JP5322858B2 - DC / DC converter - Google Patents

DC / DC converter

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JP5322858B2
JP5322858B2 JP2009201223A JP2009201223A JP5322858B2 JP 5322858 B2 JP5322858 B2 JP 5322858B2 JP 2009201223 A JP2009201223 A JP 2009201223A JP 2009201223 A JP2009201223 A JP 2009201223A JP 5322858 B2 JP5322858 B2 JP 5322858B2
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain a DC/DC converter that is operated even if an intermediate capacitor is opened to fail, sends energy equivalent to that when the DC/DC converter is normal even in the case of short-circuit failure, and can step up and down voltage. <P>SOLUTION: In the step-down operation, a change to a pattern for mutually and simultaneously turning on/off first and second switching elements S1, S2 is made when the open-circuit failure of the intermediate capacitor C1 is detected, and a change to a pattern for continuously keeping the second switching element S2 on and turning on/off the first switching element S1 is made when the short-circuit failure of the intermediate capacitor C1 is detected. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&amp;INPIT

Description

この発明は、直流電圧を昇圧あるいは降圧した直流電圧に変換する、DC/DCコンバータに関するものである。   The present invention relates to a DC / DC converter that converts a DC voltage into a DC voltage that is stepped up or stepped down.

従来のDC/DCコンバータは、スイッチング素子のオンオフ動作を利用して、コイルへのエネルギの蓄勢と放勢の量をコントロールして直流から直流への電圧変換を行っている。また、このコイルは大形で重いという課題があることから、中間コンデンサの充放電を利用してコイルに印加される電圧を低減し、そのコイルに必要なインダクタンス値を低減することによりコイルを小形、軽量化する技術が示されている(例えば、特許文献1参照)。   The conventional DC / DC converter performs the voltage conversion from direct current to direct current by controlling the amount of energy stored in and discharged from the coil by using the on / off operation of the switching element. In addition, since this coil has a problem that it is large and heavy, the voltage applied to the coil is reduced using charging / discharging of the intermediate capacitor, and the inductance value required for the coil is reduced, thereby reducing the size of the coil. A technique for reducing the weight is disclosed (for example, see Patent Document 1).

特公平6−67181号公報Japanese Examined Patent Publication No. 6-67181

しかし、従来のDC/DCコンバータの場合、その中間コンデンサが開放故障した場合は、電流経路がなくなることによって昇圧および降圧の動作が不可能となる。また、中間コンデンサが短絡故障を起こした場合、当該中間コンデンサは抵抗体となり、コイルとの協働でエネルギを送れなくなり、結果として昇圧および降圧の動作が不可能になるという課題があった。   However, in the case of the conventional DC / DC converter, when the intermediate capacitor has an open failure, the current path is lost and the boosting and stepping-down operations are impossible. In addition, when a short-circuit failure occurs in the intermediate capacitor, the intermediate capacitor becomes a resistor, and energy cannot be transmitted in cooperation with the coil, resulting in a problem that boosting and stepping down operations are impossible.

本発明は、上記のような課題を解消するためになされたものであり、中間コンデンサが開放故障した場合でもDC/DCコンバータを動作させ、また、短絡故障した場合でもDC/DCコンバータが故障していない状態と同等のエネルギを送れ、昇圧および降圧の動作が可能となるDC/DCコンバータを得ることを目的とする。   The present invention has been made in order to solve the above-described problems. The DC / DC converter is operated even when the intermediate capacitor has an open failure, and the DC / DC converter fails even when a short-circuit failure occurs. An object of the present invention is to obtain a DC / DC converter that can transmit energy equivalent to that of a non-powered state and can perform step-up and step-down operations.

この発明に係るDC/DCコンバータは、低圧側電圧を保持する低圧側平滑コンデンサ、負極側端子が低圧側平滑コンデンサの負極側端子に接続され高圧側電圧を保持する高圧側平滑コンデンサ、一端が低圧側平滑コンデンサの負極側端子に接続された第1の半導体素子アーム、一端が第1の半導体素子アームの他端に接続され他端がコイルを介して低圧側平滑コンデンサの正極側端子に接続された第2の半導体素子アーム、一端が第2の半導体素子アームの他端に接続された第3の半導体素子アーム、一端が第3の半導体素子アームの他端に接続され他端が高圧側平滑コンデンサの正極側端子に接続された第4の半導体素子アーム、および一端が第1の半導体素子アームと第2の半導体素子アームとの中間接続点に接続され他端が第3の半導体素子アームと第4の半導体素子アームとの中間接続点に接続された中間コンデンサを備え、
第1および第2の半導体素子アームにいずれもスイッチング素子とこのスイッチング素子と逆並列に接続されたダイオード素子との機能を持たせ、
第3および第4の半導体素子アームにいずれもダイオード素子の機能を持たせ、
第1および第2の半導体素子アームに持たせたスイッチング素子のオンオフスイッチング機能により、入力された低圧側平滑コンデンサの電圧を昇圧した電圧に変換して高圧側平滑コンデンサに出力する昇圧動作、または、
第3および第4の半導体素子アームにいずれもスイッチング素子とこのスイッチング素子と逆並列に接続されたダイオード素子との機能を持たせ、
第1および第2の半導体素子アームにいずれもダイオード素子の機能を持たせ、
第3および第4の半導体素子アームに持たせたスイッチング素子のオンオフスイッチング機能により、入力された高圧側平滑コンデンサの電圧を降圧した電圧に変換して低圧側平滑コンデンサに出力する降圧動作が可能なDC/DCコンバータにおいて、
中間コンデンサの開放故障または短絡故障を検出する手段を備え、開放故障または短絡故障が検出された場合、第1および第2の半導体素子アームまたは第3および第4の半導体素子アームに持たせたスイッチング素子のオンオフスイッチングパターンを正常時のパターンと異なる所定のパターンに変更することにより昇圧動作または降圧動作を継続可能としたものである。
A DC / DC converter according to the present invention includes a low-voltage side smoothing capacitor that holds a low-voltage side voltage, a negative-voltage side terminal connected to a negative-side terminal of the low-voltage side smoothing capacitor, and a high-voltage side smoothing capacitor that holds a high-voltage side voltage. A first semiconductor element arm connected to the negative terminal of the side smoothing capacitor, one end connected to the other end of the first semiconductor element arm, and the other end connected to the positive terminal of the low voltage side smoothing capacitor via the coil The second semiconductor element arm, one end connected to the other end of the second semiconductor element arm, the third semiconductor element arm connected to the other end of the third semiconductor element arm, and the other end connected to the high-voltage side smoother A fourth semiconductor element arm connected to the positive terminal of the capacitor, and one end connected to an intermediate connection point between the first semiconductor element arm and the second semiconductor element arm and the other end to the third half Comprising a body element arm and an intermediate capacitor connected to an intermediate connection point between the fourth semiconductor element arms,
Each of the first and second semiconductor element arms has a function of a switching element and a diode element connected in reverse parallel to the switching element,
Each of the third and fourth semiconductor element arms has a function of a diode element,
A step-up operation for converting the input voltage of the low-voltage side smoothing capacitor into a boosted voltage by the on / off switching function of the switching elements provided in the first and second semiconductor element arms, and outputting the boosted voltage to the high-voltage side smoothing capacitor;
Each of the third and fourth semiconductor element arms has a function of a switching element and a diode element connected in reverse parallel to the switching element,
Both the first and second semiconductor element arms have the function of a diode element,
By the on / off switching function of the switching element provided in the third and fourth semiconductor element arms, it is possible to perform a step-down operation in which the voltage of the input high-voltage side smoothing capacitor is converted to a step-down voltage and output to the low-voltage side smoothing capacitor. In the DC / DC converter,
Means for detecting an open-circuit failure or a short-circuit failure of the intermediate capacitor, and when the open-circuit failure or the short-circuit failure is detected, the switching provided to the first and second semiconductor element arms or the third and fourth semiconductor element arms The step-up operation or the step-down operation can be continued by changing the on / off switching pattern of the element to a predetermined pattern different from the normal pattern.

この発明は、以上のように、中間コンデンサに開放故障または短絡故障が生じた場合、第1および第2の半導体素子アームまたは第3および第4の半導体素子アームに持たせたスイッチング素子のオンオフスイッチングパターンを正常時のパターンと異なる所定のパターンに変更することにより昇圧動作または降圧動作を継続可能としたので、中間コンデンサの充電放電の機能に依拠することなく、昇圧動作または降圧動作が可能となる。   As described above, according to the present invention, when an open circuit fault or a short circuit fault occurs in the intermediate capacitor, the on / off switching of the switching element provided in the first and second semiconductor element arms or the third and fourth semiconductor element arms is performed. The step-up operation or step-down operation can be continued by changing the pattern to a predetermined pattern different from the normal pattern, so that step-up operation or step-down operation can be performed without relying on the charge / discharge function of the intermediate capacitor. .

本発明の実施の形態1におけるDC/DCコンバータの回路図である。It is a circuit diagram of the DC / DC converter in Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1におけるDC/DCコンバータの、出力電圧を入力電圧の2倍とする昇圧動作時のゲート信号と電圧波形とを示す図である。It is a figure which shows the gate signal and voltage waveform at the time of the pressure | voltage rise operation which makes an output voltage 2 times the input voltage of the DC / DC converter in Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1におけるDC/DCコンバータの、出力電圧を入力電圧の1倍以上2倍以下とする昇圧動作時のゲート信号と電圧波形とを示す図である。It is a figure which shows the gate signal and voltage waveform at the time of the pressure | voltage rise operation which makes the output voltage 1 time or more and 2 times or less of input voltage of the DC / DC converter in Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1におけるDC/DCコンバータの、出力電圧を入力電圧の2倍以上とする昇圧動作時のゲート信号と電圧波形とを示す図である。It is a figure which shows the gate signal and voltage waveform at the time of the pressure | voltage rise operation which makes the output voltage 2 times or more of input voltage of the DC / DC converter in Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1におけるDC/DCコンバータの中間コンデンサC1が開放故障した場合の等価回路である。It is an equivalent circuit when the intermediate capacitor C1 of the DC / DC converter according to Embodiment 1 of the present invention has an open fault. 本発明の実施の形態1におけるDC/DCコンバータの中間コンデンサC1が開放故障した場合のゲート信号と電圧波形とを示す図である。It is a figure which shows a gate signal and voltage waveform at the time of the open circuit failure of the intermediate | middle capacitor | condenser C1 of the DC / DC converter in Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1におけるDC/DCコンバータの中間コンデンサC1が短絡故障した場合の等価回路である。It is an equivalent circuit when the intermediate capacitor C1 of the DC / DC converter in Embodiment 1 of the present invention has a short circuit failure. 本発明の実施の形態1におけるDC/DCコンバータの中間コンデンサC1が短絡故障した場合のゲート信号と電圧波形とを示す図である。It is a figure which shows a gate signal and voltage waveform at the time of the short circuit failure of the intermediate | middle capacitor | condenser C1 of the DC / DC converter in Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態2におけるDC/DCコンバータの回路図である。It is a circuit diagram of the DC / DC converter in Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態2におけるDC/DCコンバータの、出力電圧を入力電圧の0.5倍とする降圧動作時のゲート信号と電圧波形とを示す図である。It is a figure which shows the gate signal and voltage waveform at the time of the pressure | voltage fall operation which makes the output voltage 0.5 times the input voltage of the DC / DC converter in Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態2におけるDC/DCコンバータの、出力電圧を入力電圧の0.5倍以上1倍以下とする降圧動作時のゲート信号と電圧波形とを示す図である。It is a figure which shows the gate signal and voltage waveform at the time of the pressure | voltage fall operation which makes the output voltage 0.5 times or more and 1 time or less of input voltage of the DC / DC converter in Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態2におけるDC/DCコンバータの、出力電圧を入力電圧の0.5倍以下とする降圧動作時のゲート信号と電圧波形とを示す図である。It is a figure which shows the gate signal and voltage waveform at the time of the pressure | voltage fall operation which makes the output voltage 0.5 times or less of input voltage of the DC / DC converter in Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態2におけるDC/DCコンバータの中間コンデンサC1が開放故障した場合の等価回路である。It is an equivalent circuit when the intermediate capacitor C1 of the DC / DC converter in Embodiment 2 of the present invention has an open fault. 本発明の実施の形態2におけるDC/DCコンバータの中間コンデンサC1が開放故障した場合のゲート信号と電圧波形とを示す図である。It is a figure which shows a gate signal and voltage waveform at the time of the open circuit failure of the intermediate | middle capacitor | condenser C1 of the DC / DC converter in Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態2におけるDC/DCコンバータの中間コンデンサC1が短絡故障した場合の等価回路である。It is an equivalent circuit when the intermediate capacitor C1 of the DC / DC converter in Embodiment 2 of the present invention has a short-circuit fault. 本発明の実施の形態2におけるDC/DCコンバータの中間コンデンサC1が短絡故障した場合のゲート信号と電圧波形とを示す図である。It is a figure which shows a gate signal and voltage waveform at the time of the short circuit failure of the intermediate | middle capacitor | condenser C1 of the DC / DC converter in Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態3におけるDC/DCコンバータの回路図である。It is a circuit diagram of the DC / DC converter in Embodiment 3 of this invention.

実施の形態1.
図1は本発明の実施の形態1におけるDC/DCコンバータの構成を示す回路図である。図1に示すDC/DCコンバータは、低圧側電圧である入力電圧Vinを昇圧した高圧側電圧に変換して出力電圧Voutとして出力する。
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a circuit diagram showing a configuration of a DC / DC converter according to Embodiment 1 of the present invention. The DC / DC converter shown in FIG. 1 converts an input voltage Vin, which is a low-voltage side voltage, into a boosted high-voltage side voltage and outputs it as an output voltage Vout.

その主回路の構成要素として、入力電圧Vinを保持する低圧側平滑コンデンサである入力側平滑コンデンサCin、出力電圧Voutを保持する高圧側平滑コンデンサである出力側平滑コンデンサCout、エネルギの蓄勢放勢を行うコイルL、コイルLと協働して電荷の充電放電を行う中間コンデンサC1、および互いに直列に接続され、負極側から順次配列された第1〜第4の半導体素子アームを備えている。   The main circuit components include an input-side smoothing capacitor Cin that is a low-voltage side smoothing capacitor that holds the input voltage Vin, an output-side smoothing capacitor Cout that is a high-voltage side smoothing capacitor that holds the output voltage Vout, and energy storage and release. , The intermediate capacitor C1 that charges and discharges electric charge in cooperation with the coil L, and the first to fourth semiconductor element arms that are connected in series and are sequentially arranged from the negative electrode side.

そして、図に示す極性で、第1および第2の半導体素子アームは、それぞれ、例えば、IGBT等の第1および第2のスイッチング素子S1、S2とこのスイッチング素子S1、S2と逆並列に接続された第1および第2のダイオードD1、D2とから、また、第3および第4の半導体素子アームは、それぞれダ第3および第4のダイオード素子D3、D4から構成されている。   The first and second semiconductor element arms are connected in antiparallel to the first and second switching elements S1 and S2, such as an IGBT, and the switching elements S1 and S2, respectively, with the polarity shown in the figure. The first and second diodes D1, D2 and the third and fourth semiconductor element arms are respectively composed of third and fourth diode elements D3, D4.

更に、これら要素の接続構成について説明する。低圧側平滑コンデンサCinは、その正極側端子(図1では上方の端子)はコイルLの一端に接続され、その負極側端子は、高圧側平滑コンデンサCoutの負極側端子と第1のスイッチング素子S1のエミッタ端子とに接続されている。コイルLの他端は、第2のスイッチング素子S2のコレクタ端子に接続されている。第4のダイオード素子D4のカソード端子は高圧側平滑コンデンサCoutの正極側端子に接続されている。中間コンデンサC1は、その一端は第4のダイオード素子D4のアノード端子に、その他端は第1のスイッチング素子S1のコレクタ端子に接続されている。   Further, the connection configuration of these elements will be described. The low voltage side smoothing capacitor Cin has a positive terminal (upper terminal in FIG. 1) connected to one end of the coil L, and a negative terminal connected to the negative terminal of the high voltage smoothing capacitor Cout and the first switching element S1. Connected to the emitter terminal. The other end of the coil L is connected to the collector terminal of the second switching element S2. The cathode terminal of the fourth diode element D4 is connected to the positive terminal of the high voltage side smoothing capacitor Cout. The intermediate capacitor C1 has one end connected to the anode terminal of the fourth diode element D4 and the other end connected to the collector terminal of the first switching element S1.

次に、図1に示すDC/DCコンバータの3つの動作についてそれぞれ図2〜図4を参照して説明する。ここでは、簡単のために各図の電圧波形において、中間コンデンサC1の電圧は一定であるとして示してある。また、電圧波形図には、図1の点A、点Bの電圧も示している。   Next, three operations of the DC / DC converter shown in FIG. 1 will be described with reference to FIGS. Here, for the sake of simplicity, the voltage of the intermediate capacitor C1 is shown to be constant in the voltage waveform of each figure. The voltage waveform diagram also shows the voltages at points A and B in FIG.

最初に、出力電圧Voutを入力電圧Vinの2倍とするときの動作について説明する。このときの動作波形を図2に示す。このとき、スイッチング素子S1、S2はともにオンデューティ比0.5で位相は互いに180°ずれてオン/オフを繰り返す。
先ず、期間t1で、スイッチング素子S1をオン、S2をオフにし、
Cin→L→D3→C1→S1→Cin
の経路で電流が流れ、入力側平滑コンデンサCinの電圧がコイルLと中間コンデンサC1との直列回路に印加される。このとき、コイルLは入力側平滑コンデンサCinと中間コンデンサC1との電圧差を吸収し、急激に電流が流れるのを防ぐ役割をする。
First, the operation when the output voltage Vout is twice the input voltage Vin will be described. The operation waveform at this time is shown in FIG. At this time, the switching elements S1 and S2 are both turned on / off repeatedly with an on-duty ratio of 0.5 and a phase shift of 180 °.
First, in a period t1, the switching element S1 is turned on and S2 is turned off.
Cin → L → D3 → C1 → S1 → Cin
A current flows through the path, and the voltage of the input side smoothing capacitor Cin is applied to the series circuit of the coil L and the intermediate capacitor C1. At this time, the coil L absorbs the voltage difference between the input-side smoothing capacitor Cin and the intermediate capacitor C1, and serves to prevent a current from flowing suddenly.

そして期間t2で、スイッチング素子S1をオフ、S2をオンにし、
Cin→L→S2→C1→D4→Cout→Cin
の経路で電流が流れ、入力側平滑コンデンサCinとコイルLと中間コンデンサC1との直列回路の電圧が出力側平滑コンデンサCoutに印加される。このとき、コイルLは入力側平滑コンデンサCinと中間コンデンサC1との電圧の和と出力側平滑コンデンサCoutの電圧との電圧差を吸収し、急激に電流が流れるのを防ぐ役割をする。こうして、出力電圧Voutとして入力電圧Vinを2倍に昇圧した電圧が得られる。
In period t2, switching element S1 is turned off, S2 is turned on,
Cin → L → S2 → C1 → D4 → Cout → Cin
A current flows through the path, and the voltage of the series circuit of the input side smoothing capacitor Cin, the coil L, and the intermediate capacitor C1 is applied to the output side smoothing capacitor Cout. At this time, the coil L absorbs a voltage difference between the sum of the voltages of the input-side smoothing capacitor Cin and the intermediate capacitor C1 and the voltage of the output-side smoothing capacitor Cout, and prevents the current from flowing suddenly. Thus, a voltage obtained by boosting the input voltage Vin twice as the output voltage Vout is obtained.

次に、出力電圧Voutを入力電圧Vinの1倍から2倍の間の値とするときの動作について説明する。このときの動作波形を図3に示す。このとき、スイッチング素子S1、S2はともにオンデューティ比0.5以下で位相は互いに180°ずれてオン/オフを繰り返す。また、デューティ比を調節することで、出力電圧Voutを調節可能でオンデューティ比が大きいほど出力電圧は高くなる。   Next, an operation when the output voltage Vout is set to a value between 1 and 2 times the input voltage Vin will be described. The operation waveform at this time is shown in FIG. At this time, the switching elements S1 and S2 are both turned on / off repeatedly with an on-duty ratio of 0.5 or less and a phase shift of 180 °. Further, by adjusting the duty ratio, the output voltage Vout can be adjusted, and the output voltage increases as the on-duty ratio increases.

先ず、期間t3で、スイッチング素子S1、S2を両方オフにし、
Cin→L→D3→D4→Cout→Cin
の経路で電流が流れ、このとき、コイルLはエネルギを放出する。そして期間t4で、スイッチング素子S1をオン、S2をオフにし、
Cin→L→D3→C1→S1→Cin
の経路で電流が流れ、入力側平滑コンデンサCinとコイルLとの直列回路の電圧が中間コンデンサC1に印加され、コイルLはエネルギを蓄積し、中間コンデンサC1は充電される。このとき、コイルLは期間t3でエネルギを放出しているため、入力側平滑コンデンサCinの電圧と逆向きの電圧がかかり、入力側平滑コンデンサCinとコイルLとの直列回路の電圧は入力電圧Vinよりも低くなり、中間コンデンサC1は入力電圧Vinよりも低い電圧に充電される。
First, in period t3, both switching elements S1 and S2 are turned off,
Cin → L → D3 → D4 → Cout → Cin
A current flows through the path, and at this time, the coil L releases energy. In period t4, switching element S1 is turned on, S2 is turned off,
Cin → L → D3 → C1 → S1 → Cin
In this path, a current flows, the voltage of the series circuit of the input side smoothing capacitor Cin and the coil L is applied to the intermediate capacitor C1, the coil L accumulates energy, and the intermediate capacitor C1 is charged. At this time, since the coil L releases energy in the period t3, a voltage opposite to the voltage of the input side smoothing capacitor Cin is applied, and the voltage of the series circuit of the input side smoothing capacitor Cin and the coil L is the input voltage Vin. The intermediate capacitor C1 is charged to a voltage lower than the input voltage Vin.

そして期間t5で、スイッチング素子S1、S2を両方オフにし、
Cin→L→D3→D4→Cout→Cin
の経路で電流が流れ、このとき、コイルLはエネルギを放出する。そして期間t6で、スイッチング素子S1をオフ、S2をオンにし、
Cin→L→S2→C1→D4→Cout→Cin
の経路で電流が流れ、入力側平滑コンデンサCinとコイルLと中間コンデンサC1との直列回路の電圧が出力側平滑コンデンサCoutに印加され、コイルLはエネルギを蓄積する。このとき、コイルLは期間t5でエネルギを放出しているため、入力側平滑コンデンサCinの電圧と逆向きの電圧がかかり、入力側平滑コンデンサCinとコイルLとの直列回路の電圧は入力電圧Vinよりも低くなる。また、中間コンデンサC1も期間t5で入力電圧Vinよりも低い電圧に充電されているため、入力電圧Vinの2倍より低い電圧が出力電圧Voutにかかる。このように、出力電圧が入力電圧の1倍から2倍となる動作のとき、コイルLによって入力電圧が低くなったような動作をする。
In a period t5, both the switching elements S1 and S2 are turned off,
Cin → L → D3 → D4 → Cout → Cin
A current flows through the path, and at this time, the coil L releases energy. In period t6, switching element S1 is turned off, S2 is turned on,
Cin → L → S2 → C1 → D4 → Cout → Cin
The current flows through the path, and the voltage of the series circuit of the input side smoothing capacitor Cin, the coil L, and the intermediate capacitor C1 is applied to the output side smoothing capacitor Cout, and the coil L accumulates energy. At this time, since the coil L releases energy in the period t5, a voltage opposite to the voltage of the input side smoothing capacitor Cin is applied, and the voltage of the series circuit of the input side smoothing capacitor Cin and the coil L is the input voltage Vin. Lower than. Further, since the intermediate capacitor C1 is also charged to a voltage lower than the input voltage Vin in the period t5, a voltage lower than twice the input voltage Vin is applied to the output voltage Vout. As described above, when the output voltage is 1 to 2 times the input voltage, the coil L performs an operation such that the input voltage is lowered.

最後に、出力電圧Voutを入力電圧Vinの2倍以上とする動作について説明する。このときの動作波形を図4に示す。このとき、スイッチング素子S1、S2はともにオンデューティ比0.5以上で位相は互いに180°ずれてオン/オフを繰り返す。また、デューティ比を調節することで、出力電圧Voutを調節可能でオンデューティ比が大きいほど出力電圧は高くなる。   Finally, an operation for setting the output voltage Vout to twice or more the input voltage Vin will be described. The operation waveform at this time is shown in FIG. At this time, the switching elements S1 and S2 are both turned on / off repeatedly with an on-duty ratio of 0.5 or more and a phase shift of 180 °. Further, by adjusting the duty ratio, the output voltage Vout can be adjusted, and the output voltage increases as the on-duty ratio increases.

先ず、期間t7で、スイッチング素子S1、S2を両方オンにし、
Cin→L→S2→S1→Cin
の経路で電流が流れ、コイルLにエネルギが蓄積される。そして期間t8で、スイッチング素子S1をオン、S2をオフにし、
Cin→L→D3→C1→S1→Cin
の経路で電流が流れ、入力側平滑コンデンサCinとコイルLとの直列回路の電圧が中間コンデンサC1に印加され、コイルLはエネルギを放出する。このとき、コイルLは期間t7でエネルギが蓄積されているため、入力電圧Vinと同じ向きの電圧がかかり、入力側平滑コンデンサCinとコイルLとの直列回路の電圧は入力電圧Vinよりも高くなり、中間コンデンサC1は入力電圧Vinよりも高い電圧に充電される。
First, in period t7, both switching elements S1 and S2 are turned on,
Cin → L → S2 → S1 → Cin
A current flows through the path, and energy is accumulated in the coil L. In period t8, switching element S1 is turned on, S2 is turned off,
Cin → L → D3 → C1 → S1 → Cin
The current flows through the path of (2), the voltage of the series circuit of the input side smoothing capacitor Cin and the coil L is applied to the intermediate capacitor C1, and the coil L releases energy. At this time, since energy is stored in the coil L in the period t7, a voltage in the same direction as the input voltage Vin is applied, and the voltage of the series circuit of the input side smoothing capacitor Cin and the coil L becomes higher than the input voltage Vin. The intermediate capacitor C1 is charged to a voltage higher than the input voltage Vin.

そして期間t9で、スイッチング素子S1、S2を両方オンにし、
Cin→L→S2→S1→Cin
の経路で電流が流れ、コイルLにエネルギが蓄積される。そして期間t10で、スイッチング素子S1をオフ、S2をオンにし、
Cin→L→S2→C1→D4→Cout→Cin
の経路で電流が流れ、コイルLと中間コンデンサC1と入力側平滑コンデンサCinとの直列回路の電圧が出力側平滑コンデンサCoutに印加され、コイルLはエネルギを放出する。コイルLには期間t9でエネルギが蓄積されているので、入力電圧Vinと同じ向きの電圧がかかり、入力側平滑コンデンサCinとコイルLとの直列回路の電圧は入力電圧Vinよりも高くなる。さらに、中間コンデンサC1は期間t8で入力電圧Vinより高い電圧に充電されているので、出力側平滑コンデンサCoutには入力電圧の2倍より高い電圧がかかる。このように、出力電圧Voutが入力電圧Vinの2倍以上となる動作のとき、コイルLによって入力電圧Vinが高くなったような動作をする。
In a period t9, both the switching elements S1 and S2 are turned on,
Cin → L → S2 → S1 → Cin
A current flows through the path, and energy is accumulated in the coil L. In period t10, switching element S1 is turned off, S2 is turned on,
Cin → L → S2 → C1 → D4 → Cout → Cin
A current flows through the path, a voltage of a series circuit of the coil L, the intermediate capacitor C1, and the input side smoothing capacitor Cin is applied to the output side smoothing capacitor Cout, and the coil L releases energy. Since energy is stored in the coil L in the period t9, a voltage in the same direction as the input voltage Vin is applied, and the voltage of the series circuit of the input side smoothing capacitor Cin and the coil L becomes higher than the input voltage Vin. Furthermore, since the intermediate capacitor C1 is charged to a voltage higher than the input voltage Vin in the period t8, a voltage higher than twice the input voltage is applied to the output side smoothing capacitor Cout. As described above, when the output voltage Vout is twice or more the input voltage Vin, the coil L performs an operation such that the input voltage Vin is increased.

図1のDC/DCコンバータは、以上のような動作をすることにより、入力電圧を昇圧して出力することができる。
しかし、ここで中間コンデンサC1が開放故障した場合は上記で説明した回路が構成されず昇圧の動作をしない。また、短絡故障した場合は、故障した中間コンデンサC1が抵抗体となり、エネルギをうまく送れなくなる。即ち、中間コンデンサC1の故障で、DC/DCコンバータはその昇圧動作を停止し運用上支障を及ぼすことになる。
そこで、本願実施の形態1におけるDC/DCコンバータは、中間コンデンサC1が開放故障または短絡故障した場合には、スイッチング素子の動作方法を正常時の方法から変更することで昇圧動作の継続を可能とし運用上の信頼性を向上させるものである。
The DC / DC converter of FIG. 1 can boost the input voltage and output it by performing the above operation.
However, if the intermediate capacitor C1 has an open failure, the circuit described above is not configured and the boosting operation is not performed. In addition, when a short circuit failure occurs, the failed intermediate capacitor C1 becomes a resistor, and energy cannot be sent well. In other words, the DC / DC converter stops its step-up operation due to the failure of the intermediate capacitor C1, causing an operational trouble.
Therefore, the DC / DC converter according to the first embodiment of the present application can continue the boosting operation by changing the operation method of the switching element from the normal method when the intermediate capacitor C1 has an open failure or a short circuit failure. It improves operational reliability.

なお、中間コンデンサC1の故障は、図1では図示を省略しているが、例えば、中間コンデンサC1および出力電圧Voutを常時検出しておき両者の出力値を基に中間コンデンサC1の開放故障または短絡故障の発生を判別する手段を設け、この判別手段の出力により判断する。   The failure of the intermediate capacitor C1 is not shown in FIG. 1, but, for example, the intermediate capacitor C1 and the output voltage Vout are always detected, and the open failure or short circuit of the intermediate capacitor C1 is based on the output values of both. Means for determining the occurrence of a failure is provided, and the determination is made based on the output of the determination means.

先ず、図5に、中間コンデンサC1が開放故障した場合の等価回路を示す。また、図6に、中間コンデンサC1が開放故障したときの動作波形を示す。このとき、スイッチング素子S1、S2は同時にオン/オフを繰り返す。そして、スイッチング素子S1、S2のオンデューティ比を調節することで、出力電圧Voutを調節可能でオンデューティ比が大きいほど出力電圧は高くなる。
このときの動作は、期間t11で、スイッチング素子S1、S2を同時にオンすると、 Cin→L→S2→S1→Cin
の経路で電流が流れ、コイルLにエネルギが蓄積され、期間t12で、スイッチング素子S1、S2を同時にオフすると、
Cin→D3→D4→Cout→Cin
の経路で電流が流れ、先ほどコイルLに蓄えられたエネルギによって、入力電圧Vinより高い電圧が出力電圧Voutに得られる。このような動作をすることにより、DC/DCコンバータは、中間コンデンサC1が開放故障しても電圧を昇圧することができる。
First, FIG. 5 shows an equivalent circuit when the intermediate capacitor C1 has an open failure. FIG. 6 shows an operation waveform when the intermediate capacitor C1 has an open failure. At this time, the switching elements S1 and S2 are repeatedly turned on / off simultaneously. The output voltage Vout can be adjusted by adjusting the on-duty ratio of the switching elements S1 and S2, and the output voltage increases as the on-duty ratio increases.
The operation at this time is Cin → L → S2 → S1 → Cin when the switching elements S1 and S2 are simultaneously turned on in the period t11.
The current flows through the path, energy is accumulated in the coil L, and when the switching elements S1 and S2 are simultaneously turned off in the period t12,
Cin → D3 → D4 → Cout → Cin
A current flows through the path (1), and a voltage higher than the input voltage Vin is obtained as the output voltage Vout by the energy previously stored in the coil L. By performing such an operation, the DC / DC converter can boost the voltage even if the intermediate capacitor C1 is in an open failure.

次に、図7に、中間コンデンサC1が短絡故障した場合の等価回路を示す。また、図8に、中間コンデンサC1が短絡故障したときの動作波形を示す。このとき、スイッチング素子S2は常時オンで、スイッチング素子S1はオン/オフを繰り返す。そして、スイッチング素子S1のオンデューティ比を調節することで、出力電圧Voutを調節可能でオンデューティ比が大きいほど出力電圧は高くなる。
このときの動作は、期間t13で、スイッチング素子S2は常時オンで、S1をオンすると、
Cin→L→S2→S1→Cin
の経路でコイルLにエネルギが蓄積され、期間t14で、スイッチング素子S1をオフすると、
経路1:Cin→L→S2→C1(短絡)→D4→Cout→Cin、
または、
経路2:Cin→L→D3→D4→Cout→Cin
のいずれか損失が少ない方の経路で電流が流れ、先ほどコイルLに蓄えられたエネルギによって、入力電圧より高い出力電圧が得られる。
Next, FIG. 7 shows an equivalent circuit when the intermediate capacitor C1 is short-circuited. FIG. 8 shows an operation waveform when the intermediate capacitor C1 is short-circuited. At this time, the switching element S2 is always on, and the switching element S1 is repeatedly turned on / off. The output voltage Vout can be adjusted by adjusting the on-duty ratio of the switching element S1, and the output voltage increases as the on-duty ratio increases.
The operation at this time is the period t13, the switching element S2 is always on, and when S1 is on,
Cin → L → S2 → S1 → Cin
When energy is accumulated in the coil L through the path and the switching element S1 is turned off in the period t14,
Path 1: Cin → L → S2 → C1 (short circuit) → D4 → Cout → Cin,
Or
Path 2: Cin → L → D3 → D4 → Cout → Cin
The current flows through the path with the smaller loss, and the output voltage higher than the input voltage is obtained by the energy previously stored in the coil L.

電流が経路1で流れる場合、スイッチング素子S1とS2を同時にオン/オフするよりも、損失が少なくなる。このような動作をすることにより、DC/DCコンバータは、第1コンデンサC1が短絡故障しても電圧を昇圧することができる。   When the current flows through the path 1, the loss is smaller than when the switching elements S1 and S2 are simultaneously turned on / off. By performing such an operation, the DC / DC converter can boost the voltage even if the first capacitor C1 is short-circuited.

以上のように、本願実施の形態1におけるDC/DCコンバータは、中間コンデンサC1に開放故障や短絡故障が発生しても、スイッチング素子S1、S2のオンオフスイッチングパターンを正常時のパターンと異なるパターンに変更することにより昇圧動作が継続可能となる。
このように、中間コンデンサC1をその故障に備えて常備する必要が無くなり部品の減量化となり、たとえ、中間コンデンサC1が故障してもスイッチング素子の動作方法を正常時の方法から変更することで昇圧動作の継続を可能とし運用上の信頼性を向上させるものである。
例えば、この発明に係るDC/DCコンバータを搭載したEV(電気自動車)やHEV(ハイブリッドカー)が、路上でその中間コンデンサが故障して正常に動作しなくなった場合、そのスイッチングパターンを変更することでコンバータとしての動作を継続させ、EV,HEVを後続車両の邪魔にならないよう移動させることができる。
As described above, in the DC / DC converter according to Embodiment 1 of the present application, even when an open circuit fault or a short circuit fault occurs in the intermediate capacitor C1, the on / off switching pattern of the switching elements S1 and S2 is different from the normal pattern. By making the change, the boosting operation can be continued.
In this way, it is not necessary to prepare the intermediate capacitor C1 in preparation for its failure, and the amount of parts is reduced. Even if the intermediate capacitor C1 fails, the switching element operation method is changed from the normal method to increase the voltage. It is possible to continue operation and improve operational reliability.
For example, when an EV (electric vehicle) or HEV (hybrid car) equipped with a DC / DC converter according to the present invention fails to operate normally due to a failure of an intermediate capacitor on the road, the switching pattern is changed. Thus, the operation as the converter can be continued, and the EV and HEV can be moved without interfering with the following vehicle.

実施の形態2.
図9は本発明の実施の形態2におけるDC/DCコンバータの構成を示す回路図である。図9に示すDC/DCコンバータは、高圧側電圧である入力電圧Vinを降圧した低圧側電圧に変換して出力電圧Voutとして出力する。
Embodiment 2. FIG.
FIG. 9 is a circuit diagram showing a configuration of the DC / DC converter according to Embodiment 2 of the present invention. The DC / DC converter shown in FIG. 9 converts the input voltage Vin, which is a high-voltage side voltage, into a low-voltage side voltage that is stepped down and outputs it as an output voltage Vout.

その主回路の構成要素として、入力電圧Vinを保持する高圧側平滑コンデンサである入力側平滑コンデンサCin、出力電圧Voutを保持する低圧側平滑コンデンサである出力側平滑コンデンサCout、エネルギの蓄勢放勢を行うコイルL、コイルLと協働して電荷の充電放電を行う中間コンデンサC1、および互いに直列に接続され、負極側から順次配列された第1〜第4の半導体素子アームを備えている。   The main circuit components include an input-side smoothing capacitor Cin that is a high-voltage side smoothing capacitor that holds the input voltage Vin, an output-side smoothing capacitor Cout that is a low-voltage side smoothing capacitor that holds the output voltage Vout, and energy storage and release. , The intermediate capacitor C1 that charges and discharges electric charge in cooperation with the coil L, and the first to fourth semiconductor element arms that are connected in series and are sequentially arranged from the negative electrode side.

そして、図に示す極性で、第1および第2の半導体素子アームは、それぞれ第1および第2のダイオード素子D1、D2から、また、第3および第4の半導体素子アームは、例えば、IGBT等の第3および第4のスイッチング素子S3、S4とこのスイッチング素子S3、S4と逆並列に接続された第3および第4のダイオード素子D3、D4とから構成されている。   Then, with the polarities shown in the figure, the first and second semiconductor element arms are respectively from the first and second diode elements D1 and D2, and the third and fourth semiconductor element arms are, for example, IGBT or the like The third and fourth switching elements S3, S4 and the third and fourth diode elements D3, D4 connected in antiparallel with the switching elements S3, S4.

更に、これら要素の接続構成について説明する。低圧側平滑コンデンサCoutは、その正極側端子(図9では上方の端子)はコイルLの一端に接続され、その負極側端子は、高圧側平滑コンデンサCinの負極側端子と第1のダイオード素子D1のアノード端子とに接続されている。コイルLの他端は、第2のダイオード素子D2のカソード端子に接続されている。第4のスイッチング素子S4のコレクタ端子は高圧側平滑コンデンサCinの正極側端子に接続されている。中間コンデンサC1は、その一端は第4のスイッチング素子S4のエミッタ端子に、その他端は第1のダイオード素子D1のカソード端子に接続されている。   Further, the connection configuration of these elements will be described. The low-voltage side smoothing capacitor Cout has its positive-side terminal (upper terminal in FIG. 9) connected to one end of the coil L, and its negative-side terminal connected to the negative-side terminal of the high-voltage-side smoothing capacitor Cin and the first diode element D1. Connected to the anode terminal. The other end of the coil L is connected to the cathode terminal of the second diode element D2. The collector terminal of the fourth switching element S4 is connected to the positive terminal of the high voltage side smoothing capacitor Cin. The intermediate capacitor C1 has one end connected to the emitter terminal of the fourth switching element S4 and the other end connected to the cathode terminal of the first diode element D1.

次に、図9に示すDC/DCコンバータの3つの動作についてそれぞれ図10〜図12を参照して説明する。ここでは、簡単のために各図の電圧波形において、中間コンデンサC1の電圧は一定であるとして示してある。また、電圧波形図には、図9の点A、点Bの電圧も示している。   Next, three operations of the DC / DC converter shown in FIG. 9 will be described with reference to FIGS. Here, for the sake of simplicity, the voltage of the intermediate capacitor C1 is shown to be constant in the voltage waveform of each figure. The voltage waveform diagram also shows the voltages at points A and B in FIG.

最初に、出力電圧Voutを入力電圧Vinの0.5倍とするときの動作について説明する。このときの動作波形を図10に示す。このとき、スイッチング素子S3、S4はともにオンデューティ比0.5で位相は互いに180°ずれてオン/オフを繰り返す。
先ず、期間t15で、スイッチング素子S3をオフ、S4をオンにし、
Cin→S4→C1→D2→L→Cout→Cin
の経路で電流が流れ、入力側平滑コンデンサCinの電圧が中間コンデンサC1とコイルLと出力側平滑コンデンサCoutとの直列回路に印加される。このとき、コイルLは入力側平滑コンデンサCinの電圧と中間コンデンサC1および出力側平滑コンデンサCoutの電圧の和との電圧差を吸収し、急激に電流が流れるのを防ぐ役割をする。
First, the operation when the output voltage Vout is 0.5 times the input voltage Vin will be described. The operation waveform at this time is shown in FIG. At this time, the switching elements S3 and S4 are both turned on / off repeatedly with an on-duty ratio of 0.5 and a phase shift of 180 °.
First, in period t15, switching element S3 is turned off, S4 is turned on,
Cin → S4 → C1 → D2 → L → Cout → Cin
The current flows through the path, and the voltage of the input side smoothing capacitor Cin is applied to the series circuit of the intermediate capacitor C1, the coil L, and the output side smoothing capacitor Cout. At this time, the coil L absorbs a voltage difference between the voltage of the input-side smoothing capacitor Cin and the sum of the voltages of the intermediate capacitor C1 and the output-side smoothing capacitor Cout, and prevents the current from flowing suddenly.

そして期間t16で、スイッチング素子S3をオン、S4をオフにし、
C1→S3→L→Cout→D1→C1
の経路で電流が流れ、中間コンデンサC1とコイルLとの直列回路の電圧がCoutに印加され、入力電圧Vinを0.5倍に降圧した電圧が得られる。このとき、コイルLは中間コンデンサC1の電圧と出力側平滑コンデンサCoutの電圧との電圧差を吸収し、急激に電流が流れるのを防ぐ役割をする。
In period t16, switching element S3 is turned on, S4 is turned off,
C1->S3->L->Cout->D1-> C1
The current flows through the path (1), the voltage of the series circuit of the intermediate capacitor C1 and the coil L is applied to Cout, and the voltage obtained by stepping down the input voltage Vin by 0.5 times is obtained. At this time, the coil L absorbs the voltage difference between the voltage of the intermediate capacitor C1 and the voltage of the output-side smoothing capacitor Cout, and prevents the current from flowing suddenly.

次に、出力電圧Voutを入力電圧Vinの0.5倍以上1倍以下の値とするときの動作について説明する。このときの動作波形を図11に示す。このとき、スイッチング素子S3、S4はともにオンデューティ比0.5以上で位相は互いに180°ずれてオン/オフを繰り返す。また、デューティ比を調節することで、出力電圧Voutを調節可能でオンデューティ比が大きいほど出力電圧は高くなる。   Next, an operation when the output voltage Vout is set to a value not less than 0.5 times and not more than 1 time the input voltage Vin will be described. The operation waveform at this time is shown in FIG. At this time, the switching elements S3 and S4 are both turned on / off repeatedly with an on-duty ratio of 0.5 or more and a phase shift of 180 °. Further, by adjusting the duty ratio, the output voltage Vout can be adjusted, and the output voltage increases as the on-duty ratio increases.

先ず、期間t17で、スイッチング素子S3、S4を両方オンすることにより、
Cin→S4→S3→L→Cout→Cin
の経路で電流が流れ、入力側平滑コンデンサCinの電圧が出力側平滑コンデンサCoutとコイルLとの直列回路に印加され、コイルLにエネルギが蓄積される。次に期間t18で、スイッチング素子S3をオフ、S4をオンすることにより、
Cin→S4→C1→D2→L→Cout→Cin
の経路で電流が流れ、入力側平滑コンデンサCinの電圧が中間コンデンサC1、コイルL、出力側平滑コンデンサCoutの直列回路に印加され、コイルLに蓄積されたエネルギは放出される。
First, in a period t17, by turning on both switching elements S3 and S4,
Cin → S4 → S3 → L → Cout → Cin
The current flows through the path, the voltage of the input side smoothing capacitor Cin is applied to the series circuit of the output side smoothing capacitor Cout and the coil L, and energy is stored in the coil L. Next, in period t18, switching element S3 is turned off and S4 is turned on.
Cin → S4 → C1 → D2 → L → Cout → Cin
In this path, a current flows, the voltage of the input side smoothing capacitor Cin is applied to the series circuit of the intermediate capacitor C1, the coil L, and the output side smoothing capacitor Cout, and the energy stored in the coil L is released.

次に、期間t19で、スイッチング素子S3、S4の両方がオンすることにより、
Cin→S4→S3→L→Cout→Cin
の経路で電流が流れ、入力側平滑コンデンサCinの電圧がコイルLと出力側平滑コンデンサCoutの直列回路に印加され、コイルLにエネルギが蓄積される。そして期間t20で、スイッチング素子S3がオン、S4がオフすることにより、
C1→S3→L→Cout→D1→C1
の経路で電流が流れ、中間コンデンサC1の電圧がコイルLと出力側平滑コンデンサCoutとの直列回路に印加され、コイルLに蓄えられたエネルギは放出される。このとき、コイルLには、中間コンデンサC1の電圧と同じ向きの電圧がかかり、中間コンデンサC1とコイルLとの直列回路の電圧は入力電圧の0.5倍よりも高くなる。このようにして、入力電圧を0.5倍以上1倍以下に降圧した電圧を出力する。
Next, in the period t19, both the switching elements S3 and S4 are turned on.
Cin → S4 → S3 → L → Cout → Cin
A current flows through the path, the voltage of the input side smoothing capacitor Cin is applied to the series circuit of the coil L and the output side smoothing capacitor Cout, and energy is accumulated in the coil L. In the period t20, the switching element S3 is turned on and S4 is turned off.
C1->S3->L->Cout->D1-> C1
A current flows through the path, the voltage of the intermediate capacitor C1 is applied to the series circuit of the coil L and the output-side smoothing capacitor Cout, and the energy stored in the coil L is released. At this time, a voltage in the same direction as the voltage of the intermediate capacitor C1 is applied to the coil L, and the voltage of the series circuit of the intermediate capacitor C1 and the coil L is higher than 0.5 times the input voltage. In this manner, a voltage obtained by stepping down the input voltage by 0.5 times to 1 time is output.

最後に、出力電圧Voutを入力電圧Vinの0.5倍以下とするときの動作について説明する。このときの動作波形を図12に示す。このとき、スイッチング素子S3、S4はともにオンデューティ比0.5以下で位相は互いに180°ずれてオン/オフを繰り返す。また、デューティ比を調節することで、出力電圧Voutを調節可能でオンデューティ比が大きいほど出力電圧は高くなる。   Finally, the operation when the output voltage Vout is 0.5 times or less of the input voltage Vin will be described. The operation waveform at this time is shown in FIG. At this time, the switching elements S3 and S4 are both turned on / off repeatedly with an on-duty ratio of 0.5 or less and a phase shift of 180 °. Further, by adjusting the duty ratio, the output voltage Vout can be adjusted, and the output voltage increases as the on-duty ratio increases.

先ず、期間t21で、スイッチング素子S3、S4の両方がオフすることにより、
D1→D2→L→Cout→D1
の経路で電流が流れ、コイルLからエネルギが放出される。次に、期間t22で、スイッチング素子S3がオフ、S4がオンすることにより、
Cin→S4→C1→D2→L→Cout→Cin
の経路で電流が流れ、入力側平滑コンデンサCinの電圧が中間コンデンサC1とコイルLと出力側平滑コンデンサCoutとの直列回路に印加され、コイルLにエネルギが蓄積される。
First, in the period t21, both switching elements S3 and S4 are turned off.
D1->D2->L->Cout-> D1
The current flows through the path, and energy is released from the coil L. Next, in period t22, switching element S3 is turned off and S4 is turned on.
Cin → S4 → C1 → D2 → L → Cout → Cin
The current flows through this path, the voltage of the input side smoothing capacitor Cin is applied to the series circuit of the intermediate capacitor C1, the coil L, and the output side smoothing capacitor Cout, and energy is stored in the coil L.

次に、期間t23で、スイッチング素子S3、S4の両方がオフすることにより、
D1→D2→L→Cout→D1
の経路で電流が流れ、コイルLからエネルギが放出される。そして期間t24で、スイッチング素子S3がオン、S4がオフすることにより、
C1→S3→L→Cout→D1→C1
の経路で電流が流れ、中間コンデンサC1の電圧がコイルLと出力側平滑コンデンサCoutとの直列回路に印加され、コイルLに蓄えられたエネルギは放出される。このとき、コイルLには、中間コンデンサC1の電圧と逆向きの電圧がかかり、中間コンデンサC1とコイルLとの直列回路の電圧は入力電圧の0.5倍よりも低くなる。このようにして、入力電圧を0.5倍以下に降圧した電圧を出力する。
Next, in a period t23, both switching elements S3 and S4 are turned off.
D1->D2->L->Cout-> D1
The current flows through the path, and energy is released from the coil L. In the period t24, the switching element S3 is turned on and S4 is turned off.
C1->S3->L->Cout->D1-> C1
A current flows through the path, the voltage of the intermediate capacitor C1 is applied to the series circuit of the coil L and the output-side smoothing capacitor Cout, and the energy stored in the coil L is released. At this time, a voltage opposite to the voltage of the intermediate capacitor C1 is applied to the coil L, and the voltage of the series circuit of the intermediate capacitor C1 and the coil L becomes lower than 0.5 times the input voltage. In this way, a voltage obtained by stepping down the input voltage to 0.5 times or less is output.

図9のDC/DCコンバータは、以上のような動作をすることにより、入力電圧を降圧して出力することができる。
しかし、ここで中間コンデンサC1が開放故障した場合は上記で説明した回路が構成されず降圧の動作をしない。また、短絡故障した場合は、故障した中間コンデンサC1が抵抗体となり、エネルギをうまく送れなくなる。即ち、中間コンデンサC1の故障で、DC/DCコンバータはその降圧動作を停止し運用上支障を及ぼすことになる。
そこで、本願実施の形態2におけるDC/DCコンバータは、中間コンデンサC1が開放故障または短絡故障した場合には、スイッチング素子の動作方法を正常時の方法から変更することで降圧動作の継続を可能とし運用上の信頼性を向上させるものである。
The DC / DC converter of FIG. 9 can step down and output the input voltage by performing the above operation.
However, here, when the intermediate capacitor C1 has an open failure, the circuit described above is not configured and the step-down operation is not performed. In addition, when a short circuit failure occurs, the failed intermediate capacitor C1 becomes a resistor, and energy cannot be sent well. In other words, the DC / DC converter stops its step-down operation due to the failure of the intermediate capacitor C1, causing an operational problem.
Therefore, the DC / DC converter according to Embodiment 2 of the present application enables the continuation of the step-down operation by changing the operation method of the switching element from the normal method when the intermediate capacitor C1 has an open failure or a short circuit failure. It improves operational reliability.

なお、中間コンデンサC1の故障は、図9では図示を省略しているが、例えば、中間コンデンサC1および入力電圧Vinを常時検出しておき両者の出力値を基に中間コンデンサC1の開放故障または短絡故障の発生を判別する手段を設け、この判別手段の出力により判断する。   Although the failure of the intermediate capacitor C1 is not shown in FIG. 9, for example, the intermediate capacitor C1 and the input voltage Vin are always detected, and the open failure or short circuit of the intermediate capacitor C1 is based on the output values of both. Means for determining the occurrence of a failure is provided, and the determination is made based on the output of the determination means.

先ず、図13に、中間コンデンサC1が開放故障した場合の等価回路を示す。また、図14に、中間コンデンサC1が開放故障したときの動作波形を示す。このとき、スイッチング素子S3、S4は同時にオン/オフを繰り返す。そして、スイッチング素子S3、S4のオンデューティ比を調節することで、出力電圧Voutを調節可能でオンデューティ比が大きいほど出力電圧は高くなる。
このときの動作は、期間t25でスイッチング素子S3、S4を同時にオンすると、
Cin→S4→S3→L→Cout→Cin
の経路で電流が流れ、入力側平滑コンデンサCinの電圧がコイルLと出力側平滑コンデンサCoutとの直列回路に印加され、コイルLにエネルギが蓄積される。期間t26でスイッチング素子S3、S4を同時にオフすると、
D1→D2→L→Cout→D1
の経路で電流が流れ、先ほどコイルLに蓄えられたエネルギが放出され、入力電圧Vinより低い電圧が出力電圧Voutに得られる。このような動作をすることにより、DC/DCコンバータは、中間コンデンサC1が開放故障しても電圧を降圧することができる。
First, FIG. 13 shows an equivalent circuit when the intermediate capacitor C1 has an open failure. FIG. 14 shows an operation waveform when the intermediate capacitor C1 has an open failure. At this time, the switching elements S3 and S4 repeat ON / OFF simultaneously. The output voltage Vout can be adjusted by adjusting the on-duty ratio of the switching elements S3 and S4. The larger the on-duty ratio, the higher the output voltage.
The operation at this time is as follows: when the switching elements S3 and S4 are simultaneously turned on in the period t25,
Cin → S4 → S3 → L → Cout → Cin
The current flows through the path, the voltage of the input side smoothing capacitor Cin is applied to the series circuit of the coil L and the output side smoothing capacitor Cout, and energy is stored in the coil L. When switching elements S3 and S4 are turned off at the same time in period t26,
D1->D2->L->Cout-> D1
The current flows through the path (1), the energy previously stored in the coil L is released, and a voltage lower than the input voltage Vin is obtained as the output voltage Vout. By performing such an operation, the DC / DC converter can step down the voltage even if the intermediate capacitor C1 is in an open failure.

次に、図15に、中間コンデンサC1が短絡故障した場合の等価回路を示す。また、図16に、中間コンデンサC1が短絡故障したときの動作波形を示す。このとき、スイッチング素子S3は常時オンで、スイッチング素子S4はオン/オフを繰り返す。そして、スイッチング素子S4のオンデューティ比を調節することで、出力電圧Voutを調節可能でオンデューティ比が大きいほど出力電圧は高くなる。
このときの動作は、期間t27で、スイッチング素子S3は常時オンで、スイッチング素子S4をオンすると、
Cin→S4→S3→L→Cout→Cin
の経路で電流が流れ、入力側平滑コンデンサCinの電圧がコイルLと出力側平滑コンデンサCoutとの直列回路に印加され、コイルLにエネルギが蓄積される。期間t28で、スイッチング素子S4をオフすると、
経路1:D1→C1(短絡)→S3→L→Cout→D1、
または、
経路2:D1→D2→L→Cout→D1
のいずれか損失が少ない方の経路で電流が流れ、先ほどコイルLに蓄えられたエネルギによって、入力電圧Vinより低い出力電圧が得られる。
Next, FIG. 15 shows an equivalent circuit when the intermediate capacitor C1 is short-circuited. FIG. 16 shows an operation waveform when the short-circuit fault occurs in the intermediate capacitor C1. At this time, the switching element S3 is always on, and the switching element S4 is repeatedly turned on / off. The output voltage Vout can be adjusted by adjusting the on-duty ratio of the switching element S4. The larger the on-duty ratio, the higher the output voltage.
The operation at this time is a period t27, the switching element S3 is always on, and the switching element S4 is turned on.
Cin → S4 → S3 → L → Cout → Cin
The current flows through the path, the voltage of the input side smoothing capacitor Cin is applied to the series circuit of the coil L and the output side smoothing capacitor Cout, and energy is stored in the coil L. When switching element S4 is turned off in period t28,
Path 1: D1 → C1 (short circuit) → S3 → L → Cout → D1,
Or
Path 2: D1->D2->L->Cout-> D1
The current flows through the path with the smaller loss, and the output voltage lower than the input voltage Vin is obtained by the energy previously stored in the coil L.

電流が経路1に流れる場合、スイッチング素子S3とS4を同時にオン/オフするよりも、損失が少なくなる。このような動作をすることにより、DC/DCコンバータは、中間コンデンサC1が短絡故障しても電圧を降圧することができる。   When current flows in the path 1, the loss is smaller than when the switching elements S3 and S4 are simultaneously turned on / off. By performing such an operation, the DC / DC converter can step down the voltage even if the intermediate capacitor C1 is short-circuited.

以上のように、本願実施の形態2におけるDC/DCコンバータは、中間コンデンサC1に開放故障や短絡故障が発生しても、スイッチング素子S3、S4のオンオフスイッチングパターンを正常時のパターンと異なるパターンに変更することにより降圧動作が継続可能となる。
このように、中間コンデンサC1をその故障に備えて常備する必要が無くなり部品の減量化となり、たとえ、中間コンデンサC1が故障してもスイッチング素子の動作方法を正常時の方法から変更することで降圧動作の継続を可能とし運用上の信頼性を向上させるものである。
As described above, in the DC / DC converter according to Embodiment 2 of the present application, even if an open failure or a short-circuit failure occurs in the intermediate capacitor C1, the on / off switching pattern of the switching elements S3 and S4 is different from the normal pattern. By making the change, the step-down operation can be continued.
In this way, it is not necessary to prepare the intermediate capacitor C1 in preparation for the failure, and the amount of parts is reduced. Even if the intermediate capacitor C1 breaks down, the switching element operation method is changed from the normal method to reduce the voltage. It is possible to continue operation and improve operational reliability.

実施の形態3.
図17は本発明の実施の形態3におけるDC/DCコンバータの構成を示す回路図である。図17に示すDC/DCコンバータは、Vin側からVout側にエネルギを送る場合は昇圧動作、Vout側からVin側にエネルギを送る場合は降圧動作を行い、双方向にエネルギを送ることができる。
Embodiment 3 FIG.
FIG. 17 is a circuit diagram showing a configuration of a DC / DC converter according to Embodiment 3 of the present invention. The DC / DC converter shown in FIG. 17 can send energy in both directions by performing a step-up operation when energy is sent from the Vin side to the Vout side and a step-down operation when sending energy from the Vout side to the Vin side.

その主回路の構成要素として、入力電圧Vinを保持する低圧側平滑コンデンサである入力側平滑コンデンサCin、出力電圧Voutを保持する高圧側平滑コンデンサである出力側平滑コンデンサCout、エネルギの蓄勢放勢を行うコイルL、コイルLと協働して電荷の充電放電を行う中間コンデンサC1、および互いに直列に接続され、負極側から順次配列された第1〜第4の半導体素子アームを備えている。   The main circuit components include an input-side smoothing capacitor Cin that is a low-voltage side smoothing capacitor that holds the input voltage Vin, an output-side smoothing capacitor Cout that is a high-voltage side smoothing capacitor that holds the output voltage Vout, and energy storage and release. , The intermediate capacitor C1 that charges and discharges electric charge in cooperation with the coil L, and the first to fourth semiconductor element arms that are connected in series and are sequentially arranged from the negative electrode side.

そして、図に示す極性で、第1ないし第4の半導体素子アームは、それぞれ、例えば、IGBT等の第1ないし第4のスイッチング素子S1〜S4とこのスイッチング素子S1〜S4と逆並列に接続された第1ないし第4のダイオード素子D1〜D4とから構成されている。   The first to fourth semiconductor element arms are connected in antiparallel to the first to fourth switching elements S1 to S4 such as IGBT and the switching elements S1 to S4, respectively, with the polarity shown in the figure. The first to fourth diode elements D1 to D4.

更に、これら要素の接続構成について説明する。低圧側平滑コンデンサCinは、その正極側端子(図17では上方の端子)はコイルLの一端に接続され、その負極側端子は、高圧側平滑コンデンサCoutの負極側端子と第1のスイッチング素子S1のエミッタ端子とに接続されている。コイルLの他端は、第2のスイッチング素子S2のコレクタ端子に接続されている。第4のスイッチング素子S4のコレクタ端子は高圧側平滑コンデンサCoutの正極側端子に接続されている。中間コンデンサC1は、その一端は第4のスイッチング素子S4のエミッタ端子に、その他端は第1のスイッチング素子S1のコレクタ端子に接続されている。   Further, the connection configuration of these elements will be described. The low voltage side smoothing capacitor Cin has a positive terminal (upper terminal in FIG. 17) connected to one end of the coil L, and a negative terminal connected to the negative terminal of the high voltage smoothing capacitor Cout and the first switching element S1. Connected to the emitter terminal. The other end of the coil L is connected to the collector terminal of the second switching element S2. The collector terminal of the fourth switching element S4 is connected to the positive terminal of the high-voltage side smoothing capacitor Cout. The intermediate capacitor C1 has one end connected to the emitter terminal of the fourth switching element S4 and the other end connected to the collector terminal of the first switching element S1.

次に、図17に示すDC/DCコンバータの昇圧動作時は、スイッチング素子S3、S4は常時オフとし、第3および第4の半導体素子アームはともにダイオード素子として機能させる。そして、第1および第2のスイッチング素子S1、S2を、先の実施の形態1と全く同様のパターンでオンオフ動作させることにより、中間コンデンサC1故障時も含めてVin側からVout側にエネルギを送るときの昇圧動作を行うことができる。   Next, during the step-up operation of the DC / DC converter shown in FIG. 17, the switching elements S3 and S4 are always off, and both the third and fourth semiconductor element arms function as diode elements. Then, the first and second switching elements S1 and S2 are turned on and off in the same pattern as in the first embodiment, so that energy is transmitted from the Vin side to the Vout side, including when the intermediate capacitor C1 fails. Boosting operation can be performed.

また、降圧動作時は、スイッチング素子S1、S2は常時オフとし、第1および第2の半導体素子アームはともにダイオード素子として機能させる。そして、第3および第4のスイッチング素子S3、S4を、先の実施の形態2と全く同様のパターンでオンオフ動作させることにより、中間コンデンサC1故障時も含めてVout側からVin側にエネルギを送るときの降圧動作を行うことができる。   Further, during the step-down operation, the switching elements S1 and S2 are always turned off, and both the first and second semiconductor element arms function as diode elements. Then, the third and fourth switching elements S3 and S4 are turned on / off in exactly the same pattern as in the second embodiment, so that energy is transmitted from the Vout side to the Vin side including the time when the intermediate capacitor C1 fails. The step-down operation can be performed.

以上のように、本願実施の形態3におけるDC/DCコンバータは、Vin側からVout側にエネルギを送る昇圧動作、Vout側からVin側にエネルギを送る降圧動作の双方向の変換動作が可能で、中間コンデンサC1に開放故障や短絡故障が発生しても、昇圧動作時には、スイッチング素子S1、S2のオンオフスイッチングパターンを正常時のパターンと異なるパターンに変更することにより昇圧動作が継続可能となり、降圧動作時には、スイッチング素子S3、S4のオンオフスイッチングパターンを正常時のパターンと異なるパターンに変更することにより降圧動作が継続可能となる。   As described above, the DC / DC converter according to the third embodiment of the present application can perform a bidirectional conversion operation of a step-up operation for sending energy from the Vin side to the Vout side and a step-down operation for sending energy from the Vout side to the Vin side. Even if an open circuit fault or a short circuit fault occurs in the intermediate capacitor C1, during the step-up operation, the step-up operation can be continued by changing the on / off switching pattern of the switching elements S1, S2 to a pattern different from the normal pattern. Sometimes, the step-down operation can be continued by changing the on / off switching pattern of the switching elements S3 and S4 to a pattern different from the normal pattern.

L コイル、C1 中間コンデンサ、S1〜S4 第1〜第4スイッチング素子、
D1〜D4 第1〜第4ダイオード素子。
L coil, C1 intermediate capacitor, S1 to S4, first to fourth switching elements,
D1 to D4 First to fourth diode elements.

Claims (8)

低圧側電圧を保持する低圧側平滑コンデンサ、負極側端子が前記低圧側平滑コンデンサの負極側端子に接続され高圧側電圧を保持する高圧側平滑コンデンサ、一端が前記低圧側平滑コンデンサの負極側端子に接続された第1の半導体素子アーム、一端が前記第1の半導体素子アームの他端に接続され他端がコイルを介して前記低圧側平滑コンデンサの正極側端子に接続された第2の半導体素子アーム、一端が前記第2の半導体素子アームの他端に接続された第3の半導体素子アーム、一端が前記第3の半導体素子アームの他端に接続され他端が前記高圧側平滑コンデンサの正極側端子に接続された第4の半導体素子アーム、および一端が前記第1の半導体素子アームと前記第2の半導体素子アームとの中間接続点に接続され他端が前記第3の半導体素子アームと前記第4の半導体素子アームとの中間接続点に接続された中間コンデンサを備え、
前記第1および第2の半導体素子アームにいずれもスイッチング素子とこのスイッチング素子と逆並列に接続されたダイオード素子との機能を持たせ、
前記第3および第4の半導体素子アームにいずれもダイオード素子の機能を持たせ、
前記第1および第2の半導体素子アームに持たせたスイッチング素子のオンオフスイッチング機能により、入力された前記低圧側平滑コンデンサの電圧を昇圧した電圧に変換して前記高圧側平滑コンデンサに出力する昇圧動作、または、
前記第3および第4の半導体素子アームにいずれもスイッチング素子とこのスイッチング素子と逆並列に接続されたダイオード素子との機能を持たせ、
前記第1および第2の半導体素子アームにいずれもダイオード素子の機能を持たせ、
前記第3および第4の半導体素子アームに持たせたスイッチング素子のオンオフスイッチング機能により、入力された前記高圧側平滑コンデンサの電圧を降圧した電圧に変換して前記低圧側平滑コンデンサに出力する降圧動作が可能なDC/DCコンバータにおいて、
前記中間コンデンサの開放故障または短絡故障を検出する手段を備え、前記開放故障または短絡故障が検出された場合、前記第1および第2の半導体素子アームまたは前記第3および第4の半導体素子アームに持たせたスイッチング素子のオンオフスイッチングパターンを正常時のパターンと異なる所定のパターンに変更することにより昇圧動作または降圧動作を継続可能としたことを特徴とするDC/DCコンバータ。
A low-voltage side smoothing capacitor that holds a low-voltage side voltage, a negative-side terminal connected to a negative-side terminal of the low-voltage side smoothing capacitor and a high-voltage side smoothing capacitor that holds a high-voltage side voltage, and one end connected to the negative-side terminal of the low-voltage side smoothing capacitor A first semiconductor element arm connected, a second semiconductor element having one end connected to the other end of the first semiconductor element arm and the other end connected to the positive terminal of the low-voltage side smoothing capacitor via a coil An arm, one end connected to the other end of the second semiconductor element arm, one end connected to the other end of the third semiconductor element arm, and the other end connected to the positive electrode of the high-voltage side smoothing capacitor A fourth semiconductor element arm connected to the side terminal, and one end connected to an intermediate connection point between the first semiconductor element arm and the second semiconductor element arm and the other end connected to the third semiconductor element arm; An intermediate capacitor connected to an intermediate connection point between the conductor element arm fourth semiconductor element arms,
Each of the first and second semiconductor element arms has a function of a switching element and a diode element connected in reverse parallel to the switching element,
Each of the third and fourth semiconductor element arms has a function of a diode element,
The step-up operation of converting the input voltage of the low-voltage side smoothing capacitor into a boosted voltage and outputting it to the high-voltage side smoothing capacitor by the on / off switching function of the switching elements provided in the first and second semiconductor element arms Or
Each of the third and fourth semiconductor element arms has a function of a switching element and a diode element connected in reverse parallel to the switching element,
Each of the first and second semiconductor element arms has a function of a diode element,
Step-down operation for converting the input voltage of the high-voltage side smoothing capacitor into a step-down voltage and outputting it to the low-voltage side smoothing capacitor by the on / off switching function of the switching elements provided in the third and fourth semiconductor element arms In a DC / DC converter capable of
Means for detecting an open fault or a short-circuit fault of the intermediate capacitor, and when the open fault or the short-circuit fault is detected, the first and second semiconductor element arms or the third and fourth semiconductor element arms are provided. A DC / DC converter characterized in that the step-up operation or the step-down operation can be continued by changing the on / off switching pattern of the provided switching element to a predetermined pattern different from the normal pattern.
前記昇圧動作において前記中間コンデンサの開放故障が検出された場合、
前記第1の半導体素子アームに持たせた第1のスイッチング素子と前記第2の半導体素子アームに持たせた第2のスイッチング素子とを互いに同時にオンオフさせるパターンに変更することを特徴とする請求項1記載のDC/DCコンバータ。
When an opening failure of the intermediate capacitor is detected in the boost operation,
The first switching element provided in the first semiconductor element arm and the second switching element provided in the second semiconductor element arm are changed to a pattern for simultaneously turning on and off each other. The DC / DC converter according to 1.
前記昇圧動作において前記中間コンデンサの短絡故障が検出された場合、
前記第2の半導体素子アームに持たせた第2のスイッチング素子は常時オンさせ、前記第1の半導体素子アームに持たせた第1のスイッチング素子をオンオフさせるパターンに変更することを特徴とする請求項1記載のDC/DCコンバータ。
When a short circuit failure of the intermediate capacitor is detected in the boost operation,
The second switching element provided in the second semiconductor element arm is always turned on, and the first switching element provided in the first semiconductor element arm is changed to a pattern for turning on and off. Item 4. The DC / DC converter according to Item 1.
前記降圧動作において前記中間コンデンサの開放故障が検出された場合、
前記第3の半導体素子アームに持たせた第3のスイッチング素子と前記第4の半導体素子アームに持たせた第4のスイッチング素子とを互いに同時にオンオフさせるパターンに変更することを特徴とする請求項1記載のDC/DCコンバータ。
When an open fault of the intermediate capacitor is detected in the step-down operation,
The third switching element provided in the third semiconductor element arm and the fourth switching element provided in the fourth semiconductor element arm are changed to a pattern for simultaneously turning on and off each other. The DC / DC converter according to 1.
前記降圧動作において前記中間コンデンサの短絡故障が検出された場合、
前記第3の半導体素子アームに持たせた第3のスイッチング素子は常時オンさせ、前記第4の半導体素子アームに持たせた第4のスイッチング素子をオンオフさせるパターンに変更することを特徴とする請求項1記載のDC/DCコンバータ。
When a short circuit fault of the intermediate capacitor is detected in the step-down operation,
The third switching element provided in the third semiconductor element arm is always turned on, and the pattern is changed to a pattern in which the fourth switching element provided in the fourth semiconductor element arm is turned on / off. Item 4. The DC / DC converter according to Item 1.
前記第1および第2の半導体素子アームはいずれもスイッチング素子とこのスイッチング素子と逆並列に接続されたダイオード素子とで構成し、前記第3および第4の半導体素子アームはいずれもダイオード素子で構成し、前記昇圧動作を行うことを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1項に記載のDC/DCコンバータ。 Each of the first and second semiconductor element arms is constituted by a switching element and a diode element connected in reverse parallel to the switching element, and each of the third and fourth semiconductor element arms is constituted by a diode element. 4. The DC / DC converter according to claim 1, wherein the step-up operation is performed. 前記第3および第4の半導体素子アームはいずれもスイッチング素子とこのスイッチング素子と逆並列に接続されたダイオード素子とで構成し、前記第1および第2の半導体素子アームはいずれもダイオード素子で構成し、前記降圧動作を行うことを特徴とする請求項1、4、5のいずれか1項に記載のDC/DCコンバータ。 Each of the third and fourth semiconductor element arms is composed of a switching element and a diode element connected in reverse parallel to the switching element, and each of the first and second semiconductor element arms is composed of a diode element. The DC / DC converter according to claim 1, wherein the step-down operation is performed. 前記第1ないし第4の半導体素子アームはいずれもスイッチング素子とこのスイッチング素子と逆並列に接続されたダイオード素子とで構成し、
前記昇圧動作を行うときは、前記第3および第4の半導体素子アームを構成する第3および第4のスイッチング素子を常時オフとし、
前記降圧動作を行うときは、前記第1および第2の半導体素子アームを構成する第1および第2のスイッチング素子を常時オフとすることを特徴とする請求項1ないし5のいずれか1項に記載のDC/DCコンバータ。
Each of the first to fourth semiconductor element arms includes a switching element and a diode element connected in reverse parallel to the switching element.
When performing the boosting operation, the third and fourth switching elements constituting the third and fourth semiconductor element arms are always turned off,
6. The method according to claim 1, wherein when the step-down operation is performed, the first and second switching elements constituting the first and second semiconductor element arms are always turned off. The DC / DC converter described.
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