JP5328917B2

JP5328917B2 - Ｄｃ／ｄｃ変換器

Info

Publication number: JP5328917B2
Application number: JP2011523376A
Authority: JP
Inventors: ヴェンガークリストフ; マールッククリストフ; ガイガーアルベルト
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-08-19
Filing date: 2009-07-24
Publication date: 2013-10-30
Anticipated expiration: 2029-07-24
Also published as: DE102008041341A1; US20110204713A1; JP2012500616A; WO2010020519A1; CN102132477B; US9065351B2; CN102132477A; EP2316159A1; EP2316159B1

Description

本発明は、ＤＣ／ＤＣ変換器、殊に、変換器の給電電圧に持続的に接続されている複数のコンデンサを有するＤＣ／ＤＣ変換器に関する。

自動車の分野に使用するために、スイッチングされるＤＣ／ＤＣ変換器を、蓄積型のインダクタンスを有するように構成することができる。その種の蓄積型のインダクタンスは、例えばパルス幅変調信号を用いた給電電位と接地電位との間の制御にしたがい、接地接続されたスイッチによって短絡される。短絡が生じた後に、充電された蓄積型のインダクタンスから、出力電圧を供給する出力コンデンサへと電流が流れる。接地接続されたスイッチを制御するためのパルス幅変調信号のデューティー比に応じて、出力電圧の高さを調整することができる。

殊に、給電電位線および出力線への電磁放射を低減することを目的として電磁両立性（ＥＭＣ）を改善するために、通常の場合はＬＣフィルタがそれぞれ必要とされる。入力側および出力側のＬＣフィルタの出力コンデンサもキャパシタンスも給電電圧ないし出力電圧と接続されているので、これによって妨害量、すなわち、給電電位から接地電位への給電電圧レベルの変化が生じる。このことは電解コンデンサを使用する場合には、ＤＣ／ＤＣ変換器が車両の搭載電源網と持続的に直接接続されていることに起因して、給電電圧のリプルによって高い実効値電流が生じるという欠点を有する。したがって電解コンデンサをこの高い実効値電流に合わせて設計する必要があるが、このことは比較的高価なコンデンサの使用を必要とする。

電解コンデンサの代わりに使用することができるセラミックコンデンサは障害の発生時に破損する可能性がある。セラミックがそのように破損することによってセラミックコンデンサの層間に短絡が生じ、これによってコンデンサ内に障害電流および損失出力が発生する可能性がある。

従来のＤＣ／ＤＣ変換器においては、コンデンサが通常の場合、高い給電電位と接地電位との間に配置されているので、これによって全体的に永続的な電流の流れが生じ、この電流によってＤＣ／ＤＣ変換器に使用される構成素子に悪影響が及ぼされ、給電網（自動車の場合には搭載電源網）に不必要な負荷が掛かる可能性がある。

本発明の課題は、殊に、ＤＣ／ＤＣ変換器が出力電圧を供給するために能動的に制御されないときに、寄生電流の発生を十分に回避することができる、スイッチングされるＤＣ／ＤＣ変換器を提供することである。

発明の概要
この課題は請求項１に記載されている電圧変換器によって解決される。

本発明の別の有利な実施形態は従属請求項に記載されている。

第１の態様によれば、出力電圧を供給するためのＤＣ／ＤＣ変換器が提供される。

このＤＣ／ＤＣ変換器は、以下の構成要素を含む：
−スイッチングされる直流電圧変換器；
−直流電圧変換器に第１の給電電位および第２の給電電位を供給する給電入力側；
−直流電圧変換器の起動状態に依存して第２の給電電位に接続される電位点；
−直流電圧変換器の起動によって出力電圧に充電され、また出力電位を取り出すことができる、出力端子および電位点と接続されている出力コンデンサ。出力電圧は出力電位と第２の給電電位との間に供給される。

上述の直流電圧変換器の着想は、直流電圧変換器が遮断状態にあるときに、第２の給電電位、例えば接地電位を電位点から切り離すことにある。出力電圧を形成するために直流電圧変換器が起動されたときに初めて、直流電圧変換器の電位点が給電接地電位に接続される。電位点には出力コンデンサと、必要に応じて直流電圧変換器内の別のコンデンサとが接続されている。このようにして、直流電圧変換器が遮断された状態では、給電電圧におけるリプルに起因するか、もしくは、コンデンサ内の短絡または沿面電流に起因する、直流電圧変換器内に流れる電流の発生、したがって給電網の負荷または障害の発生を回避することができる。

さらには、入力側および／または出力側において直流電圧変換器および電位点と接続されている、１つまたは複数のフィルタコンデンサを設けることができる。

１つの実施形態によれば、電位点をスイッチ、例えば半導体スイッチまたは機械的なリレーを介して第２の給電電位と接続することができるので、スイッチのスイッチング状態に依存して第２の給電電位は電位点に印加されているか、電位点はフローティングしている、もしくは第２の給電電位と所期のように高抵抗で接続されている。

さらには、直流電圧変換器に対する制御信号を形成し、それによって出力電圧を形成するために直流電圧変換器を起動させる制御ユニットを設けることができる。

制御ユニットをスイッチと接続し、直流電圧変換器がある期間内に起動されることを表す起動信号を供給することができる。

さらには、障害電流検出ユニットと接続されている制御ユニットを設けることができ、これによって、直流電圧変換器が起動していない状態において電位点を介して障害電流についての情報が検出され、この障害電流についての情報に依存して、直流電圧変換器が起動される。

１つの実施形態によれば、極性反転保護ユニットが設けられており、この極性反転保護ユニットはスイッチと接続されており、第１の給電電位と第２の給電電位との比の符号に依存して第２の給電電位がスイッチに供給される。

さらに直流電圧変換器は直流電圧経路を有することができ、この直流電圧経路によって直流電圧変換器の不活性状態時に第１の給電電位から出力端子に直流電流が流れる。換言すれば、直流電圧変換器は第１の給電電位と出力端子との間に、導電分離される電気的な構成素子を有していない。これによって、直流電圧変換器が不活性であっても、すなわち制御ユニットによって制御されていない場合であっても、給電電圧を用いた電気的な装置の駆動が実現される。

別の態様によれば、出力電圧を供給するためのＤＣ／ＤＣ変換器の作動方法が提供される。この方法は、以下のステップを有する：
−第１の給電電位および第２の給電電位を、スイッチングされる直流電圧変換器の給電電位入力側に供給するステップ；
−出力電位と第２の給電電位との間に出力電圧を供給するステップ；ここで、出力電位は、出力端子および電位点と接続されている出力コンデンサにおいて取り出し可能であり、また出力コンデンサは直流電圧変換器の起動によって出力電圧に充電可能である；
−直流電圧変換器の起動状態に依存して第２の給電電位を電位点に接続するステップ。

別の態様によれば、上述のＤＣ／ＤＣ変換器が、負荷、殊に内燃機関のためのスタータと、電気的に駆動される装置とを備えた車両における使用方法が提供される。制御ユニットはＤＣ／ＤＣ変換器を制御し、負荷がスイッチオンされる直前に電位点は第２の給電電位と接続される。

以下では、添付の図面を参照しながら本発明の有利な実施形態を詳細に説明する。

ＤＣ／ＤＣ変換器を介して駆動される装置と、スタート・ストップシステムとを備えた車両の概略図を示す。ＤＣ／ＤＣ変換器の接地電位に関する遮断手段を備えた、ＤＣ／ＤＣ変換器の回路構造の概略図を示す。

図１は、内燃機関２を備えた車両１を示す。内燃機関２は従来の方式で駆動される。さらに、走行モードに応じた内燃機関の停止および再始動が行われる機関管理を実施するためのスタート・ストップユニット３が設けられている。内燃機関２の始動は、バッテリ５を介して駆動されるスタータ４を起動することによって行われる。バッテリ５は搭載電源網６を介してスタータ４と接続されている。

殊に、内燃機関２の再始動の際には、搭載電源網６において電圧の急激で著しい変化が生じる。とりわけ、損傷しやすい電子機器、例えばナビゲーションシステムなどのようなインフォテイメント（Infotainment）機器７は、内燃機関２の再始動中も持続的に動作状態に留まっているべきものであり、したがってそのような機器にはＤＣ／ＤＣ変換器８を制御することにより給電が行われなければならない。すなわちＤＣ／ＤＣ変換器８を用いることによって、給電電圧の変動に敏感に反応する機器が内燃機関２の始動中は安全な搭載電源網において、すなわちスタータの起動時に生じる可能性がある電圧の急激な変化に対して保護されている搭載電源網の部分において駆動できることが保証される。

図２にはその種のＤＣ／ＤＣ変換器８が示されており、このＤＣ／ＤＣ変換器８には車両１内のバッテリ５のような電圧源に由来する入力電圧Ｕ_inが搭載電源網６を介して供給される。入力電圧Ｕ_inは給電電位線１１を介して印加される高い給電電位Ｖ_Mと給電接地電位ＧＮＤ＿Ｖとの間に印加される。

高い給電電位Ｖ_Mは、第１のコンデンサＣ１および第１のコイルＬ１を有する入力ＬＣフィルタにおいてフィルタリングされる。第１のコンデンサＣ１の第１の端子は、高い給電電位Ｖ_Mが印加されている給電電位線１１と接続されており、また第２の端子は、変換器接地電位ＧＮＤ＿Ｖが印加されている変換器接地電位線１２と接続されている。第１のコイルＬ１の第１の端子は給電電位線１１と接続されており、また第２の端子は入力コンデンサＣＥと、変換器コイルＬＷの第１の端子と接続されている。入力コンデンサＣＥの第２の端子は変換器接地電位ＧＮＤ＿Ｗと接続されている。

変換器コイルＬＷの第２の端子は第１の電界効果トランジスタＸ１の第１の端子、例えばドレイン端子と接続されており、またフライホイールダイオードＤ１の第１の端子（アノード端子）と接続されている。第１の電界効果トランジスタＸ１の第２の端子（ソース端子）は直接的に、または測定抵抗Ｍ１を介して変換器接地電位ＧＮＤ＿Ｗと接続されている。第１の電界効果トランジスタＸ１の制御端子（ゲート端子）は制御ユニット２と接続されており、この制御ユニット２はパルス幅変調された制御信号ＰＷＭを第１の電界効果トランジスタＸ１のゲート端子に与え、この第１の電界効果トランジスタＸ１を流れ、また例えば測定抵抗Ｍ１を用いて測定される電流に依存せずに、パルス幅変調された制御信号ＰＭＷのデューティー比を調整し、ＤＣ／ＤＣ変換器の出力電圧Ｕ_outを所望の値に制御する。

フライホイールダイオードＤ１の第２の端子、すなわちカソード端子は、第２のコンデンサＣ２の第１の端子および第２のコイルＬ２の第１の端子と接続されている。第２のコンデンサＣ２の第２の端子は変換器接地電位ＧＮＤ＿Ｗと接続されており、また第２のコイルＬ２の第２の端子はＤＣ／ＤＣ変換器の出力側および出力コンデンサＣＡの第１の端子と接続されている。出力コンデンサＣＡの第２の端子は変換器接地電位ＧＮＤ＿Ｗと接続されている。

ＤＣ／ＤＣ変換器は、高い給電電位Ｖ_Mと変換器接地電位ＧＮＤ＿Ｗとの間に接続されている複数のコンデンサを有していることが分かる。例えば、搭載電源網における負荷の相応の関係においてジェネレータによって発生する給電電圧におけるリプルの発生時にはコンデンサに電流が流れ、この電流によって給電電圧を供給する搭載電源網６の付加的な負荷が生じる。さらには、コンデンサＣ１，ＣＷ，Ｃ２，ＣＡ内部の短絡によって、寄生電流および搭載電源網６の別の負荷が生じる可能性がある。

この種の負荷を少なくともＤＣ／ＤＣ変換器１が遮断された状態において回避するために、ＤＣ／ＤＣ変換器は、搭載電源網６の給電接地電位ＧＮＤ＿Ｖからは切り離された変換器接地電位ＧＮＤ＿Ｗを有し、この変換器接地電位ＧＮＤ＿Ｗは、出力電圧Ｕ_outを供給するために、ＤＣ／ＤＣ変換器が作動している場合にのみ、すなわち、第１の電界効果トランジスタＸ１がパルス幅変調された制御信号ＰＷＭに応じて駆動制御される場合にのみＤＣ／ＤＣ変換器において供給される。第１の電界効果トランジスタＸ１がスイッチオフされている場合、理想的には、変換器接地電位線１２に電位は印加されない。すなわち、変換器接地電位線１２はフローティングしている。実際には、電界効果トランジスタが阻止された状態での電位ＧＮＤ＿Ｗと電位ＧＮＤ＿Ｖとの間の接続部は所定の高い抵抗を有し、これにより搭載電源網および制御装置の許容できない負荷が阻止される。

変換器接地電位ＧＮＤ＿Ｗは実質的に第２の電界効果トランジスタＸ２を用いて供給される。第２の電界効果トランジスタＸ２の第１の端子（ドレイン端子）は変換器接地電位ＧＮＤ＿Ｗと接続されており、また第２の電界効果トランジスタＸ２の第２の端子（ソース端子）を第３の電界効果トランジスタＸ３を介して給電接地電位ＧＮＤと接続することができる。第２の電界効果トランジスタＸ２の第２の端子は、第１の抵抗Ｒ１を介して第２の電界効果トランジスタＸ２の制御端子（ゲート端子）と接続されている。制御端子（ゲート端子）はさらに第２の抵抗Ｒ２を介して起動信号端子と接続されており、この起動信号端子を介して起動信号Ａを受信することができる。起動信号ＡはＤＣ／ＤＣ変換器がスイッチオンされるべき場合に出力される。この種の起動信号は例えばスタータ５の始動直前、例えばスタータ５の始動前の１５ｍｓのような所定の期間に供給される。これによって、導通接続された第２の電界効果トランジスタＸ２を介して、給電接地電位ＧＮＤ＿Ｖを変換器接地電位線１２に接続し、この変換器接地電位線１２を介してＤＣ／ＤＣ変換器に変換器接地電位ＧＮＤ＿Ｗを印加し、したがってバッテリ電圧Ｕ_inを供給することができる。

第２の電界効果トランジスタＸ２の第２の端子は、第３の電界効果トランジスタＸ３の第１の端子（ソース端子）を介して、給電接地電位ＧＮＤ＿Ｖと接続されており、この給電接地電位ＧＮＤ＿Ｖは第３の電界効果トランジスタＸ３の第２の端子に印加される。第３の電界効果トランジスタＸ３の制御端子（ゲート端子）には、第２のダイオードＤ２および第３の抵抗Ｒ３を介して、バッテリ電圧に依存し、かつ給電接地電位ＧＮＤ＿Ｖよりも大きい内部電圧が印加され、第３の電界効果トランジスタＸ３の第２の端子に接地電位が印加されると第３の電界効果トランジスタＸ３が導通接続される。第２のダイオードＤ２および第３の電界効果トランジスタＸ３はバッテリの極性反転から回路全体を保護するための極性反転ユニット１４を表し、したがって極性反転保護に使用される。極性反転時に、高い給電電位Ｖ_Mが給電接地電位ＧＮＤ＿Ｖと接続され、給電接地電位ＧＮＤ＿Ｖが高い電位になると、第３の電界効果トランジスタＸ３が阻止されるので、第２の電界効果トランジスタＸ２は給電接地電位を変換器接地電位線１２に接続することはできない。

さらに、障害電流検出器１３が設けられており、この障害電流検出器１３においては変換器接地電位線３がトランジスタＱ１と、第４の抵抗Ｒ４および第５の抵抗からなる分圧器とを介して給電接地電位ＧＮＤ＿Ｖと接続されている。起動信号Ａを用いて第２の電界効果トランジスタＸ２を起動させる前に、障害電流検出器６を用いて、コンデンサＣ１，ＣＥ，Ｃ２，ＣＡが、高い給電電位Ｖ_Mと給電接地電位ＧＮＤ＿Ｖとの間での十分な絶縁性を提供するか否かが確認される。障害電流が所定の閾値を上回らなくなったときに初めて、制御ユニット１０は起動信号Ａを第２の電界効果トランジスタＸ２に供給し、これにより変換器接地電位ＧＮＤ＿Ｗが給電接地電位ＧＮＤ＿Ｖと接続される。障害電流の値は、第４の抵抗Ｒ４および第５の抵抗Ｒ５によって形成される分圧器において電圧を取り出すことによって、制御ユニット１０によって検出される。

ＤＣ／ＤＣ変換器８の遮断可能な変換器接地電位ＧＮＤ＿Ｗを設けることによって、ＤＣ／ＤＣ変換器８の全てのコンデンサＣ１，ＣＥ，Ｃ２，ＣＡを接続することができる、保護された変換器接地電位ＧＮＤ＿Ｗを形成することができる。したがってＤＣ／ＤＣ変換器８が起動されていない場合に、電界効果トランジスタＸ２が阻止されていれば、障害のあるコンデンサを流れる実効値電流負荷ないし障害電流、もしくは搭載電源網の給電電圧における変動が回避される。ＤＣ／ＤＣ変換器が起動される直前には、第２の電界効果トランジスタＸ２がスイッチオンされ、変換器接地電位ＧＮＤ＿Ｗが可能な限り低抵抗で給電接地電位ＧＮＤ＿Ｖと接続される。

殊に、（電界効果トランジスタＸ２およびＸ３を通る）変換器接地電位経路の遮断は、ＤＣ／ＤＣ変換器８が起動している時間が数秒の範囲にある場合には有利である。これは例えば、スタート・ストップ装置の場合に当てはまる。このような短い時間であれば、比較的高い実効値電流によるコンデンサの加熱も僅かで済む。金属マイグレーションに起因する低抵抗の短絡を惹起するセラミックコンデンサにおける障害の発生時にも、第２の電界効果トランジスタＸ２を短時間スイッチオンすることによって、熱的な過負荷が即座に発生することはない。

起動信号を介する負荷のスイッチオンが予めＤＣ／ＤＣ変換器８に通知されることは必ずしも必要とされない。搭載電源網における電圧の急激な変化を検出して相応の起動信号を生成し、そのような電圧の急激な変化が生じた際にＤＣ／ＤＣ変換器８をスイッチオンする検出ユニットを設けることもできる。この場合、電圧の急激な変化は不可避である。しかしながら、そのような電圧の急激な変化は時間的に限定されたものである。

Claims

出力電圧（Ｕ_out）を供給するためのＤＣ／ＤＣ変換器（８）において、
該ＤＣ／ＤＣ変換器（８）は、
スイッチングされる直流電圧変換器（ＬＷ，Ｘ１，Ｄ１）と、
前記直流電圧変換器（ＬＷ，Ｘ１）に第１の給電電位（Ｖ_M）および第２の給電電位（ＧＮＤ＿Ｖ）を供給する給電入力側と、
前記直流電圧変換器（ＬＷ，Ｘ１，Ｄ１）の起動状態に依存して、前記第２の給電電位（ＧＮＤ＿Ｖ）に接続される電位点（１２）と、
出力端子および前記電位点（１２）と接続されている出力コンデンサ（ＣＡ）とを有し、該出力コンデンサ（ＣＡ）は、前記直流電圧変換器（ＬＷ，Ｘ１）の起動によって前記出力電圧（Ｕ_out）に充電され、該出力コンデンサ（ＣＡ）において出力電位を取り出し可能であり、前記出力電圧（Ｕ_out）は前記出力電位と前記第２の給電電位（ＧＮＤ＿Ｖ）との間に供給されることを特徴とする、ＤＣ／ＤＣ変換器（８）。
１つまたは複数のフィルタコンデンサ（Ｃ１，Ｃ２）が設けられており、該フィルタコンデンサ（Ｃ１，Ｃ２）は入力側および／または出力側において前記直流電圧変換器（ＬＷ，Ｘ１，Ｄ１）および前記電位点（１２）と接続されている、請求項１記載のＤＣ／ＤＣ変換器（８）。
前記電位点（１２）はスイッチを介して前記第２の給電電位（ＧＮＤ＿Ｖ）と接続されており、前記スイッチ（Ｘ２）のスイッチング状態に依存して前記第２の給電電位（ＧＮＤ＿Ｖ）は前記電位点（１２）に印加されているか、前記電位点（１２）はフローティングしている、もしくは前記第２の給電電位（ＧＮＤ＿Ｖ）と高抵抗で接続されている、請求項１または２記載のＤＣ／ＤＣ変換器（８）。
前記直流電圧変換器（ＬＷ，Ｘ１，Ｄ１）に対する制御信号を形成するために制御ユニット（１０）が設けられており、前記制御信号を用いて前記直流電圧変換器（ＬＷ，Ｘ１，Ｄ１）は前記出力電圧（Ｕ_out）を形成するために起動される、請求項３記載のＤＣ／ＤＣ変換器（８）。
前記直流電圧変換器（ＬＷ，Ｘ１，Ｄ１）がある期間内に起動されることを表す起動信号（Ａ）を供給するために、前記制御ユニット（１０）は前記スイッチ（Ｘ２）と接続されている、請求項４記載のＤＣ／ＤＣ変換器（８）。
前記直流電圧変換器（ＬＷ，Ｘ１，Ｄ１）が起動していない状態において、前記電位点（１２）を介して障害電流についての情報を検出し、該障害電流についての情報に依存して、前記直流電圧変換器（ＬＷ，Ｘ１，Ｄ１）を起動させるために、前記制御ユニット（１０）は障害電流検出ユニットと接続されている、請求項４または５記載のＤＣ／ＤＣ変換器（８）。
前記第１の給電電位（Ｖ_M）と前記第２の給電電位（ＧＮＤ＿Ｖ）との比の符号に依存して前記第２の給電電位（ＧＮＤ＿Ｖ）を前記スイッチ（Ｘ２）に供給するために、前記スイッチ（Ｘ２）と接続されている極性反転保護ユニット（１４）が設けられている、請求項３から６までのいずれか１項記載のＤＣ／ＤＣ変換器（８）。
前記直流電圧変換器（ＬＷ，Ｘ１，Ｄ１）は直流電圧経路を有し、該直流電圧経路によって前記直流電圧変換器（ＬＷ，Ｘ１，Ｄ１）の不活性状態時に前記第１の給電電位（Ｖ_M）から前記出力端子に直流電流が流れる、請求項１から７までのいずれか１項記載のＤＣ／ＤＣ変換器（８）。
出力電圧（Ｕ_out）を供給するためのＤＣ／ＤＣ変換器（８）の作動方法において、
第１の給電電位（Ｖ_M）および第２の給電電位（ＧＮＤ＿Ｖ）を、スイッチングされる直流電圧変換器（ＬＷ，Ｘ１，Ｄ１）の給電電位入力側に供給するステップと、
出力端子および電位点（１２）と接続されており、かつ前記直流電圧変換器（ＬＷ，Ｘ１，Ｄ１）の起動によって前記出力電圧（Ｕ_out）に充電可能である出力コンデンサ（ＣＡ）において取り出される出力電位と、前記第２の給電電位（ＧＮＤ＿Ｖ）との間に前記出力電圧（Ｕ_out）を供給するステップと、
前記直流電圧変換器（ＬＷ，Ｘ１，Ｄ１）の起動状態に依存して、前記第２の給電電位（ＧＮＤ＿Ｖ）を前記電位点（１２）に接続するステップとを有する、
ことを特徴とする、ＤＣ／ＤＣ変換器（８）の作動方法。
負荷と、電気的に駆動される装置とを備えた車両における、請求項１から８までのいずれか１項記載のＤＣ／ＤＣ変換器（８）の使用方法において、
制御ユニットが前記ＤＣ／ＤＣ変換器（８）を制御し、負荷がスイッチオンされる直前に電位点を第２の給電電位（ＧＮＤ＿Ｖ）と接続することを特徴とする、ＤＣ／ＤＣ変換器（８）の使用方法。