側に接続されている。 Further, a series circuit including a resonant capacitor CU and a first auxiliary switch Sc is connected in parallel to the upper main switching transistor SU as a first auxiliary circuit. The first auxiliary switch Sc is a parallel circuit consisting of the auxiliary switching transistors Q SC made of IGBT and an auxiliary diode D SC, auxiliary diode D SC is a current from the emitter side to the collector side of the auxiliary switching transistor Q SC The anode side is connected to the emitter side and the cathode side is connected to the collector side so that it can flow.
また、補助ダイオードDSCは、補助スイッチングトランジスタQSCがオフすると、入力電源Viの正極側から流れてくる電流を遮断することができるような向きに配置されており、共振コンデンサCUへの充電電流の流入が阻止される。 The auxiliary diode DSC is arranged in such a direction that the current flowing from the positive electrode side of the input power source Vi can be cut off when the auxiliary switching transistor QSC is turned off, and the charging current to the resonance capacitor CU is set. Inflow is blocked.
また、主リアクトルLには、並列に、共振用の補助リアクトルLrと第二の補助スイッチSrとからなる直列回路が第二の補助回路として接続されている。第二の補助スイッチSrは、IGBTなどからなるトランジスタであり、降圧型チョッパ回路に適用する場合には、片方向スイッチとなっている。つまり、第二の補助スイッチSrがオンしたときには、主リアクトルLに流れる主リアクトル電流ILとして想定される電流方向とは逆向きに、補助リアクトルLrに補助リアクトル電流Irを流すことができるようになっている。さらに、第二の補助スイッチSrは、主リアクトルLに流れる主リアクトル電流ILとして想定される電流方向と同じ方向に補助リアクトル電流Irが流れることを阻止することができる。 In addition, a series circuit including a resonance auxiliary reactor Lr and a second auxiliary switch Sr is connected in parallel to the main reactor L as a second auxiliary circuit. The second auxiliary switch Sr is a transistor made of an IGBT or the like, and is a one-way switch when applied to a step-down chopper circuit. That is, when the second auxiliary switch Sr is turned on, the auxiliary reactor current Ir can be supplied to the auxiliary reactor Lr in the direction opposite to the direction of the current assumed as the main reactor current IL flowing through the main reactor L. It has become. Furthermore, the second auxiliary switch Sr can prevent the auxiliary reactor current Ir from flowing in the same direction as the current direction assumed as the main reactor current IL flowing in the main reactor L.
(第一の実施形態の動作)
次に、図1に示す本実施形態のDC/DCコンバータの動作の一例について図2に示す動作波形および図3に示す電流経路に基づいて説明する。図2は、図1に示すDC/DCコンバータの動作の一例を説明するための波形図であり、主スイッチングトランジスタSU,SL、および、第一の補助スイッチSc、第二の補助スイッチSrをオン/オフさせるタイミングと、主リアクトル電流IL、補助リアクトル電流Ir、主スイッチングトランジスタSU,SLそれぞれのコレクタ−エミッタ間電圧VSU,VSLとコレクタ電流ISU,ISL、および、第一の補助スイッチScのコレクタ−エミッタ間電圧VSCとコレクタ電流ISCの信号波形とを示している。
(Operation of the first embodiment)
Next, an example of the operation of the DC / DC converter of this embodiment shown in FIG. 1 will be described based on the operation waveform shown in FIG. 2 and the current path shown in FIG. FIG. 2 is a waveform diagram for explaining an example of the operation of the DC / DC converter shown in FIG. 1, in which the main switching transistors SU and SL, the first auxiliary switch Sc, and the second auxiliary switch Sr are turned on. / Off timing, main reactor current I L , auxiliary reactor current Ir, collector-emitter voltages V SU and V SL of each of main switching transistors SU and SL , collector currents I SU and I SL , and first auxiliary the collector of the switch Sc - shows a signal waveform of the emitter voltage V SC and the collector current I SC.
また、図3は、図1に示すDC/DCコンバータの各動作状態において流れる電流の電流経路を説明するための模式図であり、各動作状態ごとにDC/DCコンバータ内に流れる電流経路を矢印によって示している。 FIG. 3 is a schematic diagram for explaining a current path of a current flowing in each operation state of the DC / DC converter shown in FIG. 1, and an arrow indicates a current path flowing in the DC / DC converter for each operation state. Shown by.
なお、図2の主スイッチングトランジスタSU,SLのオン/オフ状態に示すように、主スイッチングトランジスタSU,SLは、あらかじめ設定された一定のスイッチング周期Tcycで、それぞれ、デューティ{D−(Td/Tcyc)}、デューティ{(1−D)−(Td/Tcyc)}で、交互に、オン/オフを繰り返すように、PWM制御される。ここに、Dは、本来のデューティを意味し、Tdは、主スイッチングトランジスタSU,SLが同時にオンしないように、両者のオン時間の間に設けられたデッドタイムを意味している。本来のデューティD、デッドタイムTdは、出力電圧Voが目標出力電圧と一致するように制御される。 As shown in the on / off states of the main switching transistors SU and SL in FIG. 2, the main switching transistors SU and SL are respectively set to duty {D− (Td / Tcyc) at a predetermined switching cycle Tcyc. )} And duty {(1-D)-(Td / Tcyc)}, and PWM control is performed so as to repeat ON / OFF alternately. Here, D means the original duty, and Td means the dead time provided between the ON times of the two so that the main switching transistors SU and SL are not turned ON at the same time. The original duty D and dead time Td are controlled so that the output voltage Vo matches the target output voltage.
また、第一の補助スイッチScをオン/オフする期間は、主リアクトルLに流れる主リアクトル電流ILと入力電圧Viと出力電圧Voとから、DC/DCコンバータ内に発生するスイッチング損失を推定した結果に基づいて制御される。 Further, during the period when the first auxiliary switch Sc is turned on / off, the switching loss generated in the DC / DC converter is estimated from the main reactor current IL flowing through the main reactor L , the input voltage Vi, and the output voltage Vo. Control based on the result.
つまり、第一の補助スイッチScは、主スイッチングトランジスタSU,SLと同じスイッチング周期Tcycによってパルス駆動されて、オン/オフを繰り返す。ここで、第一の補助スイッチScは、上側の主スイッチングトランジスタSUがオンしている区間内にターンオンされる。また、第一の補助スイッチScは、上側の主スイッチングトランジスタSUがオンからオフに切り替わってから下側の主スイッチングトランジスタSLがオンするまでのデッドタイムTd中の区間内にターンオフされる。 That is, the first auxiliary switch Sc is pulse-driven by the same switching cycle Tcyc as the main switching transistors SU and SL, and is repeatedly turned on / off. Here, the first auxiliary switch Sc is turned on in a section in which the upper main switching transistor SU is turned on. Further, the first auxiliary switch Sc is turned off in a section during the dead time Td from when the upper main switching transistor SU is switched from on to off until the lower main switching transistor SL is turned on.
ここで、もし、下側の主スイッチングトランジスタSLに並列に共振コンデンサCLと第一の補助スイッチScとが接続されている場合には、下側の主スイッチングトランジスタSLに並列接続された第一の補助スイッチScをオンする時点が、下側の主スイッチングトランジスタSLがオンの期間内であり、下側の主スイッチングトランジスタSLに並列接続された第一の補助スイッチScをオフする時点が、下側の主スイッチングトランジスタSLがオンからオフした後、上側の主スイッチングトランジスタSUがオンする直前に設けられているデッドタイムTdの期間内となる。 Here, if the resonant capacitor CL and the first auxiliary switch Sc are connected in parallel to the lower main switching transistor SL, the first connected in parallel to the lower main switching transistor SL. The time point when the auxiliary switch Sc is turned on is within the period when the lower main switching transistor SL is on, and the time point when the first auxiliary switch Sc connected in parallel to the lower main switching transistor SL is turned off is lower side. After the main switching transistor SL is turned off, the dead time Td is provided immediately before the upper main switching transistor SU is turned on.
図2に示す例においては、上側の主スイッチングトランジスタSUがオンしてから第一の補助スイッチScがオンするまでの時間をΔTSc_onとし、上側の主スイッチングトランジスタSUがオフしてから第一の補助スイッチScがオフするまでの時間をΔTSc_offと定義している。 In the example shown in FIG. 2, the time from when the upper main switching transistor SU is turned on to when the first auxiliary switch Sc is turned on is ΔTSc_on, and after the upper main switching transistor SU is turned off, the first auxiliary switch is turned on. The time until the switch Sc is turned off is defined as ΔTSc_off.
また、第二の補助回路を形成している第二の補助スイッチSrも、主スイッチングトランジスタSU,SLと同じスイッチング周期Tcycによってパルス駆動され、主リアクトル電流ILと入力電圧Viと出力電圧Voとから、オン/オフする期間が決定される。 The second auxiliary switch Sr forming the second auxiliary circuit is also a main switching transistor SU, is pulse-driven by the same switching cycle Tcyc and SL, a main reactor current I L and the input voltage Vi and output voltage Vo From this, the on / off period is determined.
第二の補助スイッチSrは、補助リアクトルLrと共振コンデンサCUとが共振するために十分な補助リアクトル電流Irを流せるように、上側の主スイッチングトランジスタSUがオフしてから下側の主スイッチングトランジスタSLがオフするまでの区間内にターンオンする。また、第二の補助スイッチSrは、補助リアクトル電流Irが、共振動作後に、0Aになった後、上側の主スイッチングトランジスタSUがオンされている区間内にターンオフされる。 The second auxiliary switch Sr has a lower main switching transistor SL after the upper main switching transistor SU is turned off so that an auxiliary reactor current Ir sufficient for the auxiliary reactor Lr and the resonant capacitor CU to resonate can flow. Turns on during the interval until is turned off. Further, the second auxiliary switch Sr is turned off in a section in which the upper main switching transistor SU is turned on after the auxiliary reactor current Ir becomes 0 A after the resonance operation.
つまり、第二の補助スイッチSrは、上側の主スイッチングトランジスタSUがオンする前のデッドタイムTdの区間内に、共振コンデンサCUと補助リアクトルLrとの共振作用によって、共振コンデンサCUに蓄積されている電荷が放電されて、両端電圧がゼロになるように、オン/オフ動作が制御される。 That is, the second auxiliary switch Sr is accumulated in the resonance capacitor CU by the resonance action of the resonance capacitor CU and the auxiliary reactor Lr within the interval of the dead time Td before the upper main switching transistor SU is turned on. The on / off operation is controlled so that the electric charge is discharged and the voltage across the both terminals becomes zero.
以下、図2の波形図、図3の模式図に沿って、図1のDC/DCコンバータ(降圧型チョッパ回路)の動作についてさらに説明する。 Hereinafter, the operation of the DC / DC converter (step-down chopper circuit) of FIG. 1 will be further described with reference to the waveform diagram of FIG. 2 and the schematic diagram of FIG.
まず、図2に示す時刻t0において、第一の補助スイッチScがオンされたものとする。このとき、上側の主スイッチングトランジスタSUがオンしており、図3に示す状態1の電流経路で電流が流れている。つまり、入力電源Viの正極側から上側の主スイッチングトランジスタSUを通って、主リアクトルLから出力電圧Voとして負荷側に流れ、しかる後、入力電源Viの負極側すなわちグランドに戻ってくる通常のDC/DCコンバータとしての動作が行われている。ここで、共振コンデンサCUに電荷がチャージされていなければ、第一の補助スイッチScには電流が流れず、そのまま、主スイッチングトランジスタSUに電流が流れる状態が継続する。したがって、サージ電流やスイッチング損失が発生することなく、第一の補助スイッチScをターンオンさせることができる。
First, it is assumed that the first auxiliary switch Sc is turned on at time t0 shown in FIG. At this time, the upper main switching transistor SU is on, and a current flows through the current path in the
次に、時刻t1において、上側の主スイッチングトランジスタSUがターンオフする。すると、図3の状態2に示すように、入力電源Viの正極側から第一の補助スイッチScを通って、共振コンデンサCUに充電電流が流れる。このときの充電電流は、リアクトル電流IL(時刻t1)の電流値と等しい。上側の主スイッチングトランジスタSUがターンオフすることにより、上側の主スイッチングトランジスタSUのコレクタ電流ISUは、図2に示すように、急峻に0Aになるが、主スイッチングトランジスタSUのコレクタ−エミッタ間電圧VSUは、共振コンデンサCUへの充電に伴い、0Vからゆっくりと上昇するので、ゼロ電圧スイッチング動作となり、スイッチング損失を大幅に低減することができる。
Next, at time t1, the upper main switching transistor SU is turned off. Then, as shown in the
しかる後、時間ΔTSc_offだけ経過した時刻t2(=t1+ΔTSc_off)において、第一の補助スイッチScがオフされる。この時、共振コンデンサCUは、その時点までの充電電流による電荷がチャージされた状態で、図3の状態3に示すように、主電流経路から遮断されて、転流が生じ、下側の主スイッチングトランジスタSLに並列接続されている転流用ダイオードDLを通じて、リアクトル電流ILが流れるようになる。
Thereafter, at the time t2 (= t1 + ΔTSc_off) when the time ΔTSc_off has elapsed, the first auxiliary switch Sc is turned off. At this time, the resonant capacitor CU is charged from the charging current up to that point, and is cut off from the main current path as shown in
もし、DC/DCコンバータの出力電流が大きく、上側の主スイッチングトランジスタSUがオフしてから第一の補助スイッチScがオフするまでの時間ΔTSc_offが、共振コンデンサCUの両端電圧として、(入力電源電圧Vi+転流用ダイオードDLの順方向電圧)以上の電圧に達するまで、電荷をチャージすることができる時間であった場合には、時刻t2に至る前に、主リアクトル電流ILは、転流用ダイオードDL側へと転流することになる。このような場合には、下側の主スイッチングトランジスタSLに並列接続されている転流用ダイオードDL、第一の補助スイッチScの補助スイッチングトランジスタQSCは、ゼロ電圧スイッチング動作になる。 If the output current of the DC / DC converter is large and the time ΔTSc_off from when the upper main switching transistor SU is turned off to when the first auxiliary switch Sc is turned off is defined as the voltage across the resonance capacitor CU (input power supply voltage). vi + until a forward voltage) or voltage of the commutating diode DL, if the a time that can be charged with electric charge, before reaching the time t2, the main reactor current I L, commutating diode DL Will be diverted to the side. In such a case, the commutating diodes DL connected in parallel with the main switching transistor SL of the lower, auxiliary switching transistor Q SC of the first auxiliary switch Sc is zero voltage switching operation.
一方、出力電圧Voが入力電源電圧Viに近く、DC/DCコンバータの出力電流が小さい軽負荷時の場合のように、上側の主スイッチングトランジスタSUがオフしてから第一の補助スイッチScがオフするまでの時間ΔTSc_offの時間内に、共振コンデンサCUを十分にチャージすることができていない場合には、転流用ダイオードDLおよび第一の補助スイッチScの補助スイッチングトランジスタQSCは、ハードスイッチング動作になり、スイッチング損失が発生する。しかし、転流用ダイオードDLの逆方向電圧は、入力電源電圧Viよりも共振コンデンサCUにチャージされた電圧分だけ低くなっている。このため、転流用ダイオードDLおよび補助スイッチングトランジスタQSCにおいて発生するスイッチング損失は、主スイッチングトランジスタSUをハードスイッチング動作によりオフした場合と比較して低減することができる。 On the other hand, the first auxiliary switch Sc is turned off after the upper main switching transistor SU is turned off, as in the case of a light load where the output voltage Vo is close to the input power supply voltage Vi and the output current of the DC / DC converter is small. in up to the time ΔTSc_off time to, if not able to charge sufficiently resonant capacitor CU, the auxiliary switching transistor Q SC of commutation diodes DL and the first auxiliary switch Sc is a hard switching operation Switching loss occurs. However, the reverse voltage of the commutation diode DL is lower than the input power supply voltage Vi by the voltage charged in the resonant capacitor CU. Therefore, switching loss occurring at commutation diode DL and an auxiliary switching transistor Q SC can be reduced compared with the case of turning off the main switching transistor SU by hard switching operation.
次に、時刻t3になると、下側の主スイッチングトランジスタSLがオンされる。この時点では、共振コンデンサCUは、第一の補助スイッチScによって主電流経路からすでに切り離されているので、従来技術とは異なり、共振コンデンサCUへの充電のためのサージ電流は発生せずに、下側の主スイッチングトランジスタSLをオンさせることができ、図3の状態4に示す電流経路で、下側の主スイッチングトランジスタSLに並列接続されている転流用ダイオードDLを通じて、リアクトル電流ILが流れ続ける。
Next, at time t3, the lower main switching transistor SL is turned on. At this point, since the resonant capacitor CU is already disconnected from the main current path by the first auxiliary switch Sc, unlike the prior art, a surge current for charging the resonant capacitor CU does not occur, it is possible to turn on the main switching transistor SL of the lower, a current path shown in
さらに、時刻t4になると、第二の補助スイッチSrがオンされる。これにより、図3の状態5に示すように、補助リアクトルLrに補助リアクトル電流Irが流れ始める。補助リアクトルLrには、出力電圧Voがバイアスされており、補助リアクトル電流Irは、図2に示すように、時間の経過とともに、増加する。なお、時刻t4のタイミングは、主リアクトル電流IL、コンバータ入出力電圧Vi,Voをセンサで検知して、共振スイッチングに必要な補助リアクトル電流Irを流せるように、マイコンなどによって構成される制御部(図1には図示していない)が決定するものである。
Further, at time t4, the second auxiliary switch Sr is turned on. Thereby, as shown in the
次に、時刻t5になると、図2に示すように、補助リアクトル電流Irは主リアクトル電流ILよりも大きくなり、その結果、図3の状態6に示すように、オンになっている下側の主スイッチングトランジスタSLを通じて電流(=補助リアクトル電流Ir−主リアクトル電流IL)が流れるようになる。 Then, at time t5, as shown in FIG. 2, the auxiliary reactor current Ir is larger than the main reactor current I L, as a result, as shown in the state 6 in FIG. 3, the lower is on the side current through the main switching transistor SL (= auxiliary reactor current Ir- main reactor current I L) is to flow in.
このような状態で、時刻t6になると、下側の主スイッチングトランジスタSLがオフされる。すると、それまで、下側の主スイッチングトランジスタSLに流れていた電流(=補助リアクトル電流Ir−主リアクトル電流IL)は、図3の状態7に示すように、転流して、共振コンデンサCU、第一の補助スイッチScの補助スイッチングトランジスタQSCに並列接続されている補助ダイオードDSCを通って、入力電源Viへ回生される方向に流れる。この時、共振コンデンサCUと補助リアクトルLrとは共振している。
In this state, at time t6, the lower main switching transistor SL is turned off. Then, until then, current flowing through the main switching transistor SL of the lower (= auxiliary reactor current Ir- main reactor current I L), as shown in the
共振コンデンサCUと補助リアクトルLrとの共振中に、共振コンデンサCUに時刻t1〜時刻t2の間にチャージされた電荷が放電されることになる。 During the resonance between the resonance capacitor CU and the auxiliary reactor Lr, the charge charged in the resonance capacitor CU between time t1 and time t2 is discharged.
共振コンデンサCUにチャージされていた電荷が完全に放電すると、図3の状態8に示すように、転流用ダイオードDUを通じて電流が流れるようになり、共振コンデンサCUと補助リアクトルLrとの共振動作は完了する。したがって、時刻t7のタイミングでは、主スイッチングトランジスタSUのコレクタ−エミッタ間電圧VSUは0V近くまで低下している。
When the charge charged in the resonance capacitor CU is completely discharged, as shown in the
この結果、時刻t7から時刻t8までの間のタイミングで、電流が転流用ダイオードDUを通じて流れ続けている状態のまま、図3の状態8に示すように、上側の主スイッチングトランジスタSUがオンされる。つまり、上側の主スイッチングトランジスタSUのオンへの切り替え動作としては、ゼロ電圧スイッチング動作かつゼロ電流スイッチング動作が可能になる。
As a result, at the timing from time t7 to time t8, the upper main switching transistor SU is turned on as shown in
その後、補助リアクトル電流Irは、補助リアクトルLrが(入力電源電圧Vi−出力電圧Vo)の電圧で逆方向にバイアスされるので、図2に示すように、徐々に減少していく。時刻t8以降において、補助リアクトルLrに流れる補助リアクトル電流Irが主リアクトルLに流れる主リアクトル電流ILよりも減少すると、転流が生じ、電流は上位の主スイッチングトランジスタSUを通じて流れるようになる。 Thereafter, the auxiliary reactor current Ir gradually decreases as shown in FIG. 2 because the auxiliary reactor Lr is biased in the reverse direction by the voltage of (input power supply voltage Vi−output voltage Vo). After time t8, when the auxiliary reactor current Ir flowing through the auxiliary reactor Lr is smaller than the main reactor current IL flowing through the main reactor L , commutation occurs, and the current flows through the upper main switching transistor SU.
さらに、時刻t9になって、補助リアクトル電流Irが一旦0Aになると、図1に示すように、片方向である第二の補助スイッチSrによって、主電流経路に流れる逆方向電流が阻止されるので、これ以降は、図3の状態9に示すように、主スイッチングトランジスタSUに流れる電流は、主リアクトルLに流れる主リアクトル電流ILと等しくなる。なお、この後、上側の主スイッチングトランジスタSUをオフするタイミングまでの間に、第二の補助スイッチSrをオフすることによって、ゼロ電流スイッチング動作が可能である。
Furthermore, when the auxiliary reactor current Ir once reaches 0A at time t9, the reverse current flowing in the main current path is blocked by the second auxiliary switch Sr that is unidirectional as shown in FIG. Thereafter, as shown in the
しかる後、図3の状態1に復帰して、再び、前述のような動作を繰り返す。
Thereafter, the state returns to the
次に、図1に示すDC/DCコンバータの効果つまり動作範囲について、図4を用いて説明する。 Next, the effect, that is, the operating range of the DC / DC converter shown in FIG. 1 will be described with reference to FIG.
図4は、図1に示す本実施形態のDC/DCコンバータの出力電圧Voと出力電流Ioとの動作範囲を求めた特性図である。図4の特性図には、比較のために、前記特許文献1における従来のDC/DCコンバータの動作範囲も含めて示している。
FIG. 4 is a characteristic diagram in which the operating range of the output voltage Vo and the output current Io of the DC / DC converter of this embodiment shown in FIG. 1 is obtained. For comparison, the characteristic diagram of FIG. 4 also includes the operation range of the conventional DC / DC converter in
前記特許文献1の従来のDC/DCコンバータの場合、出力電流Ioが小さい軽負荷時においてサージ電流が発生しないように、共振コンデンサCUの容量値を小さい値としているため、その結果として、補助リアクトルLrのインダクタンスが大きくなってしまい、逆に、高負荷時においては、サージ電流の発生およびスイッチング損失の増大を引き起こすことになり、図4に示すように、動作電圧範囲が限定されている。
In the case of the conventional DC / DC converter of
これに対して、本実施形態のDC/DCコンバータの場合には、図4に示すように、軽負荷から高負荷までのほぼ全域に亘って、広い動作電圧範囲で、DC/DCコンバータを動作させることができ、サージ電流を発生させることもなく、スイッチング損失も低減させることができる。 On the other hand, in the case of the DC / DC converter of this embodiment, as shown in FIG. 4, the DC / DC converter is operated in a wide operating voltage range over almost the entire range from a light load to a high load. It is possible to reduce the switching loss without generating a surge current.
以上に詳述したように、本発明によるDC/DCコンバータを適用した本実施形態によれば、第一の補助スイッチScによって共振コンデンサCUを主電流経路から遮断することができるため、負荷状態によって、完全なソフトスイッチング条件が成立しない場合であっても、共振コンデンサCUの短絡に伴うサージ電流を抑えることが可能となり、スイッチング損失を低減し、DC/DCコンバータの動作範囲を拡大することが可能になる。 As described in detail above, according to the present embodiment to which the DC / DC converter according to the present invention is applied, the resonance capacitor CU can be cut off from the main current path by the first auxiliary switch Sc. Even when perfect soft switching conditions are not satisfied, it is possible to suppress the surge current that accompanies a short circuit of the resonant capacitor CU, thereby reducing the switching loss and expanding the operating range of the DC / DC converter. become.
(第二の実施形態)
次に、本発明によるDC/DCコンバータの第二の実施形態について説明する。
(Second embodiment)
Next, a second embodiment of the DC / DC converter according to the present invention will be described.
(第二の実施形態の回路構成)
前述した第一の実施形態のように、本発明によるDC/DCコンバータを降圧型チョッパ回路に適用した場合には、出力電圧Voが入力電圧Viに近い電圧領域において、つまり、出力電流Ioが小さい軽負荷領域において、ソフトスイッチングが成立しない場合が存在する。したがって、かくのごとき電圧領域を頻繁に使う用途、例えば、電気自動車やハイブリッド車などの用途に用いるDC/DCコンバータに適用しようとする場合には、第一の実施形態の降圧型チョッパ回路の回路構成では、その効果が小さくなる場合が存在する。
(Circuit configuration of the second embodiment)
As in the first embodiment described above, when the DC / DC converter according to the present invention is applied to the step-down chopper circuit, the output voltage Vo is close to the input voltage Vi, that is, the output current Io is small. There is a case where soft switching is not established in the light load region. Therefore, when it is intended to be applied to a DC / DC converter used for applications such as electric vehicles and hybrid vehicles, which frequently use the voltage region, the step-down chopper circuit of the first embodiment is used. In the configuration, the effect may be reduced.
そこで、本実施形態においては、フルブリッジ型の昇降圧型双方向コンバータ回路に、本発明によるDC/DCコンバータを適用した例について説明する。つまり、フルブリッジ型の昇降圧型双方向コンバータ回路に対して、補助リアクトルと共振コンデンサとの他に、さらに、補助スイッチを追加して、より広い範囲でスイッチング動作を行うことを可能とする回路構成について、以下に説明する。 Therefore, in the present embodiment, an example in which the DC / DC converter according to the present invention is applied to a full-bridge type step-up / down type bidirectional converter circuit will be described. In other words, in addition to the auxiliary reactor and resonant capacitor, a circuit configuration that enables switching operation in a wider range by adding an auxiliary switch to the full-bridge type buck-boost bidirectional converter circuit. Is described below.
本発明によるDC/DCコンバータの第二の実施形態として、本発明によるDC/DCコンバータをフルブリッジ型の昇降圧型双方向コンバータ回路に適用した場合の回路図を図5に示す。ここに、図5は、本発明によるDC/DCコンバータの第二の実施形態の回路構成を示す回路図であり、フルブリッジ型の昇降圧型双方向コンバータ回路に適用した場合の一例を示している。 As a second embodiment of the DC / DC converter according to the present invention, FIG. 5 shows a circuit diagram when the DC / DC converter according to the present invention is applied to a full-bridge type step-up / step-down bidirectional converter circuit. FIG. 5 is a circuit diagram showing a circuit configuration of the second embodiment of the DC / DC converter according to the present invention, and shows an example when applied to a full-bridge type buck-boost bidirectional converter circuit. .
図5において、入力電源Viはバッテリなどの直流電圧源である。第一のブリッジ回路を構成するための主スイッチングトランジスタQ1,Q2に用いられるスイッチング素子は、前述のように、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor:絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)などのトランジスタによって形成される。DC/DCコンバータの第一のブリッジ回路としての主スイッチ動作を行う上側(つまり上アーム)の主スイッチングトランジスタQ1と下側(つまり下アーム)の主スイッチングトランジスタQ2との2つのトランジスタは、直列に接続されており、さらに、上側の主スイッチングトランジスタQ1、下側の主スイッチングトランジスタQ2には、それぞれ、転流用ダイオードD1、転流用ダイオードD2が並列に接続されている。 In FIG. 5, an input power source Vi is a DC voltage source such as a battery. The switching elements used in the main switching transistors Q1 and Q2 for constituting the first bridge circuit are formed by transistors such as IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) as described above. Two transistors, an upper (that is, upper arm) main switching transistor Q1 and a lower (that is, lower arm) main switching transistor Q2 that perform the main switch operation as the first bridge circuit of the DC / DC converter, are connected in series. Further, a commutation diode D1 and a commutation diode D2 are connected in parallel to the upper main switching transistor Q1 and the lower main switching transistor Q2, respectively.
つまり、上側の主スイッチングトランジスタQ1のエミッタは下側の主スイッチングトランジスタQ2のコレクタに接続されており、また、転流用ダイオードD1,D2は、それぞれ、主スイッチングトランジスタQ1,Q2のエミッタ側からコレクタ側に電流を流せるように、アノード側がエミッタ側に、カソード側がコレクタ側に接続されている。さらに、上側の主スイッチングトランジスタQ1のコレクタは入力電源Viの正極側に接続されており、下側の主スイッチングトランジスタQ2のエミッタは入力電源Viの負極側(ここでは、グランド)に接続されている。 That is, the emitter of the upper main switching transistor Q1 is connected to the collector of the lower main switching transistor Q2, and the commutation diodes D1 and D2 are respectively connected from the emitter side to the collector side of the main switching transistors Q1 and Q2. Are connected to the emitter side and the cathode side to the collector side. Further, the collector of the upper main switching transistor Q1 is connected to the positive side of the input power source Vi, and the emitter of the lower main switching transistor Q2 is connected to the negative side (here, ground) of the input power source Vi. .
同様に、第二のブリッジ回路を構成するための主スイッチングトランジスタQ3,Q4に用いられるスイッチング素子も、IGBTなどのトランジスタによって形成される。DC/DCコンバータの第二のブリッジ回路としての主スイッチ動作を行う上側(つまり上アーム)の主スイッチングトランジスタQ3と下側(つまり下アーム)の主スイッチングトランジスタQ4との2つのトランジスタは、直列に接続されており、さらに、上側の主スイッチングトランジスタQ3、下側の主スイッチングトランジスタQ4には、それぞれ、転流用ダイオードD3、転流用ダイオードD4が並列に接続されている。 Similarly, the switching elements used in the main switching transistors Q3 and Q4 for constituting the second bridge circuit are also formed by transistors such as IGBTs. Two transistors, an upper (that is, upper arm) main switching transistor Q3 and a lower (that is, lower arm) main switching transistor Q4 that perform a main switch operation as a second bridge circuit of the DC / DC converter, are connected in series. Further, a commutation diode D3 and a commutation diode D4 are connected in parallel to the upper main switching transistor Q3 and the lower main switching transistor Q4, respectively.
つまり、上側の主スイッチングトランジスタQ3のエミッタは下側の主スイッチングトランジスタQ4のコレクタに接続されており、また、転流用ダイオードD3,D4は、それぞれ、主スイッチングトランジスタQ3,Q4のエミッタ側からコレクタ側に電流を流せるように、アノード側がエミッタ側に、カソード側がコレクタ側に接続されている。さらに、上側の主スイッチングトランジスタQ3のコレクタは出力電圧端子Voの正極側に接続されており、下側の主スイッチングトランジスタQ4のエミッタは出力電圧端子Voの負極側つまり入力電源Viの負極側(ここでは、グランド)に接続されている。 That is, the emitter of the upper main switching transistor Q3 is connected to the collector of the lower main switching transistor Q4, and the commutation diodes D3 and D4 are respectively connected from the emitter side to the collector side of the main switching transistors Q3 and Q4. Are connected to the emitter side and the cathode side to the collector side. Further, the collector of the upper main switching transistor Q3 is connected to the positive side of the output voltage terminal Vo, and the emitter of the lower main switching transistor Q4 is the negative side of the output voltage terminal Vo, that is, the negative side of the input power source Vi (here. Then, it is connected to the ground).
また、平滑用の主リアクトルLの一端は、第一のブリッジ回路を構成する上側の主スイッチングトランジスタQ1のエミッタと下側の主スイッチングトランジスタQ2のコレクタとの接続点e1に接続されている。そして、主リアクトルLの他端は、第二のブリッジ回路を構成する上側の主スイッチングトランジスタQ3のエミッタと下側の主スイッチングトランジスタQ4のコレクタとの接続点e2に接続されている。 One end of the smoothing main reactor L is connected to a connection point e1 between the emitter of the upper main switching transistor Q1 and the collector of the lower main switching transistor Q2 constituting the first bridge circuit. The other end of the main reactor L is connected to a connection point e2 between the emitter of the upper main switching transistor Q3 and the collector of the lower main switching transistor Q4 constituting the second bridge circuit.
また、第二のブリッジ回路を構成する上側の主スイッチングトランジスタQ3のコレクタは、平滑コンデンサCoの一方の端子とコンバータ出力端子の正極側の端子とに接続されており、コンバータ出力端子を通じて外部の負荷に対する電力が出力電圧Voとして供給される。また、第二のブリッジ回路を構成する下側の主スイッチングトランジスタQ4のエミッタは、平滑コンデンサCoの他方の端子および出力電圧Voの負極側の出力端子つまり入力電源Viの負極側と共通のグランドに落ちている。 The collector of the upper main switching transistor Q3 constituting the second bridge circuit is connected to one terminal of the smoothing capacitor Co and the positive terminal of the converter output terminal, and an external load is connected through the converter output terminal. Is supplied as an output voltage Vo. Further, the emitter of the lower main switching transistor Q4 constituting the second bridge circuit is connected to the same ground as the other terminal of the smoothing capacitor Co and the output terminal on the negative side of the output voltage Vo, that is, the negative side of the input power source Vi. falling.
また、第一のブリッジ回路を構成する上側の主スイッチングトランジスタQ1には、並列に、第一の共振コンデンサCr1と第一の補助スイッチSc1とからなる直列回路が第一の補助回路として接続されている。第一の補助スイッチSc1は、IGBTなどからなる第一の補助スイッチングトランジスタQSC1と第一の補助ダイオードDSC1とからなる並列回路であり、第一の補助ダイオードDSC1は、第一の補助スイッチングトランジスタQSC1のエミッタ側からコレクタ側に電流を流せるように、アノード側がエミッタ側に、カソード側がコレクタ側に接続されている。 In addition, a series circuit composed of a first resonance capacitor Cr1 and a first auxiliary switch Sc1 is connected in parallel as the first auxiliary circuit to the upper main switching transistor Q1 constituting the first bridge circuit. Yes. The first auxiliary switch Sc1 is a parallel circuit with the first auxiliary switching transistor Q SC1 made of IGBT comprising a first auxiliary diode D SC1 Prefecture, the first auxiliary diode D SC1, the first auxiliary switching is arranged to supply a current from the emitter side to the collector side of the transistor Q SC1, the anode side to the emitter side, the cathode side is connected to the collector side.
また、第一の補助ダイオードDSC1は、第一の補助スイッチングトランジスタQSC1がオフすると、入力電源Viの正極側から流れてくる電流を遮断することができるような向きに配置されており、第一の共振コンデンサCr1への充電電流の流入が阻止される。 The first auxiliary diode DSC1 is arranged in such a direction that the current flowing from the positive electrode side of the input power source Vi can be cut off when the first auxiliary switching transistor QSC1 is turned off. The charging current is prevented from flowing into one resonance capacitor Cr1.
同様に、第二のブリッジ回路を構成する上側の主スイッチングトランジスタQ3には、並列に、第二の共振コンデンサCr2と第二の補助スイッチSc2とからなる直列回路が第二の補助回路として接続されている。第二の補助スイッチSc2は、IGBTなどからなる第二の補助スイッチングトランジスタQSC2と第二の補助ダイオードDSC2とからなる並列回路であり、第二の補助ダイオードDSC2は、第二の補助スイッチングトランジスタQSC2のエミッタ側からコレクタ側に電流を流せるように、アノード側がエミッタ側に、カソード側がコレクタ側に接続されている。 Similarly, a series circuit including a second resonance capacitor Cr2 and a second auxiliary switch Sc2 is connected in parallel to the upper main switching transistor Q3 constituting the second bridge circuit as a second auxiliary circuit. ing. The second auxiliary switch Sc2 is a parallel circuit with the second auxiliary switching transistor Q SC2 made of IGBT consisting second auxiliary diode D SC2 Prefecture, second auxiliary diode D SC2, the second auxiliary switching The anode side is connected to the emitter side and the cathode side is connected to the collector side so that a current can flow from the emitter side to the collector side of the transistor QSC2 .
また、第二の補助ダイオードDSC2は、第二の補助スイッチングトランジスタQSC2がオフすると、入力電源Viの正極側から流れてくる電流を遮断できるような向きに配置されており、第二の共振コンデンサCr2への充電電流の流入が阻止される。 The second auxiliary diode DSC2 is arranged in such a direction that the current flowing from the positive electrode side of the input power source Vi can be cut off when the second auxiliary switching transistor QSC2 is turned off. The charging current is prevented from flowing into the capacitor Cr2.
また、主リアクトルLには、並列に、共振用の補助リアクトルLrと第三の補助スイッチSr1と第四の補助スイッチSr2とからなる直列回路が第三の補助回路として接続されている。第三の補助スイッチSr1と第四の補助スイッチSr2とは、双方で、双方向スイッチを形成しており、いずれか一方がオンすると、他方がオンした場合の方向とは異なる一方向に、それぞれ、補助リアクトルLrに流れる補助リアクトル電流Irを流すことができるように構成されている。 In addition, a series circuit including a resonance auxiliary reactor Lr, a third auxiliary switch Sr1, and a fourth auxiliary switch Sr2 is connected to the main reactor L in parallel as a third auxiliary circuit. Both the third auxiliary switch Sr1 and the fourth auxiliary switch Sr2 form a bidirectional switch, and when one of them is turned on, the direction is different from the direction when the other is turned on. The auxiliary reactor current Ir flowing through the auxiliary reactor Lr can be supplied.
ここで、第三の補助スイッチSr1と第四の補助スイッチSr2とは、いずれも、IGBTなどからなるトランジスタとダイオードとが並列に接続された回路であり、それぞれのダイオードは、IGBTなどからなるトランジスタのエミッタ側からコレクタ側に電流を流すことができるように、アノード側がエミッタ側に、カソード側がコレクタ側に接続されており、第三の補助スイッチSr1と第四の補助スイッチSr2とを直列に接続することによって、双方向スイッチを形成している。 Here, each of the third auxiliary switch Sr1 and the fourth auxiliary switch Sr2 is a circuit in which a transistor made of an IGBT or the like and a diode are connected in parallel, and each diode is a transistor made of an IGBT or the like. The anode side is connected to the emitter side and the cathode side is connected to the collector side so that a current can flow from the emitter side to the collector side, and the third auxiliary switch Sr1 and the fourth auxiliary switch Sr2 are connected in series. By doing so, a bidirectional switch is formed.
以下の説明では、暫定的に、第三の補助スイッチSr1をオンすると、補助リアクトルLrに流れる補助リアクトル電流Irの向きが、第二のブリッジ回路を構成する上側の主スイッチングトランジスタQ3のエミッタと下側の主スイッチングトランジスタQ4のコレクタとの接続点e2から、第一のブリッジ回路を構成する上側の主スイッチングトランジスタQ1のエミッタと下側の主スイッチングトランジスタQ2のコレクタとの接続点e1へと向かう方向になるものとする。一方、第四の補助スイッチSr2をオンすると、補助リアクトルLrに流れる補助リアクトル電流Irの向きが、逆向きになり、第一のブリッジ回路を構成する上側の主スイッチングトランジスタQ1のエミッタと下側の主スイッチングトランジスタQ2のコレクタとの接続点e1から、第二のブリッジ回路を構成する上側の主スイッチングトランジスタQ3のエミッタと下側の主スイッチングトランジスタQ4のコレクタとの接続点e2へと向かう方向になるものとする。 In the following description, when the third auxiliary switch Sr1 is turned on temporarily, the direction of the auxiliary reactor current Ir flowing through the auxiliary reactor Lr is different from that of the upper main switching transistor Q3 constituting the second bridge circuit. Direction from the connection point e2 with the collector of the main switching transistor Q4 on the side to the connection point e1 between the emitter of the upper main switching transistor Q1 and the collector of the lower main switching transistor Q2 constituting the first bridge circuit Shall be. On the other hand, when the fourth auxiliary switch Sr2 is turned on, the direction of the auxiliary reactor current Ir flowing through the auxiliary reactor Lr is reversed, and the emitter and the lower side of the upper main switching transistor Q1 constituting the first bridge circuit are reversed. From the connection point e1 with the collector of the main switching transistor Q2 toward the connection point e2 between the emitter of the upper main switching transistor Q3 and the collector of the lower main switching transistor Q4 constituting the second bridge circuit. Shall.
(第二の実施形態の動作)
次に、図5に示す本実施形態のDC/DCコンバータの動作の一例について、図6に示す動作波形および図7に示す電流経路に基づいて説明する。図6は、図5に示すDC/DCコンバータの動作の一例を説明するための波形図であり、主スイッチングトランジスタQ1〜Q4、および、第一の補助スイッチSc1、第二の補助スイッチSc2、第三の補助スイッチSr1をオン/オフさせるタイミングと、主リアクトル電流IL、補助リアクトル電流Ir、主スイッチングトランジスタQ1,Q2の接続点e1、主スイッチングトランジスタQ3,Q4の接続点e2それぞれの電圧Ve1,Ve2、主スイッチングトランジスタQ1〜Q4のコレクタ電流IQ1〜IQ4と転流用ダイオードD1〜D4に流れる電流ID1〜ID4との差分電流、および、第一の補助スイッチSc1、第二の補助スイッチSc2のコレクタ電流ISC1,ISC2の信号波形とを示している。
(Operation of Second Embodiment)
Next, an example of the operation of the DC / DC converter of this embodiment shown in FIG. 5 will be described based on the operation waveform shown in FIG. 6 and the current path shown in FIG. FIG. 6 is a waveform diagram for explaining an example of the operation of the DC / DC converter shown in FIG. 5, and includes main switching transistors Q1 to Q4, a first auxiliary switch Sc1, a second auxiliary switch Sc2, and a second auxiliary switch Sc2. The timing at which the three auxiliary switches Sr1 are turned on / off, and the voltages V e1 of the main reactor current I L , the auxiliary reactor current Ir, the connection point e1 of the main switching transistors Q1 and Q2, and the connection point e2 of the main switching transistors Q3 and Q4. , V e2 , the differential current between the collector currents I Q1 to I Q4 of the main switching transistors Q1 to Q4 and the currents I D1 to I D4 flowing through the commutation diodes D1 to D4 , and the first auxiliary switch Sc1, the second The signal waveforms of the collector currents I SC1 and I SC2 of the auxiliary switch Sc2 are shown.
また、図7は、図5に示すDC/DCコンバータの各動作状態において流れる電流の電流経路を説明するための模式図であり、各動作状態ごとにDC/DCコンバータ内に流れる電流経路を、図5の回路構成から抜き出すことによって示している。 FIG. 7 is a schematic diagram for explaining a current path of a current flowing in each operation state of the DC / DC converter shown in FIG. 5. A current path flowing in the DC / DC converter for each operation state is shown in FIG. It is shown by extracting from the circuit configuration of FIG.
なお、図6の主スイッチングトランジスタQ1,Q2のオン/オフ状態に示すように、第一のブリッジ回路を構成する主スイッチングトランジスタQ1,Q2は、あらかじめ設定された一定のスイッチング周期Tcycで、それぞれ、デューティ{d1−(Td/Tcyc)}、デューティ{(1−d1)−(Td/Tcyc)}で、交互に、オン/オフを繰り返すように、PWM制御される。ここに、d1は、第一のブリッジ回路本来のデューティを意味し、Tdは、第一のブリッジ回路を構成する主スイッチングトランジスタQ1,Q2が同時にオンしないように、両者のオン時間の間に設けられたデッドタイムを意味している。第一のブリッジ回路本来のデューティd1、デッドタイムTdは、出力電圧Voが目標出力電圧と一致するように制御される。 As shown in the on / off states of the main switching transistors Q1 and Q2 in FIG. 6, the main switching transistors Q1 and Q2 constituting the first bridge circuit are respectively set at a predetermined switching cycle Tcyc. With the duty {d1- (Td / Tcyc)} and the duty {(1-d1)-(Td / Tcyc)}, PWM control is performed so as to repeat the on / off alternately. Here, d1 means the original duty of the first bridge circuit, and Td is provided between both ON times so that the main switching transistors Q1 and Q2 constituting the first bridge circuit do not turn on at the same time. Means dead time. The original duty d1 and dead time Td of the first bridge circuit are controlled so that the output voltage Vo matches the target output voltage.
同様に、第二のブリッジ回路を構成する主スイッチングトランジスタQ3,Q4も、あらかじめ設定された一定のスイッチング周期Tcycで、それぞれ、デューティ{d2−(Td/Tcyc)},デューティ{(1−d2)−(Td/Tcyc)}で、交互に、オン/オフを繰り返すように、PWM制御される。ここに、d2は、第二のブリッジ回路本来のデューティを意味し、Tdは、第二のブリッジ回路を構成する主スイッチングトランジスタQ1,Q2が同時にオンしないように、両者のオン時間の間に設けられたデッドタイムを意味している。第二のブリッジ回路本来のデューティd2、デッドタイムTdは、出力電圧Voが目標出力電圧と一致するように制御される。 Similarly, the main switching transistors Q3 and Q4 constituting the second bridge circuit also have a duty {d2- (Td / Tcyc)} and a duty {(1-d2), respectively, with a predetermined switching cycle Tcyc set in advance. -(Td / Tcyc)}, and PWM control is performed so as to repeat ON / OFF alternately. Here, d2 means the original duty of the second bridge circuit, and Td is provided between both ON times so that the main switching transistors Q1 and Q2 constituting the second bridge circuit do not turn on at the same time. Means dead time. The original duty d2 and dead time Td of the second bridge circuit are controlled so that the output voltage Vo matches the target output voltage.
入力側の入力電源Viから出力側の出力電圧Voに対して電力を供給する力行動作の場合には、第一のブリッジ回路を構成する上側の主スイッチングトランジスタQ1と第二のブリッジ回路を構成する下側の主スイッチングトランジスタQ4とがオンする時点、および、第一のブリッジ回路を構成する下側の主スイッチングトランジスタQ2と第二のブリッジ回路を構成する上側の主スイッチングトランジスタQ3とがオフする時点をそれぞれ同期させるように制御する。 In the case of a power running operation in which power is supplied from the input power supply Vi on the input side to the output voltage Vo on the output side, the upper main switching transistor Q1 constituting the first bridge circuit and the second bridge circuit are constituted. When the lower main switching transistor Q4 is turned on and when the lower main switching transistor Q2 constituting the first bridge circuit and the upper main switching transistor Q3 constituting the second bridge circuit are turned off Are controlled to be synchronized with each other.
一方、出力側の出力電圧Voから入力側の入力電源Viに対して電力を供給する回生動作の場合には、第一のブリッジ回路を構成する下側の主スイッチングトランジスタQ2と第二のブリッジ回路を構成する上側の主スイッチングトランジスタQ3とがオンする時点、および、第一のブリッジ回路を構成する上側の主スイッチングトランジスタQ1と第二のブリッジ回路を構成する下側の主スイッチングトランジスタQ4とがオフする時点をそれぞれ同期させるように制御する。 On the other hand, in the case of the regenerative operation in which power is supplied from the output voltage Vo on the output side to the input power source Vi on the input side, the lower main switching transistor Q2 and the second bridge circuit constituting the first bridge circuit. And when the upper main switching transistor Q3 constituting the first bridge circuit and the lower main switching transistor Q4 constituting the second bridge circuit are turned off. It controls to synchronize each time to do.
さらに、力行動作時には、第一のブリッジ回路を構成する上側の主スイッチングトランジスタQ1と第二のブリッジ回路を構成する下側の主スイッチングトランジスタQ4とがオンする前のデッドタイムTd中に、また、回生動作時には、第一のブリッジ回路を構成する下側の主スイッチングトランジスタQ2と第二のブリッジ回路を構成する上側の主スイッチングトランジスタQ3とがオンする前のデッドタイムTd中に、それぞれの動作時における共振作用によって、共振コンデンサCr1,Cr2に蓄積されている電荷が充放電されて、両端電圧が入れ替わるように、第三の補助回路を形成している第三の補助スイッチSr1、第四の補助スイッチSr2を制御する。この結果として、スイッチング動作を行おうとする側の主スイッチングトランジスタの両端電圧が0Vになり、ゼロ電圧スイッチング動作を行うことが可能となる。 Further, during the power running operation, during the dead time Td before the upper main switching transistor Q1 constituting the first bridge circuit and the lower main switching transistor Q4 constituting the second bridge circuit are turned on, During the regenerative operation, during the dead time Td before the lower main switching transistor Q2 constituting the first bridge circuit and the upper main switching transistor Q3 constituting the second bridge circuit are turned on, The third auxiliary switch Sr1, which forms the third auxiliary circuit, and the fourth auxiliary so that the charges accumulated in the resonance capacitors Cr1 and Cr2 are charged and discharged by the resonance action in FIG. The switch Sr2 is controlled. As a result, the voltage across the main switching transistor on the side on which the switching operation is to be performed becomes 0 V, and the zero voltage switching operation can be performed.
また、第一の補助スイッチSc1および第二の補助スイッチSc2をオン/オフする期間は、主リアクトルLに流れる主リアクトル電流ILと入力電圧Viと出力電圧Voとから、DC/DCコンバータ内に発生するスイッチング損失を推定した結果に基づいて制御される。 The first auxiliary switch Sc1 and the second auxiliary switch Sc2 are turned on / off from the main reactor current IL flowing through the main reactor L , the input voltage Vi, and the output voltage Vo in the DC / DC converter. Control is performed based on the result of estimating the generated switching loss.
つまり、第一の補助スイッチSc1は、第一のブリッジ回路を構成する主スイッチングトランジスタQ1,Q2と同じスイッチング周期Tcycによってパルス駆動されて、オン/オフを繰り返す。ここで、第一の補助スイッチSc1は、上側の主スイッチングトランジスタQ1がオンしている区間内にターンオンされる。また、第一の補助スイッチSc1は、上側の主スイッチングトランジスタQ1がオンからオフに切り替わってから下側の主スイッチングトランジスタQ2がオンするまでのデッドタイムTd中の区間内にターンオフされる。 That is, the first auxiliary switch Sc1 is pulse-driven by the same switching cycle Tcyc as the main switching transistors Q1 and Q2 constituting the first bridge circuit, and is repeatedly turned on / off. Here, the first auxiliary switch Sc1 is turned on in a section in which the upper main switching transistor Q1 is on. Further, the first auxiliary switch Sc1 is turned off in a section during the dead time Td from when the upper main switching transistor Q1 is switched from on to off until the lower main switching transistor Q2 is turned on.
ここで、もし、第一のブリッジ回路を構成する下側の主スイッチングトランジスタQ2に並列に第一の共振コンデンサCr1と第一の補助スイッチSc1とが接続されている場合には、下側の主スイッチングトランジスタQ2に並列接続された第一の補助スイッチSc1をオンする時点が、下側の主スイッチングトランジスタQ2がオンの期間内であり、下側の主スイッチングトランジスタQ2に並列接続された第一の補助スイッチSc1をオフする時点が、下側の主スイッチングトランジスタQ2がオンからオフした後、上側の主スイッチングトランジスタQ1がオンする直前に設けられているデッドタイムTdの期間内となる。 Here, if the first resonance capacitor Cr1 and the first auxiliary switch Sc1 are connected in parallel to the lower main switching transistor Q2 constituting the first bridge circuit, the lower main switching transistor Q2 is connected. The time when the first auxiliary switch Sc1 connected in parallel to the switching transistor Q2 is turned on is within the period when the lower main switching transistor Q2 is on, and the first auxiliary switch Sc1 connected in parallel to the lower main switching transistor Q2 is turned on. The time point when the auxiliary switch Sc1 is turned off is within the period of the dead time Td provided immediately after the lower main switching transistor Q2 is turned on after the lower main switching transistor Q2 is turned off.
図6に示す例においては、上側の主スイッチングトランジスタQ1がオンしてから第一の補助スイッチSc1がオンするまでの時間をΔTSc1_onとし、上側の主スイッチングトランジスタQ1がオフしてから第一の補助スイッチSc1がオフするまでの時間をΔTSc1_offと定義している。 In the example shown in FIG. 6, the time from when the upper main switching transistor Q1 is turned on to when the first auxiliary switch Sc1 is turned on is ΔTSc1_on, and after the upper main switching transistor Q1 is turned off, the first auxiliary switch is turned on. The time until the switch Sc1 is turned off is defined as ΔTSc1_off.
同様に、第二の補助スイッチSc2は、第二のブリッジ回路を構成する主スイッチングトランジスタQ3,Q4と同じスイッチング周期Tcycによってパルス駆動されて、オン/オフを繰り返す。ここで、第二の補助スイッチSc2は、上側の主スイッチングトランジスタQ3がオンしている区間内にターンオンされる。また、第二の補助スイッチSc2は、上側の主スイッチングトランジスタQ3がオンからオフに切り替わってから下側の主スイッチングトランジスタQ4がオンするまでのデッドタイムTd中の区間内にターンオフされる。 Similarly, the second auxiliary switch Sc2 is pulse-driven by the same switching cycle Tcyc as the main switching transistors Q3 and Q4 constituting the second bridge circuit, and is repeatedly turned on / off. Here, the second auxiliary switch Sc2 is turned on in a section in which the upper main switching transistor Q3 is on. Further, the second auxiliary switch Sc2 is turned off in a section during the dead time Td from when the upper main switching transistor Q3 is switched from on to off until the lower main switching transistor Q4 is turned on.
ここで、もし、第二のブリッジ回路を構成する下側の主スイッチングトランジスタQ4に並列に第二の共振コンデンサCr2と第二の補助スイッチSc2とが接続されている場合には、下側の主スイッチングトランジスタQ4に並列接続された第二の補助スイッチSc2をオンする時点が、下側の主スイッチングトランジスタQ4がオンの期間内であり、下側の主スイッチングトランジスタQ4に並列接続された第二の補助スイッチSc2をオフする時点が、下側の主スイッチングトランジスタQ4がオンからオフした後、上側の主スイッチングトランジスタQ3がオンする直前に設けられているデッドタイムTdの期間内となる。 Here, if the second resonance capacitor Cr2 and the second auxiliary switch Sc2 are connected in parallel to the lower main switching transistor Q4 constituting the second bridge circuit, the lower main switching transistor Q4 is connected. The time when the second auxiliary switch Sc2 connected in parallel to the switching transistor Q4 is turned on is within the period in which the lower main switching transistor Q4 is on, and the second auxiliary switch Sc2 connected in parallel to the lower main switching transistor Q4. The time when the auxiliary switch Sc2 is turned off is within the period of the dead time Td provided immediately after the upper main switching transistor Q3 is turned on after the lower main switching transistor Q4 is turned off.
図6に示す例においては、上側の主スイッチングトランジスタQ3がオンしてから第二の補助スイッチSc2がオンするまでの時間をΔTSc2_onとし、上側の主スイッチングトランジスタQ3がオフしてから第二の補助スイッチSc2がオフするまでの時間をΔTSc2_offと定義している。 In the example shown in FIG. 6, the time from when the upper main switching transistor Q3 is turned on to when the second auxiliary switch Sc2 is turned on is ΔTSc2_on, and after the upper main switching transistor Q3 is turned off, the second auxiliary switch is turned on. The time until the switch Sc2 is turned off is defined as ΔTSc2_off.
また、第三の補助回路を形成している第三、第四の補助スイッチSr1、Sr2についても、主スイッチングトランジスタQ1〜Q4と同じスイッチング周期Tcycによってパルス駆動され、主リアクトル電流ILと入力電圧Viと出力電圧Voとから、オン/オフする期間が決定される。 The third form a third auxiliary circuit, a fourth auxiliary switch Sr1, the Sr2 also be pulsed by the same switching cycle Tcyc and the main switching transistor Q1 to Q4, the main reactor current I L and the input voltage The on / off period is determined from Vi and the output voltage Vo.
入力側から出力側に電力を供給する力行動作時においては、第三の補助スイッチSr1は、第一のブリッジ回路を構成する上側の主スイッチングトランジスタQ1がオフしてから下側の主スイッチングトランジスタQ2がオフするまでの区間内にターンオンされることにより、共振するために十分な補助リアクトル電流Irを流すことができるようにする。そして、第三の補助スイッチSr1は、補助リアクトル電流Irが、共振動作後に、0Aになった後、上側の主スイッチングトランジスタQ1がオンされている区間内にターンオフされる。 In a powering operation for supplying power from the input side to the output side, the third auxiliary switch Sr1 has the lower main switching transistor Q2 after the upper main switching transistor Q1 constituting the first bridge circuit is turned off. Is turned on in the interval until the power is turned off, so that a sufficient auxiliary reactor current Ir can be supplied to resonate. The third auxiliary switch Sr1 is turned off in a section in which the upper main switching transistor Q1 is turned on after the auxiliary reactor current Ir becomes 0 A after the resonance operation.
一方、出力側から入力側に電力を供給する回生動作時においては、第四の補助スイッチSr2は、第二のブリッジ回路を構成する上側の主スイッチングトランジスタQ3がオフしてから下側の主スイッチングトランジスタQ4がオフするまでの区間内にターンオンされることにより、共振するために十分な補助リアクトル電流Irを流すことができるようにする。そして、補助リアクトル電流Irが、共振動作後に、0Aになった後、上側の主スイッチングトランジスタQ3がオンされている区間内にターンオフされる。 On the other hand, during the regenerative operation in which power is supplied from the output side to the input side, the fourth auxiliary switch Sr2 is configured so that the lower main switching is performed after the upper main switching transistor Q3 constituting the second bridge circuit is turned off. When the transistor Q4 is turned on during the period until it is turned off, the auxiliary reactor current Ir sufficient to resonate can flow. Then, after the auxiliary reactor current Ir becomes 0 A after the resonance operation, the auxiliary reactor current Ir is turned off in a section in which the upper main switching transistor Q3 is turned on.
以下、図6の波形図、図7の模式図に沿って、図5のDC/DCコンバータ(フルブリッジ型の昇降圧型双方向コンバータ回路)における昇圧力行動作の場合を例にとってさらに説明する。 In the following, the case of the boosting power running operation in the DC / DC converter (full-bridge type step-up / step-down bidirectional converter circuit) of FIG. 5 will be further described with reference to the waveform diagram of FIG.
まず、最初に、第一のブリッジ回路の上側の主スイッチングトランジスタQ1および第二のブリッジ回路の上側の主スイッチングトランジスタQ3がオンで、かつ、第一の補助スイッチSc1および第二の補助スイッチSc2がオンであり、かつ、第三の補助スイッチSr1および第四の補助スイッチSr2がオフの状態にあって、図7の状態1に示す電流経路で、第一のブリッジ回路の上側の主スイッチングトランジスタQ1から、主リアクトルLを経由して、第二のブリッジ回路の上側の主スイッチングトランジスタQ3に並列接続されている転流用ダイオードD3から負荷側へと電流が流れているものとする。
First, first, the upper main switching transistor Q1 of the first bridge circuit and the upper main switching transistor Q3 of the second bridge circuit are turned on, and the first auxiliary switch Sc1 and the second auxiliary switch Sc2 are turned on. The main switching transistor Q1 on the upper side of the first bridge circuit in the current path shown in the
次いで、図6の時刻t1において、第一のブリッジ回路の上側の主スイッチングトランジスタQ1がターンオフする。すると、図7の状態2に示すように、入力電源Viの正極側から第一の補助スイッチSc1を通って、第一の共振コンデンサCr1に充電電流が流れる。このときの充電電流は、リアクトル電流IL(時刻t1)の電流値と等しい。上側の主スイッチングトランジスタQ1がターンオフすると、上側の主スイッチングトランジスタQ1のコレクタ電流IQ1は、図6に示すように、急峻に0Aになるが、主スイッチングトランジスタQ1のコレクタ−エミッタ間電圧VQ1は、図6の接続点e1の電圧Ve1の変化に示すように、第一の共振コンデンサCr1への充電に伴い、0Vからゆっくりと上昇するので、ゼロ電圧スイッチング動作となり、スイッチング損失を大幅に低減することができる。
Next, at time t1 in FIG. 6, the upper main switching transistor Q1 of the first bridge circuit is turned off. Then, as shown in the
しかる後、時間ΔTSc1_offだけ経過した時刻t2(=t1+ΔTSc1_off)において、第一の補助スイッチSc1がオフされる。この時、第一の共振コンデンサCr1は、その時点までの充電電流による電荷がチャージされた状態で、図7の状態3に示すように、主電流経路から遮断されて、転流が生じ、下側の主スイッチングトランジスタQ2に並列接続されている転流用ダイオードD2を通じて、リアクトル電流ILが流れるようになる。
Thereafter, at the time t2 (= t1 + ΔTSc1_off) when the time ΔTSc1_off has elapsed, the first auxiliary switch Sc1 is turned off. At this time, the first resonance capacitor Cr1 is charged from the charging current up to that point, and is cut off from the main current path as shown in
もし、DC/DCコンバータの出力電流が大きく、上側の主スイッチングトランジスタQ1がオフしてから第一の補助スイッチSc1がオフするまでの時間ΔTSc1_offが、第一の共振コンデンサCr1の両端電圧として、(入力電源電圧Vi+転流用ダイオードD2の順方向電圧)以上の電圧に達するまで、電荷をチャージすることができる時間であった場合には、時刻t2に至る前に、主リアクトル電流ILは、転流用ダイオードD2側へと転流することになる。このような場合には、下側の主スイッチングトランジスタQ2に並列接続されている転流用ダイオードD2、第一の補助スイッチSc1の第一の補助スイッチングトランジスタQSC1は、ゼロ電圧スイッチング動作になる。 If the output current of the DC / DC converter is large and the time ΔTSc1_off from when the upper main switching transistor Q1 is turned off to when the first auxiliary switch Sc1 is turned off is the voltage across the first resonant capacitor Cr1 ( until it reaches the forward voltage) voltage above the input supply voltage Vi + commutating diode D2, if it is able was the time to charge the charge, before reaching the time t2, the main reactor current I L, rolling It will commutate to the diversion diode D2. In such a case, the commutating diode D2 connected in parallel with the main switching transistor Q2 of the lower, first auxiliary switching transistor Q SC1 of the first auxiliary switch Sc1 becomes zero voltage switching operation.
一方、出力電圧Voが入力電源電圧Viに近く、DC/DCコンバータの出力電流が小さい軽負荷時の場合のように、上側の主スイッチングトランジスタQ1がオフしてから第一の補助スイッチSc1がオフするまでの時間ΔTSc1_offの時間内に、第一の共振コンデンサCr1を十分にチャージすることができていない場合には、転流用ダイオードD2および第一の補助スイッチSc1の第一の補助スイッチングトランジスタQSC1は、ハードスイッチング動作になり、スイッチング損失が発生する。しかし、転流用ダイオードD2の逆方向電圧は、入力電源電圧Viよりも第一の共振コンデンサCr1にチャージされた電圧分だけ低くなっている。このため、転流用ダイオードD2および第一の補助スイッチングトランジスタQSC1において発生するスイッチング損失は、主スイッチングトランジスタQ1をハードスイッチング動作によりオフした場合と比較して低減することができる。 On the other hand, the first auxiliary switch Sc1 is turned off after the upper main switching transistor Q1 is turned off, as in the case of a light load where the output voltage Vo is close to the input power supply voltage Vi and the output current of the DC / DC converter is small. If the first resonant capacitor Cr1 cannot be sufficiently charged within the time ΔTSc1_off until the commutation, the commutation diode D2 and the first auxiliary switching transistor Q SC1 of the first auxiliary switch Sc1 are used. Becomes a hard switching operation, and a switching loss occurs. However, the reverse voltage of the commutation diode D2 is lower than the input power supply voltage Vi by the voltage charged in the first resonance capacitor Cr1. For this reason, the switching loss generated in the commutation diode D2 and the first auxiliary switching transistor QSC1 can be reduced as compared with the case where the main switching transistor Q1 is turned off by the hard switching operation.
しかる後、下側の主スイッチングトランジスタQ2がオンされる。この時点では、第一の共振コンデンサCr1は、第一の補助スイッチSc1によって主電流経路から切り離されているので、従来技術とは異なり、第一の共振コンデンサCr1への充電のためのサージ電流は発生せずに、下側の主スイッチングトランジスタQ3をオンさせることができ、図7の状態3に示したような電流経路で、下側の主スイッチングトランジスタQ3に並列接続されている転流用ダイオードD2を通じて、リアクトル電流ILが流れ続ける。
Thereafter, the lower main switching transistor Q2 is turned on. At this time, since the first resonance capacitor Cr1 is disconnected from the main current path by the first auxiliary switch Sc1, unlike the prior art, the surge current for charging the first resonance capacitor Cr1 is The lower main switching transistor Q3 can be turned on without being generated, and the commutation diode D2 is connected in parallel to the lower main switching transistor Q3 through the current path shown in the
さらに、時刻t3になると、力行動作時には、第三の補助スイッチSr1がオンされる。これにより、図7の状態4に示すように、補助リアクトルLrに補助リアクトル電流Irが流れ始める。補助リアクトルLrには、出力電圧Voがバイアスされており、補助リアクトル電流Irは、図6に示すように、時間の経過とともに、増加する。なお、時刻t3のタイミングは、主リアクトル電流IL、コンバータ入出力電圧Vi,Voをセンサで検知して、共振スイッチングに必要な補助リアクトル電流Irを流せるように、マイコンなどによって構成される制御部(図5には図示していない)が決定するものである。
Furthermore, at time t3, the third auxiliary switch Sr1 is turned on during the power running operation. Thereby, as shown in the
その後、図6に示すように、補助リアクトル電流Irは主リアクトル電流ILよりも大きくなり、その結果、図7の状態4において、オンになっている第一のブリッジ回路の下側の主スイッチングトランジスタQ2と第二のブリッジ回路の上側の主スイッチングトランジスタQ3とを通じて電流が流れるようになる。
Thereafter, as shown in FIG. 6, the auxiliary reactor current Ir is larger than the main reactor current I L, as a result, in the
このような状態で、時刻t4になると、第一のブリッジ回路を構成する下側の主スイッチングトランジスタQ2と第二のブリッジ回路の上側の主スイッチングトランジスタQ3がオフされる。すると、それまで、主スイッチングトランジスタQ2、主スイッチングトランジスタQ3に流れていた電流(=補助リアクトル電流Ir−主リアクトル電流IL)は、転流して、図7の状態5に示すように、第二の共振コンデンサCr2、第二の補助スイッチSc2の第二の補助スイッチングトランジスタQSC2、および、第一の共振コンデンサCr1、第一の補助スイッチSc1の第一の補助ダイオードDSC1を通って、入力電源Viへ回生される方向へと流れる。この時、第一の共振コンデンサCr1、第二の共振コンデンサCr2と補助リアクトルLrとは共振している。
In this state, at time t4, the lower main switching transistor Q2 constituting the first bridge circuit and the upper main switching transistor Q3 constituting the second bridge circuit are turned off. Then, so far, the main switching transistor Q2, the main switching transistor Q3 to flow though current (= auxiliary reactor current Ir- main reactor current I L) is commutated, as shown in the
第一の共振コンデンサCr1、第二の共振コンデンサCr2と補助リアクトルLrとの共振中に、第一の共振コンデンサCr1からは時刻t1〜時刻t2の間にチャージされた電荷が放電され、一方、第二の共振コンデンサCr2は充電されることになる。 During the resonance of the first resonance capacitor Cr1, the second resonance capacitor Cr2 and the auxiliary reactor Lr, the charge charged between the time t1 and the time t2 is discharged from the first resonance capacitor Cr1, while the first resonance capacitor Cr1 The second resonance capacitor Cr2 is charged.
しかる後、第二のブリッジ回路を構成する下側の主スイッチングトランジスタQ4がオンする前のデッドタイムTdの区間中の時刻t5(=t4+ΔTSc2_off)において、第二の補助スイッチSc2がオフされる。この時点で、第二の共振コンデンサCr2に出力電圧Voの電圧に達するまでの充電が完了しているとすると、図7の状態6に示すように、転流用ダイオードD4を通じて電流が流れるようになり、第二の共振コンデンサCr2と補助リアクトルLrとの共振動作は完了する。 Thereafter, the second auxiliary switch Sc2 is turned off at time t5 (= t4 + ΔTSc2_off) during the dead time Td before the lower main switching transistor Q4 constituting the second bridge circuit is turned on. At this point, assuming that the second resonant capacitor Cr2 has been fully charged up to the output voltage Vo, current flows through the commutation diode D4 as shown in state 6 of FIG. The resonance operation of the second resonance capacitor Cr2 and the auxiliary reactor Lr is completed.
また、第一のブリッジ回路を構成する主スイッチングトランジスタQ1がオンする前のデッドタイムTdの区間中に、第一の共振コンデンサCr1の完全放電が完了すれば、図7の状態6に示すように、転流用ダイオードD1を通じて電流が流れるようになり、第一の共振コンデンサCr1と補助リアクトルLrとの共振動作は完了する。したがって、時刻t5のタイミングでは、主スイッチングトランジスタQ1のコレクタ−エミッタ間電圧VQ1、主スイッチングトランジスタQ4のコレクタ−エミッタ間電圧VQ4は、いずれも、0V近くまで低下している。 Also, if the complete discharge of the first resonant capacitor Cr1 is completed during the dead time Td before the main switching transistor Q1 constituting the first bridge circuit is turned on, as shown in the state 6 in FIG. Then, current flows through the commutation diode D1, and the resonance operation of the first resonance capacitor Cr1 and the auxiliary reactor Lr is completed. Therefore, at the timing of time t5, the collector-emitter voltage V Q1 of the main switching transistor Q1 and the collector-emitter voltage V Q4 of the main switching transistor Q4 both decrease to near 0V.
しかる後、時刻t6のタイミングで、電流が、転流用ダイオードD1および転流用ダイオードD4を通じて流れ続けている状態のまま、図7の状態7に示すように、第一のブリッジ回路を構成する上側の主スイッチングトランジスタQ1および第二のブリッジ回路を構成する下側の主スイッチングトランジスタQ4がオンされる。つまり、上側の主スイッチングトランジスタQ1、下側の主スイッチングトランジスタQ4のオンへの切り替え動作としては、ゼロ電圧スイッチング動作かつゼロ電流スイッチング動作が可能になる。
Thereafter, at the timing of time t6, while the current continues to flow through the commutation diode D1 and the commutation diode D4, as shown in the
なお、もし、第2の補助スイッチSc2をオフする時刻t5のタイミングにおいて、第二の共振コンデンサCr2の充電が完了していなければ、第二の共振コンデンサCr2の両端電圧が出力電圧Voよりも低い電圧Vcr2(時刻t5)のままで、第二の共振コンデンサCr2は、主電流回路から切り離されてしまい、しかる後に、転流用ダイオードD4を通じて電流が流れることになる。この結果、第二の補助スイッチングトランジスタQSC2と転流用ダイオードD4とは、ハードスイッチング動作になり、スイッチング損失が発生する。ただし、この場合も、第二の共振コンデンサCr2の充電電圧によって、第二の補助スイッチングトランジスタQSC2と転流用ダイオードD4とにかかるスイッチング素子間の両端電圧が抑えられるため、第二の補助スイッチングトランジスタQSC2と転流用ダイオードD4とにおいて発生するスイッチング損失は、主スイッチングトランジスタQ3をハードスイッチング動作した場合よりも低く抑えることが可能である。 Note that if the charging of the second resonance capacitor Cr2 is not completed at the time t5 when the second auxiliary switch Sc2 is turned off, the voltage across the second resonance capacitor Cr2 is lower than the output voltage Vo. With the voltage Vcr2 (time t5), the second resonant capacitor Cr2 is disconnected from the main current circuit, and then a current flows through the commutation diode D4. As a result, the second auxiliary switching transistor QSC2 and the commutation diode D4 perform a hard switching operation, and a switching loss occurs. However, even in this case, the charging voltage of the second resonance capacitor Cr2, since the voltage across the inter-switching element according to the second auxiliary switching transistor Q SC2 and commutating diode D4 is suppressed, the second auxiliary switching transistor The switching loss that occurs in QSC2 and commutation diode D4 can be kept lower than when the main switching transistor Q3 is hard-switched.
その後、補助リアクトルLrに流れる補助リアクトル電流Irは、入力電源電圧Viの電圧で逆方向にバイアスされるので、図6に示すように、徐々に減少していく。時刻t7以降において、補助リアクトルLrに流れる補助リアクトル電流Irが主リアクトルLに流れる主リアクトル電流ILよりも減少すると、転流が生じ、図7の状態8に示すように、電流は、第一のブリッジ回路を構成する上側の主スイッチングトランジスタQ1から主リアクトルLを経由して第二のブリッジ回路を構成する下側の主スイッチングトランジスタQ4を通じて流れるようになる。
Thereafter, the auxiliary reactor current Ir flowing through the auxiliary reactor Lr is biased in the reverse direction by the voltage of the input power supply voltage Vi, and therefore gradually decreases as shown in FIG. After time t7, when the auxiliary reactor current Ir flowing through the auxiliary reactor Lr is smaller than the main reactor current IL flowing through the main reactor L , commutation occurs, and as shown in the
しかる後、時刻t8になって、補助リアクトル電流Irが一旦0Aになると、片方向スイッチである第三の補助スイッチSr1によって、主電流経路に流れる逆方向電流が阻止されて、補助リアクトル電流Irは、以降、0Aのまま維持され、図7の状態8に示すように、補助リアクトルLrと第三の補助スイッチSr1と第四の補助スイッチSr2とからなる直列回路が第三の補助回路は、主電流経路から完全に切り離される。この結果、上側の主スイッチングトランジスタQ1および第二のブリッジ回路を構成する下側の主スイッチングトランジスタQ4に流れる電流は、主リアクトルに流れる主リアクトル電流ILと等しくなる。なお、時刻t8以降、第一のブリッジ回路を構成する上側の主スイッチングトランジスタQ1をオフするタイミングまでの間に、第三の補助スイッチSr1をオフすることによって、ゼロ電流スイッチング動作が可能である。
Thereafter, at time t8, when the auxiliary reactor current Ir becomes 0A once, the reverse current flowing in the main current path is blocked by the third auxiliary switch Sr1 which is a one-way switch, and the auxiliary reactor current Ir is Thereafter, 0A is maintained, and as shown in the
次に、時刻t9において、第二のブリッジ回路を構成する下側の主スイッチングトランジスタQ4がオフされる。すると、主リアクトル電流ILが、図7の状態9に示すように、第二の共振コンデンサCr2と第二の補助ダイオードDSC2とを通って、コンバータ出力端子側に流れる。この結果、第二の共振コンデンサCr2にチャージされている電荷は放電される。
Next, at time t9, the lower main switching transistor Q4 constituting the second bridge circuit is turned off. Then, the main reactor current I L, as shown in the
第二の共振コンデンサCr2の電荷が完全に放電すると、主リアクトル電流ILは、第二のブリッジ回路を構成する転流用ダイオードD3を流れるようになる。この結果、時刻t10において、第二のブリッジ回路を構成する上側の主スイッチングトランジスタQ3をオンすると、ゼロ電圧スイッチング動作の動作になる。 When the charge of the second resonant capacitor Cr2 is fully discharged, the main reactor current I L will flow through the commutating diode D3 constituting the second bridge circuit. As a result, when the upper main switching transistor Q3 constituting the second bridge circuit is turned on at time t10, a zero voltage switching operation is performed.
なお、コンバータ出力電流が小さい場合には、第二の共振コンデンサCr2の電荷を完全に放電できないことが懸念される。しかし、先立って、第二の共振コンデンサCr2への充電が完了する時刻t5つまり第二の補助スイッチSc2をオフする時刻t5を制御するようにすれば、第二の共振コンデンサCr2の残留電荷量Qcr2{=(Cr2の容量)×(Cr2の両端電圧Vcr2(t5))}を調節することができる。 If the converter output current is small, there is a concern that the charge of the second resonance capacitor Cr2 cannot be completely discharged. However, if the time t5 when the charging of the second resonance capacitor Cr2 is completed, that is, the time t5 when the second auxiliary switch Sc2 is turned off is controlled in advance, the residual charge amount Q of the second resonance capacitor Cr2 is controlled. cr2 {= (capacity of Cr2) × (voltage across Cr2 Vcr2 (t5))} can be adjusted.
具体的には、主リアクトル電流ILとコンバータ入出力電圧Vi,Voとをセンサで検知し、マイコンなどによって構成される制御部(図5には図示していない)によって、共振コンデンサCr2の残留電荷量Qcr2が、時刻t10において上側の主スイッチングトランジスタQ3のゼロ電圧スイッチング動作スイッチングが可能となるように、第二のブリッジ回路を構成する上側の主スイッチングトランジスタQ3がオフしてから第二の補助スイッチSc2がオフするまでの時間ΔTSc2_offを求めて、時刻t5(=t4+ΔTSc2_off)のタイミングで、第二の補助スイッチSc2をオフすれば良い。 Specifically, the main reactor current I L and the converter output voltage Vi, and Vo is detected by the sensor, the control unit constituted by a microcomputer by (not shown in FIG. 5), the residual of the resonant capacitor Cr2 After the upper main switching transistor Q3 constituting the second bridge circuit is turned off, the second main switching transistor Q3 is turned off so that the charge amount Q cr2 can be switched to zero voltage switching operation of the upper main switching transistor Q3 at time t10. A time ΔTSc2_off until the auxiliary switch Sc2 is turned off is obtained, and the second auxiliary switch Sc2 may be turned off at the timing of time t5 (= t4 + ΔTSc2_off).
その後、時刻t10において上側の主スイッチングトランジスタQ3がオンしてから、第二の補助スイッチSc2がオンするまでの時間ΔTSc2_onが経過した後に、第二の補助スイッチSc2をオンする。この時、第二の共振コンデンサCr2は、完全に放電が終了した後であるので、第二の補助スイッチSc2は、ゼロ電流・ゼロ電圧スイッチング動作になる。 Thereafter, the second auxiliary switch Sc2 is turned on after a time ΔTSc2_on from when the upper main switching transistor Q3 is turned on at the time t10 to when the second auxiliary switch Sc2 is turned on has elapsed. At this time, since the second resonant capacitor Cr2 is completely discharged, the second auxiliary switch Sc2 performs a zero current / zero voltage switching operation.
しかる後、図7の状態1に復帰して、再び、前述のような動作を繰り返す。
Thereafter, the state returns to the
次に、図5に示すDC/DCコンバータの効果つまり動作範囲について、図8を用いて説明する。 Next, the effect, that is, the operating range of the DC / DC converter shown in FIG. 5 will be described with reference to FIG.
図8は、図5に示す本実施形態のDC/DCコンバータの出力電圧Voと出力電流Ioとの動作範囲を求めた特性図である。図8の特性図には、比較のために、前記特許文献1と同様の考え方で双方向昇降圧チョッパ回路を構成した場合の従来のDC/DCコンバータの動作範囲も含めて示している。
FIG. 8 is a characteristic diagram in which the operating range of the output voltage Vo and the output current Io of the DC / DC converter of this embodiment shown in FIG. 5 is obtained. For comparison, the characteristic diagram of FIG. 8 also includes the operation range of a conventional DC / DC converter in the case where a bidirectional buck-boost chopper circuit is configured based on the same concept as in
従来のDC/DCコンバータの場合、双方向昇降圧チョッパ回路の特性を、出力電流Ioが大きい高負荷側において最適になるように、第一、第二の共振コンデンサCr1,Cr2や補助リアクトルLの値を選んだ場合を示している。このため、逆に、軽負荷時においては、図8に示すように、ソフトスイッチング動作の不成立によるサージ電流とスイッチング損失の増大とによって、動作することができない領域が存在している。 In the case of a conventional DC / DC converter, the characteristics of the first and second resonance capacitors Cr1, Cr2 and the auxiliary reactor L are set so that the characteristics of the bidirectional buck-boost chopper circuit are optimized on the high load side where the output current Io is large. The case where a value is selected is shown. Therefore, conversely, at the time of light load, as shown in FIG. 8, there is a region where the operation cannot be performed due to the surge current and the increase of the switching loss due to the failure of the soft switching operation.
これに対して、本実施形態のDC/DCコンバータの場合には、図8に示すように、軽負荷から高負荷までのほぼ全域に亘って、広い動作電圧範囲で、DC/DCコンバータを動作させることができ、サージ電流を発生させることなく、スイッチング損失も低減させることができる。 On the other hand, in the case of the DC / DC converter of the present embodiment, as shown in FIG. 8, the DC / DC converter is operated in a wide operating voltage range over almost the entire region from a light load to a high load. The switching loss can be reduced without generating a surge current.
以上に詳述したように、本発明によるDC/DCコンバータを適用した本実施形態によれば、第一の補助スイッチSc1、第二の補助スイッチSc2によって、第一の共振コンデンサCr1、第二の共振コンデンサCr2を主電流経路から遮断することができるため、負荷状態によって、完全なソフトスイッチング条件が成立しない場合であっても、第一の共振コンデンサCr1、第二の共振コンデンサCr2の短絡に伴うサージ電流を抑えることが可能となり、スイッチング損失を低減し、DC/DCコンバータの動作範囲を拡大することが可能になる。 As described in detail above, according to this embodiment to which the DC / DC converter according to the present invention is applied, the first auxiliary capacitor Sc1 and the second auxiliary switch Sc2 are used to generate the first resonance capacitor Cr1 and the second resonance capacitor Cr1. Since the resonant capacitor Cr2 can be cut off from the main current path, even if the complete soft switching condition is not satisfied depending on the load state, the first resonant capacitor Cr1 and the second resonant capacitor Cr2 are short-circuited. Surge current can be suppressed, switching loss can be reduced, and the operating range of the DC / DC converter can be expanded.
なお、以上の本実施形態の説明においては、昇圧力行動作時の動作について説明したが、降圧力行動作時の動作であっても、デューティd1,d2の値が異なるだけであって、全く同様に、動作させることができる。 In the above description of the present embodiment, the operation during the boosting power running operation has been described. However, even in the operation during the descending pressure running operation, only the values of the duties d1 and d2 are different, and the operations are exactly the same. Can be operated.
また、昇圧回生動作、降圧回生動作の場合についても、前述の説明において、第一のブリッジ回路を構成する上側の主スイッチングトランジスタQ1と第二のブリッジ回路を構成する上側の主スイッチングトランジスタQ3、第一のブリッジ回路を構成する下側の主スイッチングトランジスタQ2と第二のブリッジ回路を構成する下側の主スイッチングトランジスタQ4、転流用ダイオードD1と転流用ダイオードD3、転流用ダイオードD2と転流用ダイオードD4、第一の補助スイッチSc1と第二の補助スイッチSc2、および、第三の補助スイッチSr1と第四の補助スイッチSr2、とを、それぞれ、読み替えれば、力行動作の場合と全く同じ動作になる。 Also in the case of the step-up regeneration operation and the step-down regeneration operation, in the above description, the upper main switching transistor Q1 constituting the first bridge circuit, the upper main switching transistor Q3 constituting the second bridge circuit, and the second Lower main switching transistor Q2 constituting one bridge circuit and lower main switching transistor Q4 constituting second bridge circuit, commutation diode D1 and commutation diode D3, commutation diode D2 and commutation diode D4 If the first auxiliary switch Sc1 and the second auxiliary switch Sc2, and the third auxiliary switch Sr1 and the fourth auxiliary switch Sr2 are read, the operation is exactly the same as in the power running operation. .
また、本実施形態においては、第一の共振コンデンサCr1と第一の補助スイッチSc1とを直列接続した第一の補助回路、第二の共振コンデンサCr2と第二の補助スイッチSc2とを直列接続した第二の補助回路を、それぞれ、第一のブリッジ回路を構成する上側の主スイッチングトランジスタQ1、第二のブリッジ回路を構成する上側の主スイッチングトランジスタQ3と並列に接続している例を説明したが、本発明は、かかる場合のみに限るわけではない。例えば、かくのごとき補助回路、すなわち、共振コンデンサとそれに直列に接続した補助スイッチとを、第一のブリッジ回路を構成する下側の主スイッチングトランジスタQ2、第二のブリッジ回路を構成する下側の主スイッチングトランジスタQ4と並列に接続しても良いし、また、主スイッチングトランジスタQ1〜Q4のすべてと、並列に接続しても良く、本質的には、前述した実施形態の場合と全く変わらなく、本発明によるDC/DCコンバータの具体的な構成範囲として包含される構成であることは自明である。 In the present embodiment, the first auxiliary circuit in which the first resonance capacitor Cr1 and the first auxiliary switch Sc1 are connected in series, and the second resonance capacitor Cr2 and the second auxiliary switch Sc2 are connected in series. The example in which the second auxiliary circuit is connected in parallel with the upper main switching transistor Q1 constituting the first bridge circuit and the upper main switching transistor Q3 constituting the second bridge circuit has been described. The present invention is not limited to such a case. For example, such an auxiliary circuit, that is, a resonant capacitor and an auxiliary switch connected in series to the lower main switching transistor Q2 constituting the first bridge circuit and the lower side constituting the second bridge circuit. It may be connected in parallel with the main switching transistor Q4, or may be connected in parallel with all of the main switching transistors Q1 to Q4, and is essentially the same as in the above-described embodiment, It is obvious that the configuration is included as a specific configuration range of the DC / DC converter according to the present invention.
Co…平滑コンデンサ、Cr1…第一の共振コンデンサ、Cr2…第二の共振コンデンサ、CU…共振コンデンサ、D1,D2,D3,D4…転流用ダイオード、DSC…補助ダイオード、DSC1…第一の補助ダイオード、DSC2…第二の補助ダイオード、DU,DL…転流用ダイオード、IL…主リアクトル電流、Ir…補助リアクトル電流、L…主リアクトル、Lr…補助リアクトル、Q1,Q2,Q3,Q4…主スイッチングトランジスタ、QSC…補助スイッチングトランジスタ、QSC1…第一の補助スイッチングトランジスタ、QSC2…第二の補助スイッチングトランジスタ、Sc…第一の補助スイッチ、Sc1…第一の補助スイッチ、Sc2…第二の補助スイッチ、Sr…第二の補助スイッチ、Sr1…第三の補助スイッチ、Sr2…第四の補助スイッチ、SU,SL…主スイッチングトランジスタ、Vi…入力電源、Vo…出力電圧。 Co ... smoothing capacitor, Cr1 ... first resonance capacitor, Cr2 ... second resonant capacitor, CU ... resonant capacitor, D1, D2, D3, D4 ... commutating diodes, D SC ... auxiliary diode, D SC1 ... first auxiliary diode, D SC2 ... second auxiliary diode, DU, DL ... commutating diodes, I L ... main reactor current, Ir ... auxiliary reactor current, L ... main reactor, Lr ... auxiliary reactor, Q1, Q2, Q3, Q4 ... main switching transistor, QSC ... auxiliary switching transistor, QSC1 ... first auxiliary switching transistor, QSC2 ... second auxiliary switching transistor, Sc ... first auxiliary switch, Sc1 ... first auxiliary switch, Sc2 ... Second auxiliary switch, Sr ... second auxiliary switch, Sr1 ... third auxiliary switch Auxiliary switch, Sr2 ... fourth auxiliary switch, SU, SL ... main switching transistor, Vi ... input power supply, Vo ... output voltage.
Claims (9)
前記上側の主スイッチングトランジスタ、前記下側の主スイッチングトランジスタ、前記第一の補助スイッチ、前記第二の補助スイッチのそれぞれのスイッチング周期が、同一であり、かつ、前記上側の主スイッチングトランジスタと前記下側の主スイッチングトランジスタとは、同時にはオンしないように、それぞれがオンする直前にデッドタイムが設けられており、
前記第一の補助スイッチをオン/オフする期間は、前記主リアクトルに流れる主アクトル電流と入力電圧と出力電圧とから、当該DC/DCコンバータ内に発生するスイッチング損失を推定した結果に基づいて制御されることを特徴とするDC/DCコンバータ。 A DC / DC converter that outputs a DC input voltage as power of a predetermined output voltage to an external load, and is an upper main circuit that constitutes a bridge circuit that is connected in series and alternately turned on / off in order to control power A commutation diode is connected in parallel to each of the switching transistor and the lower main switching transistor, and one end of a smoothing main reactor is connected to the upper main switching transistor and the lower main switching transistor. In the DC / DC converter that connects the other end of the main reactor to an output terminal and outputs an output voltage from the output terminal to the outside, the upper main switching transistor and / or the lower main switching A transistor with a resonance capacitor and a first auxiliary switch connected in series. Of an auxiliary circuit connected in parallel, and, in the main reactor, connected in parallel a second auxiliary circuit which connects the auxiliary reactor and a second auxiliary switch for resonance in series,
The switching cycles of the upper main switching transistor, the lower main switching transistor, the first auxiliary switch, and the second auxiliary switch are the same, and the upper main switching transistor and the lower main switching transistor are the same. The main switching transistor on the side is provided with a dead time immediately before turning on so as not to turn on at the same time,
The period during which the first auxiliary switch is turned on / off is controlled based on the result of estimating the switching loss generated in the DC / DC converter from the main reactor current flowing through the main reactor, the input voltage, and the output voltage. DC / DC converter characterized by being made .
前記第一のブリッジ回路を構成する前記上側の主スイッチングトランジスタおよび前記下側の主スイッチングトランジスタ、前記第二のブリッジ回路を構成する前記上側の主スイッチングトランジスタおよび前記下側の主スイッチングトランジスタ、前記第一の補助スイッチ、前記第二の補助スイッチ、前記第三の補助スイッチ、前記第四の補助スイッチのそれぞれのスイッチング周期が、同一であり、かつ、前記第一のブリッジ回路を構成する前記上側の主スイッチングトランジスタと前記下側の主スイッチングトランジスタとは、同時にはオンしないように、また、前記第二のブリッジ回路を構成する前記上側の主スイッチングトランジスタと前記下側の主スイッチングトランジスタとは、同時にはオンしないように、それぞれがオンする直前にデッドタイムが設けられており、
前記第一の補助スイッチおよび前記第二の補助スイッチをオン/オフする期間は、前記主リアクトルに流れる主アクトル電流と入力電圧と出力電圧とから、当該DC/DCコンバータ内に発生するスイッチング損失を推定した結果に基づいて制御されることを特徴とするDC/DCコンバータ。 A bi-directional DC / DC converter that converts power between a DC input voltage at an input terminal and an output voltage at an output terminal and outputs the converted voltage from one of the input / output terminals to the outside, and controls the power Therefore, two sets of an upper main switching transistor and a lower main switching transistor constituting each of the first bridge circuit on the input side and the second bridge circuit on the output side that are connected in series and alternately turned on / off are provided, A commutation diode is connected in parallel with each other, and one end of a smoothing main reactor is connected to a connection point between the upper main switching transistor and the lower main switching transistor constituting the first bridge circuit. And the other end of the main reactor is connected to the upper main switching transistor constituting the second bridge circuit and the lower main switch. In the DC / DC converter connected to the connection point with the switching transistor, a first resonance capacitor is connected to the upper main switching transistor and / or the lower main switching transistor constituting the first bridge circuit. A first auxiliary circuit connected in series with a first auxiliary switch is connected in parallel, and the upper main switching transistor and / or the lower main switching transistor constituting the second bridge circuit, A second auxiliary circuit in which a second resonance capacitor and a second auxiliary switch are connected in series is connected in parallel, and the main reactor is connected to a resonance auxiliary reactor, a third auxiliary switch, and a fourth auxiliary switch. Connect a third auxiliary circuit connected in series with the auxiliary switch in parallel ,
The upper main switching transistor and the lower main switching transistor constituting the first bridge circuit; the upper main switching transistor and the lower main switching transistor constituting the second bridge circuit; The switching periods of one auxiliary switch, the second auxiliary switch, the third auxiliary switch, and the fourth auxiliary switch are the same, and the upper bridge constituting the first bridge circuit The main switching transistor and the lower main switching transistor are not turned on at the same time, and the upper main switching transistor and the lower main switching transistor constituting the second bridge circuit are simultaneously Turn on so that they do not turn on Dead time is provided immediately before,
During the period in which the first auxiliary switch and the second auxiliary switch are turned on / off, the switching loss generated in the DC / DC converter is determined from the main reactor current flowing through the main reactor, the input voltage, and the output voltage. A DC / DC converter that is controlled based on an estimated result .
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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