JP5460548B2 - DC-DC converter and control method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、DC−DCコンバータ及びその制御方法に関し、特に、低損失の片側駆動方式のV2制御を適切に実行することが可能なDC−DCコンバータ及びその制御方法に関する。 The present invention relates to a DC-DC converter and a control method thereof, and more particularly to a DC-DC converter and a control method thereof capable of appropriately executing a low-loss one-side drive type V2 control.
近年、動力源の1つとして電気駆動のモータを有するHEV(Hybrid Electric Vehicle)が普及化しつつある。
このようなHEVには、モータに電力を供給して駆動するために、PDU(Power Drive Unit)システムが搭載されている。
In recent years, HEVs (Hybrid Electric Vehicles) having an electrically driven motor as one of the power sources are becoming popular.
Such a HEV is equipped with a PDU (Power Drive Unit) system in order to supply electric power to the motor for driving.
PDUシステムには、DC(Direct Current)−DCコンバータ(特許文献1及び2参照)が設けられている場合が多い。
DC−DCコンバータにおいては、その入力側(1次側)にバッテリが接続され、出力側(2次側)には、モータを駆動するためのインバータが負荷として接続される。
DC−DCコンバータは、2次側電圧を昇圧してバッテリを放電することによって、負荷に電力を力行させる動作(以下、「力行動作」と呼ぶ)を実行できる。逆に、DC−DCコンバータは、2次側電圧を降圧して負荷から電力を回生することによって、バッテリを充電する動作(以下、「回生動作」と呼ぶ)を実行できる。
なお、このように1次側と2次側の双方向に電力を供給する動作、即ち力行動作及び回生動作が可能なDC−DCコンバータを、以下、「双方向DC−DCコンバータ」と呼ぶ。
In many cases, a PDU system is provided with a DC (Direct Current) -DC converter (see Patent Documents 1 and 2).
In the DC-DC converter, a battery is connected to the input side (primary side), and an inverter for driving the motor is connected to the output side (secondary side) as a load.
The DC-DC converter can execute an operation (hereinafter, referred to as “power running operation”) that causes the load to power the power by boosting the secondary side voltage and discharging the battery. Conversely, the DC-DC converter can perform an operation of charging the battery (hereinafter referred to as “regenerative operation”) by stepping down the secondary side voltage and regenerating power from the load.
Note that a DC-DC converter capable of supplying power in both directions on the primary side and the secondary side, that is, a power running operation and a regenerative operation in this way is hereinafter referred to as a “bidirectional DC-DC converter”.
このような双方向DC−DCコンバータの2次側電圧V2を昇圧させたり降圧させる制御は、「V2制御」と呼ばれている。
V2制御は、直列接続された2つのスイッチング素子の各駆動を制御することにより実現され、これら2つのスイッチング素子の各駆動の制御の手法が相互に異なる2種類の方式、即ち、片側駆動方式及び相補駆動方式に大別される。
片側駆動方式とは、一般的に、2つのスイッチング素子のうち、一方のみを力行動作で駆動させ(他方は駆動を禁止させ)、他方のみを回生動作で駆動させる(一方は駆動を禁止させる)方式をいう。
相補駆動方式とは、力行動作及び回生動作の何れにおいても、2つのスイッチング素子を駆動させる方式をいう。相補駆動方式は、片側駆動方式と比較するとV2制御がし易いため、広く用いられている。
Such control for increasing or decreasing the secondary voltage V2 of the bidirectional DC-DC converter is referred to as “V2 control”.
V2 control is realized by controlling each drive of two switching elements connected in series, and there are two types of methods in which the control of each drive of these two switching elements is different from each other, that is, one-side drive method and Broadly divided into complementary drive systems.
In the one-side drive method, generally, only one of the two switching elements is driven by a power running operation (the other prohibits driving), and only the other is driven by a regenerative operation (one prohibits driving). Refers to the method.
The complementary driving method is a method of driving two switching elements in both the power running operation and the regenerative operation. The complementary driving method is widely used because V2 control is easier than the one-side driving method.
しかしながら、V2制御においては、負荷が軽くなる等に起因して電力が低下すると、双方向DC−DCコンバータの回路電流が0[A]に到達する場合がある。このような場合のV2制御を、以下、「低電力域でのV2制御」と呼ぶ。
相補駆動方式による低電力域でのV2制御では、回路電流は、上昇又は減少して0[A]に到達しても、そのまま上昇又は減少し続ける。このため、回路電流が逆流することになるが、このような逆流する回路電流は、V2制御にとって余分な電流であり、その分だけ損失が大きくなる。
However, in the V2 control, when the power decreases due to a light load or the like, the circuit current of the bidirectional DC-DC converter may reach 0 [A]. The V2 control in such a case is hereinafter referred to as “V2 control in a low power range”.
In the V2 control in the low power range by the complementary driving method, the circuit current continues to increase or decrease as it increases or decreases and reaches 0 [A]. For this reason, the circuit current flows backward, but such a backward flowing circuit current is an excess current for the V2 control, and the loss increases accordingly.
これに対して、従来の片側駆動方式による低電力域でのV2制御では、回路電流は、上昇又は減少して0[A]に到達すると、0[A]をそのまま維持する。従って、片側駆動方式は、相補駆動方式のように回路電流が逆流することがないため、その分だけ損失が小さくなる。
このため、双方向DC−DCコンバータのV2制御として、低損失の片側駆動方式を採用すると好適であるが、相補駆動方式と同様な一般的な取り扱いをすると適切なV2制御ができないため、適切なV2制御を実現できる手法が要求されている。
On the other hand, in the V2 control in the low power range by the conventional one-side drive method, when the circuit current increases or decreases and reaches 0 [A], 0 [A] is maintained as it is. Accordingly, in the one-side driving method, the circuit current does not flow backward unlike the complementary driving method, and thus the loss is reduced accordingly.
For this reason, it is preferable to adopt a low-loss one-side drive method as the V2 control of the bidirectional DC-DC converter. However, if the general handling similar to the complementary drive method is performed, appropriate V2 control cannot be performed. A technique capable of realizing V2 control is required.
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、低損失の片側駆動方式のV2制御を適切に実行することが可能な双方向DC−DCコンバータ及びその制御方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such a situation, and provides a bidirectional DC-DC converter and a control method thereof capable of appropriately executing low-loss single-side drive V2 control. Objective.
本発明のDC−DCコンバータ(例えば実施形態における双方向DC−DCコンバータ12)は、
1次側に直流電源(例えば実施形態におけるバッテリ11)が接続され、2次側に負荷(例えば実施形態におけるモータ22を含む負荷13)が接続され
第1スイッチング素子(例えば実施形態におけるスイッチング素子SL)及び第2スイッチング素子(例えば実施形態におけるスイッチング素子SH)の直列接続を有する回路部(例えば実施形態における電源回路部51)と、
前記第1スイッチング素子及び前記第2スイッチング素子の駆動を制御して、2次側電圧を任意の値に維持することによって、前記直流電源から前記負荷に電力を力行する力行動作、又は、前記負荷から前記直流電源に電力を回生する回生動作を実現する制御部(例えば実施形態における制御部52)と、
を備えるDC−DCコンバータであって、
前記第1スイッチング素子及び前記第2スイッチング素子の駆動モードとして、
第1DUTYのパルスにより前記第1スイッチング素子を駆動させて、前記第2スイッチング素子の駆動を禁止することによって、2次側電圧を任意の値に維持する第1駆動モード(例えば実施形態におけるSL駆動モード)と、
前記第1スイッチング素子の駆動を禁止して、第2DUTYのパルスにより前記第2スイッチング素子を駆動させることによって、2次側電圧を任意の値に維持する第2駆動モード(例えば実施形態におけるSH駆動モード)と、
を有し、
前記制御部は、
前記第1DUTYの指令(例えば実施形態におけるBOOSTDUTY*)及び前記第2DUTYの指令(例えば実施形態におけるBUCKDUTY*)を生成し、
前記力行動作の場合、前記第1DUTYの指令が0以上のときには前記第1駆動モードを実行し、前記第1DUTYの指令が0未満のときには前記第2駆動モードを実行し、
前記回生動作の場合、前記第2DUTYの指令が0以上のときには前記第2駆動モードを実行、前記第2DUTYの指令が0未満のときには前記第1駆動モードを実行する、
ことを特徴とする。
The DC-DC converter of the present invention (for example, the bidirectional DC-
A DC power source (for example, the
A power running operation for powering the load from the DC power source to the load by controlling driving of the first switching element and the second switching element and maintaining a secondary voltage at an arbitrary value, or the load A control unit (for example, the
A DC-DC converter comprising:
As drive modes of the first switching element and the second switching element,
A first drive mode that maintains the secondary voltage at an arbitrary value by driving the first switching element with a pulse of the first DUTY and prohibiting the driving of the second switching element (for example, SL driving in the embodiment) Mode) and
A second drive mode for maintaining the secondary side voltage at an arbitrary value by prohibiting the drive of the first switching element and driving the second switching element with a pulse of the second DUTY (for example, SH drive in the embodiment) Mode) and
Have
The controller is
Generating the first DUTY command (for example, BOOSTDUTY * in the embodiment) and the second DUTY command (for example, BUCKDUTY * in the embodiment);
In the power running operation, the first drive mode is executed when the first DUTY command is 0 or more, and the second drive mode is executed when the first DUTY command is less than 0,
In the regenerative operation, when the second DUTY command is 0 or more, the second drive mode is executed, and when the second DUTY command is less than 0, the first drive mode is executed.
It is characterized by that.
この発明によれば、力行動作の場合、負荷の変動等により第1DUTYの指令が降下すると、第1DUTYの指令が0以上のときには第1駆動モードで実行され、第1DUTYの指令が0に到達しても動作が停止せずに、第1DUTYの指令が0未満になると、第2駆動モードで実行される。
同様に、回生動作の場合、負荷の変動等により第2DUTYの指令が下降すると、第2DUTYの指令が0以上のときには第2駆動モードで実行され、第2DUTYの指令が0に到達しても動作が停止せずに、第2DUTYの指令が0未満になると、第1駆動モードで実行される。
このようにして、片側駆動方式のV2制御を適切に実行することが可能になる。
具体的には、図9を参照して後述するが、片側駆動方式のV2制御を適切に実行することができるため、不要なリップル電圧を抑制し、安定した2次側電圧Vが得られるようになる。
According to the present invention, in the power running operation, when the first DUTY command is lowered due to load fluctuation or the like, the first DUTY command is executed in the first drive mode when the first DUTY command is 0 or more, and the first DUTY command reaches 0. However, if the operation of the first DUTY becomes less than 0 without stopping the operation, the operation is executed in the second drive mode.
Similarly, in the regenerative operation, when the second DUTY command is lowered due to load fluctuation or the like, it is executed in the second drive mode when the second DUTY command is 0 or more, and the operation is performed even if the second DUTY command reaches 0. If the second DUTY command is less than 0 without stopping, the first drive mode is executed.
In this way, it is possible to appropriately execute the V2 control of the one-side drive method.
Specifically, as will be described later with reference to FIG. 9, since the V2 control of the one-side drive method can be appropriately executed, an unnecessary ripple voltage is suppressed and a stable secondary voltage V can be obtained. become.
この場合、
前記制御部は、
さらに、前記負荷の電流が0以上の場合が前記力行動作の場合であると判定し、前記負荷の電流が0未満の場合が前記回生動作の場合と判定し、
前記負荷の電流が0以上の場合、
前記第1DUTYの指令が0以上のときには、前記第1駆動モードとして、当該第1DUTYの指令を用いて前記第1スイッチング素子を駆動させるとともに、前記第2スイッチング素子の駆動を禁止し、
前記第1DUTYの指令が0未満のときには、前記第2駆動モードとして、前記第1スイッチング素子の駆動を禁止するとともに、当該第1DUTUYの指令の符号反転値を前記第2DUTYの指令として用いて前記第2スイッチング素子を駆動させ、
前記負荷の電流が0未満の場合、
前記第2DUTYの指令が0以上のときには、前記第2駆動モードとして、前記第1スイッチング素子の駆動を禁止するとともに、当該第2DUTYの指令を用いて前記第2スイッチング素子を駆動させ、
前記第2DUTYの指令が0未満のときには、前記第1駆動モードとして、当該第2DUTUYの指令の符号反転値を前記第1DUTYの指令として用いて前記第1スイッチング素子を駆動させるとともに、前記第2スイッチング素子の駆動を禁止する、
ようにしてもよい。
in this case,
The controller is
Further, it is determined that the case where the load current is 0 or more is the case of the power running operation, and the case where the load current is less than 0 is determined as the case of the regenerative operation,
When the load current is 0 or more,
When the first DUTY command is 0 or more, as the first drive mode, the first switching element is driven using the first DUTY command, and the driving of the second switching element is prohibited,
When the first DUTY command is less than 0, as the second drive mode, the driving of the first switching element is prohibited and the sign inversion value of the first DUTUY command is used as the second DUTY command. 2 Drive the switching element,
When the load current is less than 0,
When the second DUTY command is equal to or greater than 0, as the second drive mode, the driving of the first switching element is prohibited, and the second switching element is driven using the second DUTY command,
When the second DUTY command is less than 0, as the first drive mode, the first switching element is driven using the sign inversion value of the second DUTUY command as the first DUTY command, and the second switching Prohibit driving of the element,
You may do it.
本発明のDC−DCコンバータの制御方法は、上述した本発明のDC−DCコンバータに対する制御方法である。従って、上述した本発明の半導体素子のDC−DCコンバータと同様の効果を奏することが可能になる。 The DC-DC converter control method of the present invention is a control method for the above-described DC-DC converter of the present invention. Therefore, it is possible to achieve the same effect as the above-described DC-DC converter of the semiconductor element of the present invention.
本発明によれば、低損失の片側駆動方式のV2制御を適切に実行することが可能になる。 According to the present invention, it is possible to appropriately execute V2 control of a low-loss one-side drive method.
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明に係るDC−DCコンバータを含む、車載用PDUシステムの一実施形態の概略構成を示す図である。 FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of an embodiment of an in-vehicle PDU system including a DC-DC converter according to the present invention.
車載用PDUシステムは、バッテリ11と、双方向DC−DCコンバータ12と、負荷13と、を備えている。車載用PDUシステムは、例えばHEVに搭載される。
The in-vehicle PDU system includes a
バッテリ11は、充放電することが可能な直流電源である。
The
双方向DC−DCコンバータ12においては、1次側(入力側)がバッテリ11と接続されており、2次側(出力側)が負荷13と接続されている。
双方向DC−DCコンバータ12は、2次側電圧V2を昇圧してバッテリ11を放電することによって、負荷13に電力を力行させる動作、即ち力行動作を実行できる。逆に、双方向DC−DCコンバータ12は、2次側電圧V2を降圧して負荷13から電力を回生することによって、バッテリ11を充電する動作、即ち回生動作を実行できる。
In the bidirectional DC-
The bidirectional DC-
負荷13は、インバータ21と、モータ22と、タイヤ23と、を備えている。
インバータ21は、双方向DC−DCコンバータ12の直流出力(2次側電圧V2)を交流に変換して、モータ22に供給することによって、モータ22を駆動する。
即ち、モータ22は、例えば交流により駆動される同期電動機であり、インバータ21の交流出力により駆動される。
タイヤ23は、モータ22の軸の回転に伴って回転し、図示せぬHEVを進行させる。
The
The
That is, the
The
ここで、本発明の理解を容易なものとすべく、図2乃至図4を参照して、一般的な双方向DC−DCコンバータの回路構成、及び、そのV2制御の手法の概略について説明する。 Here, in order to facilitate understanding of the present invention, a circuit configuration of a general bidirectional DC-DC converter and an outline of a V2 control method will be described with reference to FIGS. .
図2は、一般的な双方向DC−DCコンバータを含む、一般的な車載用PDUシステムの概略構成を示す図である。 FIG. 2 is a diagram showing a schematic configuration of a general in-vehicle PDU system including a general bidirectional DC-DC converter.
一般的な車載用PDUシステムは、バッテリ31と、一般的な双方向DC−DCコンバータ32と、負荷33と、を備えている。
A general in-vehicle PDU system includes a
バッテリ31及び負荷33の各々は、図1のバッテリ11及び負荷13の各々と基本的に同様の構成と機能を有しているため、ここではその説明は省略する。
Since each of the
一般的な双方向DC−DCコンバータ32は、電源回路部41と、CPU(Central Processing Unit)42と、を備えている。
The general bidirectional DC-DC converter 32 includes a power
電源回路部41は、スイッチング素子SH,SLと、コンデンサC1,C2と、リアクトルLと、抵抗R1乃至R4と、を備えている。
スイッチング素子SH,SLは直列接続されており、当該直列接続の両端に、負荷33が接続されている。当該直列接続の両端にはまた、コンデンサC2と、抵抗R3,R4の直列接続と、がそれぞれ接続されている。
スイッチング素子SH,SLの接続点には、リアクトルLを介して、バッテリ31の正極端が接続されている。バッテリ31の負極端には、スイッチング素子SH,SLの直列接続の両端のうちスイッチング素子SL側の端が接続されている。バッテリ31の正極端と負極端との間には、コンデンサC1と、抵抗R1,R2の直列接続と、がそれぞれ接続されている。
The power
The switching elements SH and SL are connected in series, and a load 33 is connected to both ends of the series connection. A capacitor C2 and a series connection of resistors R3 and R4 are also connected to both ends of the series connection.
The positive end of the
CPU42は、V2制御、即ち、電源回路部41の出力電圧たる2次側電圧V2の可変制御を実行する。
V2制御の方式は、大別して、相補駆動方式と、本発明で採用される片側駆動方式と、の2種類が存在する。
以下、相補駆動方式及び片側駆動方式の各々について、その差異を明確にしつつ説明する。
The
There are roughly two types of V2 control methods, a complementary drive method and a one-side drive method adopted in the present invention.
Hereinafter, the complementary driving method and the one-side driving method will be described while clarifying the differences.
図3は、双方向DC−DCコンバータにおける相補駆動方式及び片側駆動方式の比較を示す図である。 FIG. 3 is a diagram showing a comparison between a complementary driving method and a one-side driving method in a bidirectional DC-DC converter.
図3に示すように、電源回路部41のスイッチング素子SH,SLの駆動方式として、PWM(Pulse Width Modulation)駆動方式が採用されている。
即ち、スイッチング素子SH,SLの各々は、例えば、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等の半導体素子と、FWD(Free Wheeling Diode)との対により構成されている。
このような構成のスイッチング素子SH,SLは、供給される駆動信号によって、オフスイッチング及びオンスイッチングができる。ここで、オフスイッチングとは、スイッチング素子SH,SLが、導通状態(「オン状態」ともいう)から遮断状態(「オフ状態」ともいう)に切り替わることをいう。オンスイッチングとは、スイッチング素子SH,SLが、遮断状態(オフ状態)から導通状態(オン状態)に切り替わることをいう。
この場合にスイッチング素子SH,SLの各駆動信号がパルス信号で与えられ、当該パルス信号が高レベルに切り替わるときにオンスイッチングが行われ、当該パルス信号が低レベルに切り替わるときにオフスイッチングが行われる。
このようなパルス信号を、そのパルス幅のDUTYを変化させながら、スイッチング素子SH,SLに供給することで、当該スイッチング素子SH,SLを駆動する方式が、PWM駆動方式である。
以下、図3の記載に併せて、PWM駆動方式によって、スイッチング素子SHに供給される駆動信号を「Hパルス」と呼び、スイッチング素子SLに供給される駆動信号を「Lパルス」と呼ぶ。
As shown in FIG. 3, a PWM (Pulse Width Modulation) driving method is employed as a driving method for the switching elements SH and SL of the power
That is, each of the switching elements SH and SL is configured by a pair of a semiconductor element such as an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) and a FWD (Free Wheeling Diode).
The switching elements SH and SL having such a configuration can be turned off and on by a supplied drive signal. Here, the off-switching means that the switching elements SH and SL are switched from a conduction state (also referred to as “on state”) to a cutoff state (also referred to as “off state”). On-switching means that the switching elements SH and SL are switched from a cut-off state (off state) to a conduction state (on state).
In this case, each drive signal of the switching elements SH and SL is given as a pulse signal, and on switching is performed when the pulse signal is switched to a high level, and off switching is performed when the pulse signal is switched to a low level. .
A method for driving the switching elements SH and SL by supplying such a pulse signal to the switching elements SH and SL while changing the DUTY of the pulse width is a PWM driving method.
Hereinafter, in conjunction with the description of FIG. 3, the drive signal supplied to the switching element SH by the PWM drive method is referred to as “H pulse”, and the drive signal supplied to the switching element SL is referred to as “L pulse”.
図3に示すように、相補駆動方式と片側駆動方式の差異点の1つは、このPWM駆動方式が異なっている点である。
即ち、相補駆動方式では、力行動作と回生動作の何れの場合であっても、HパルスとLパルスとの両方が反転した状態でそれぞれ出力される。即ち、相補駆動方式では、力行動作と回生動作の何れの場合であっても、スイッチング素子SH,SLの各々は、一方がオン状態の場合には他方がオフ状態になる関係を保つように両方とも駆動される。
これに対して、従来の片側駆動方式では、力行動作の場合には、Lパルスのみが出力される(Hパルスの出力が禁止される)一方で、回生動作の場合には、Hパルスのみが出力される(Lパルスの出力が禁止される)。即ち、従来の片側駆動方式では、力行動作の場合には、スイッチング素子SLのみが駆動し、スイッチング素子SHの駆動が禁止される。一方で、回生動作の場合には、スイッチング素子SHのみが駆動し、スイッチング素子SLの駆動が禁止される。
なお、「従来の片側駆動方式」と明記した理由は、本実施形態の片側駆動方式(後述するスイッチング素子駆動モード変換手法)では、力行動作中であっても、所定の条件が満たされると、スイッチング素子SHが駆動するようになるからである。同様に、本実施形態の片側駆動方式では、回生動作中であっても、所定の条件が満たされると、スイッチング素子SLが駆動するようになるからである。
As shown in FIG. 3, one of the differences between the complementary drive method and the one-side drive method is that the PWM drive method is different.
That is, in the complementary drive method, both the H pulse and the L pulse are output in the inverted state regardless of whether the operation is a power running operation or a regenerative operation. In other words, in the complementary drive system, each of the switching elements SH and SL keeps the relationship that when one of the switching elements SH and SL is on, the other is off. Both are driven.
On the other hand, in the conventional one-side drive method, only the L pulse is output in the power running operation (output of the H pulse is prohibited), while only the H pulse is output in the regenerative operation. Output (L pulse output is prohibited). That is, in the conventional one-side drive system, in the case of a power running operation, only the switching element SL is driven, and the switching element SH is prohibited from being driven. On the other hand, in the regenerative operation, only the switching element SH is driven, and the driving of the switching element SL is prohibited.
Note that the reason for specifying “conventional one-side drive method” is that, in the one-side drive method (switching element drive mode conversion method described later) of the present embodiment, even when a predetermined condition is satisfied even during powering operation, This is because the switching element SH is driven. Similarly, in the one-side drive method of the present embodiment, the switching element SL is driven when a predetermined condition is satisfied even during the regenerative operation.
また、図3に示すように、相補駆動方式では、力行動作と回生動作とを切り替える明示の指示が不要である。これに対して、片側駆動方式では、このような明示の指示が必要である。このような点も、相補駆動方式と片側駆動方式の差異点の1つである。 As shown in FIG. 3, the complementary driving method does not require an explicit instruction to switch between the power running operation and the regenerative operation. On the other hand, in the one-side drive method, such an explicit instruction is necessary. This is also one of the differences between the complementary drive method and the one-side drive method.
図4は、このような相補駆動方式と(従来の)片側駆動方式との各々によりV2制御が実行された場合における、リアクトルLの電流(以下、「リアクトル電流」と呼ぶ)の波形の一例を示している。
図4において、縦軸は、力行動作によるV2制御が実行されている場合の、リアクトル電流[A]を示している。横軸は、時間[s]を示している。
図4において、波形WCは、電力が大きい場合のリアクトル電流の時間推移を示している。即ち、電力が大きい場合は、一般的な双方向DC−DCコンバータ32はいわゆる連続モードで動作するため、相補駆動方式も(従来の)片側駆動方式もリアクトル電流の時間推移はほぼ変わらないため、1つの波形WCのみが図4に示されている。
しかしながら、電力が低下してくると、リアクトル電流の最小値が0[A]に到達するようになる。そして、さらにリアクトル電流が低下すると、その後、相補駆動方式と(従来の)片側駆動方式とでは異なる時間推移を示すようになる。なお、このような場合のV2制御は、上述したように、「低電力域でのV2制御」と呼ばれている。
即ち、低電力域でのV2制御の場合には、相補駆動方式におけるリアクトル電流の時間推移は、波形WL2のようになり、電流が逆流する区間が存在する。一方で、(従来の)片側駆動方式におけるリアクトル電流の時間推移は、波形WL1のように、電流が0[A]に達すると、それより降下せずに0[A]のまま維持される。
FIG. 4 shows an example of the waveform of the reactor L current (hereinafter referred to as “reactor current”) when V2 control is executed by each of the complementary driving method and the (conventional) one-side driving method. Show.
In FIG. 4, the vertical axis represents the reactor current [A] when the V2 control by the power running operation is being executed. The horizontal axis indicates time [s].
In FIG. 4, a waveform WC shows the time transition of the reactor current when the power is large. That is, when the power is large, the general bidirectional DC-DC converter 32 operates in a so-called continuous mode, so the time transition of the reactor current is almost the same in both the complementary driving method and the (conventional) one-side driving method. Only one waveform WC is shown in FIG.
However, when the power decreases, the minimum value of the reactor current reaches 0 [A]. Then, when the reactor current further decreases, thereafter, different time transitions are shown in the complementary driving method and the (conventional) one-side driving method. Note that the V2 control in such a case is referred to as “V2 control in a low power range” as described above.
That is, in the case of V2 control in the low power region, the time transition of the reactor current in the complementary drive system is as shown by the waveform WL2, and there is a section where the current flows backward. On the other hand, the time transition of the reactor current in the (conventional) one-side drive method is maintained at 0 [A] without dropping below the current when the current reaches 0 [A] as in the waveform WL1.
図5は、相補駆動方式と(従来の)片側駆動方式との各々により低電力域でのV2制御(力行動作)が実行された場合における、双方向DC−DCコンバータの回路動作を説明する図である。
図5の表において、縦方向の第1列は、各項目名を示しており、縦方向の第2列は、相補駆動方式の場合の電流波形や回路動作を示しており、縦方向の第3列は、(従来の)片側駆動方式の場合の電流波形や回路動作を示している。
FIG. 5 is a diagram for explaining the circuit operation of the bidirectional DC-DC converter when V2 control (powering operation) is performed in the low power range by each of the complementary drive method and the (conventional) one-side drive method. It is.
In the table of FIG. 5, the first column in the vertical direction indicates the item name, and the second column in the vertical direction indicates the current waveform and circuit operation in the case of the complementary drive method. The three columns show the current waveform and circuit operation in the case of the (conventional) one-side drive method.
最初に、図5の表のうち第2列を用いて、相補駆動方式により低電力域でのV2制御が実行された場合における、双方向DC−DCコンバータの回路動作について説明する。 First, the circuit operation of the bidirectional DC-DC converter when the V2 control in the low power region is executed by the complementary drive method will be described using the second column in the table of FIG.
図5の表のうち、第1行第2列においては、相補駆動方式の場合のリアクトル電流の時間推移を示す波形WL2が示されており、1周期分の波形が期間T1乃至T4に区分されている。 In the first row and the second column in the table of FIG. 5, a waveform WL2 showing the time transition of the reactor current in the case of the complementary drive method is shown, and the waveform for one cycle is divided into periods T1 to T4. ing.
図5の表のうち、第2行乃至第5行の各々の第2列においては、相補駆動方式の場合の期間T1乃至期間T4の各々における電源回路部41(図2)の動作例が示されている。 In the second column of each of the second to fifth rows in the table of FIG. 5, an operation example of the power supply circuit unit 41 (FIG. 2) in each of the periods T1 to T4 in the case of the complementary driving method is shown. Has been.
なお、第2行乃至第5行の各々の第2列では、次のような前提事項が成立しているものとする。
図面のサイズの都合上、電源回路部41の各素子の符号は適宜省略されている。
スイッチング素子SH又はSLの右方に示す、「ON」又は「OFF」の各々は、「オン状態」又は「オフ状態」の各々を示している。
一巡する矢印は、その方向に流れる電流を示している。
スイッチング素子SL,SHの各々は、IGBTとFWDとの対により構成されているものとする。
これらの前提事項は、後述する片側駆動方式についての第2行乃至第5行の各々の第3列についても同様にあてはまる。
In the second column of each of the second to fifth rows, it is assumed that the following preconditions are satisfied.
For the convenience of the size of the drawing, the reference numerals of the elements of the power
Each of “ON” or “OFF” shown on the right side of the switching element SH or SL indicates “on state” or “off state”.
A round arrow indicates the current flowing in that direction.
Each of switching elements SL and SH is assumed to be composed of a pair of IGBT and FWD.
These preconditions also apply to the third column of each of the second to fifth rows for the one-side drive method described later.
相補駆動方式の場合の期間T1,T2では、スイッチング素子SHがオフ状態であり、スイッチング素子SLがオン状態である。このため、期間T1,T2では、リアクトル電流は上昇する。 In the periods T1 and T2 in the case of the complementary driving method, the switching element SH is in an off state and the switching element SL is in an on state. For this reason, the reactor current increases during the periods T1 and T2.
具体的には、期間T1の開始直前に、リアクトル電流が0[A]未満の状態で、スイッチング素子SHがオン状態からオフ状態に切り替わり、スイッチング素子SLがオフ状態からオン状態に切り替わっている。よって、期間T1においては、スイッチング素子SLに着目すると、Lパルスは供給されているが、IGBT側には電流がまだ流れずに、FWD側に転流電流が流れている状態である。
このため、電源回路部41の電流は、矢印に示すように、バッテリ31の負極端→スイッチング素子SLのFWD側→リアクトルL→バッテリ31の正極端の順に流れ、その結果、リアクトル電流は上昇しつつも0[A]未満となっている。
Specifically, immediately before the start of the period T1, with the reactor current being less than 0 [A], the switching element SH is switched from the on state to the off state, and the switching element SL is switched from the off state to the on state. Therefore, in the period T1, focusing on the switching element SL, the L pulse is supplied, but the current does not yet flow on the IGBT side, but the commutation current flows on the FWD side.
For this reason, as indicated by an arrow, the current of the power
その後、リアクトル電流が0[A]まで上昇すると、期間T2が開始する。期間T2では、Lパルスによって、スイッチング素子SLのIGBT側に電流が流れるようになる。
このため、電源回路部41の電流は、矢印に示すように、バッテリ31の正極端→リアクトルL→スイッチング素子SLのIGBT側→バッテリ31の負極端の順に流れ、その結果、リアクトル電流は0[A]に到達した後も上昇し続ける。
Thereafter, when the reactor current rises to 0 [A], the period T2 starts. In the period T2, a current flows to the IGBT side of the switching element SL by the L pulse.
For this reason, the current of the power
その後、期間T2の終了時に、スイッチング素子SLがオン状態からオフ状態に切り替わり、スイッチング素子SHがオフ状態からオン状態に切り替わる。
よって、その後の相補駆動方式の場合の期間T3,T4では、スイッチング素子SHがオン状態であり、スイッチング素子SLがオフ状態である。このため、期間T3,T4では、リアクトル電流は下降する。
After that, at the end of the period T2, the switching element SL is switched from the on state to the off state, and the switching element SH is switched from the off state to the on state.
Therefore, in the subsequent periods T3 and T4 in the case of the complementary driving method, the switching element SH is in the on state and the switching element SL is in the off state. For this reason, in the periods T3 and T4, the reactor current decreases.
具体的には、期間T3においては、スイッチング素子SHに着目すると、切替直後であるため、Hパルスは供給されているが、IGBT側には電流がまだ流れずに、FWD側に転流電流が流れている状態である。
このため、電源回路部41の電流は、矢印に示すように、バッテリ31の正極端→リアクトルL→スイッチング素子SHのFWD側→負荷33→バッテリ31の負極端の順に流れ、その結果、リアクトルL1の電流は下降し続ける。
Specifically, in the period T3, when attention is paid to the switching element SH, since it is immediately after switching, the H pulse is supplied, but the current does not yet flow to the IGBT side, but the commutation current is to the FWD side. It is in a flowing state.
For this reason, as indicated by the arrow, the current of the power
その後、リアクトル電流が0[A]まで下降すると、期間T4が開始する。期間T4では、Hパルスによって、スイッチング素子SHのIGBT側に電流が流れるようになる。
このため、電源回路部41の電流は、矢印に示すように、負荷33→スイッチング素子SHのIGBT側→リアクトルL→バッテリ31の正極端→バッテリ31の負極端→負荷33の順に流れ、その結果、リアクトル電流は0[A]に到達した後も下降し続ける。
Thereafter, when the reactor current decreases to 0 [A], the period T4 starts. In the period T4, a current flows to the IGBT side of the switching element SH by the H pulse.
For this reason, the current of the power
以上、図5の表のうち第2列を用いて、相補駆動方式により低電力域でのV2制御(力行動作)が実行された場合における、双方向DC−DCコンバータの回路動作について説明した。
次に、図5の表のうち第3列を用いて、(従来の)片側駆動方式により低電力域でのV2制御(力行動作)が実行された場合における、双方向DC−DCコンバータの回路動作について説明する。
As described above, the circuit operation of the bidirectional DC-DC converter in the case where the V2 control (power running operation) in the low power region is executed by the complementary drive method using the second column in the table of FIG. 5 has been described.
Next, using the third column in the table of FIG. 5, the circuit of the bidirectional DC-DC converter when the V2 control (powering operation) in the low power region is executed by the (conventional) one-side drive method The operation will be described.
図5の表のうち、第1行第3列においては、(従来の)片側駆動方式の場合のリアクトル電流の時間推移を示す波形WL2が示されており、1周期分の波形が期間T1乃至T3に区分されている。
なお、(従来の)片側駆動方式における期間T1乃至T3は、相補駆動方式における期間T1乃至T4と相互に独立した期間であって、絶対時間として一致するわけではない点に注意が必要である。
In the first row and the third column in the table of FIG. 5, a waveform WL2 indicating the time transition of the reactor current in the case of the (conventional) one-side drive method is shown, and the waveform for one period is represented by the periods T1 to T1. It is divided into T3.
It should be noted that the periods T1 to T3 in the (conventional) one-side drive method are mutually independent periods from the periods T1 to T4 in the complementary drive method and do not coincide with each other as an absolute time.
図5の表のうち、第2行乃至第5行の各々の第3列においては、(従来の)片側駆動方式の場合の期間T1乃至期間T3の各々における電源回路部41(図2)の動作例が示されている。
図5は、力行動作の例を示しているため、(従来の)片側駆動方式では、Hパルスの出力は禁止されるため、スイッチング素子SHは常時オフ状態となり、Lパルスによって、スイッチング素子SLのみがオン状態とオフ状態の切り替えを繰り返すことになる。
In the third column of each of the second to fifth rows in the table of FIG. 5, the power supply circuit section 41 (FIG. 2) in each of the periods T1 to T3 in the case of the (conventional) one-side drive method. An example of operation is shown.
FIG. 5 shows an example of the power running operation. In the (conventional) one-side drive method, since the output of the H pulse is prohibited, the switching element SH is always in the off state, and only the switching element SL is caused by the L pulse. Repeats switching between the on state and the off state.
(従来の)片側駆動方式の場合の期間T1は、スイッチング素子SLがオン状態となっている期間である。
このため、電源回路部41の電流は、矢印に示すように、バッテリ31の正極端→リアクトルL→スイッチング素子SLのIGBT側→バッテリ31の負極端の順に流れ、その結果、リアクトル電流は0[A]から上昇し続ける。
The period T1 in the case of the (conventional) one-side drive method is a period in which the switching element SL is in the ON state.
For this reason, the current of the power
その後、期間T1の終了時に、スイッチング素子SLがオン状態からオフ状態に切り替わり、期間T2が開始する。
ここで、スイッチング素子SHに着目すると、上述したように、常時オフ状態であるため、期間T2においては、FWD側に転流電流が流れる。
このため、電源回路部41の電流は、矢印に示すように、バッテリ31の正極端→リアクトルL→スイッチング素子SHのFWD側→負荷33→バッテリ31の負極端の順に流れ、その結果、リアクトルL1の電流は下降し続ける。
After that, at the end of the period T1, the switching element SL is switched from the on state to the off state, and the period T2 starts.
Here, when attention is paid to the switching element SH, as described above, the commutation current flows on the FWD side during the period T2 because the switching element SH is always in the OFF state.
For this reason, as indicated by the arrow, the current of the power
その後、リアクトル電流が0[A]まで下降すると、期間T3が開始する。期間T3では、スイッチング素子SH,SLは何れもオフ状態であり、転流電流も流れつくしたため、電源回路部41に電流は流れず、その結果、リアクトル電流は0[A]を維持する。
Thereafter, when the reactor current decreases to 0 [A], the period T3 starts. In the period T3, since the switching elements SH and SL are both in the off state and the commutation current flows, the current does not flow through the power
このように、低電力域でのV2制御では、相補駆動方式の方が、期間T1や期間T4等において余計な電流が流れるため、損失が大きくなる。即ち、低電力域でのV2制御では、(従来の)片側駆動方式の方が、このような余計な電流が流れないため、損失が小さくなり、その分だけ高効率化を実現することが可能になる。
そこで、本発明人らは、図1の双方向DC−DCコンバータ12のV2制御の方式として、片側駆動方式を採用することにした。
As described above, in the V2 control in the low power range, the complementary driving method causes a larger loss because extra current flows in the period T1, the period T4, and the like. In other words, in the V2 control in the low power range, the (conventional) one-side drive method does not cause such extra current to flow, so the loss is reduced and higher efficiency can be realized. become.
Therefore, the present inventors decided to adopt the one-side drive method as the V2 control method of the bidirectional DC-
しかしながら、上述した説明において、「従来の片側駆動方式」と呼称していたことからわかるように、従来の片側駆動方式をそのまま双方向DC−DCコンバータ12に適用すると、次のような第1の課題と第2の課題とが生じてしまう。
第1の課題とは、DUTYの演算式として相補駆動方式で用いられている一般的な演算式をそのまま従来の片側駆動方式に適用すると、軽負荷時等の低電力域でのV2制御では、2次側電圧V2が不要に上昇又は下降してしまう、といった課題である。このような第1の課題を、以下、「DUTY課題」と呼ぶ。
第2の課題とは、従来の片側駆動方式を用いたV2制御では、負荷が変動した場合等において、当該V2制御に採用しているフィードバック制御の追従遅れが発生する、という課題である。このような第2の課題を、以下、「追従遅れ課題」と呼ぶ。
However, as can be seen from the fact that the conventional single-side drive method is applied to the bidirectional DC-
The first problem is that when a general arithmetic expression used in a complementary drive system as a DUTY arithmetic expression is applied to a conventional one-side drive system as it is, in V2 control in a low power region such as at light load, The problem is that the secondary voltage V2 rises or falls unnecessarily. Hereinafter, such a first problem is referred to as a “DUTY problem”.
The second problem is that in the V2 control using the conventional one-side drive method, when the load fluctuates, a follow-up delay of the feedback control employed in the V2 control occurs. Such a second problem is hereinafter referred to as a “follow-up delay problem”.
そこで、本発明人らは、DUTY課題を解決すべく、次のような手法を発明した。
即ち、リアクトル電流が0[A]に到達せずに連続しているときのV2制御(以下、「連続域のV2制御」と呼ぶ)では、昇圧比に基づいてDUTYが算出される。一方、低電力域でのV2制御では、回路のインダクタ電流の最大値(絶対値)が予測され、その予測結果に基づいてDUTYが算出される。
このような手法を、以下、「連続域/低電力域DUTY切替手法」と呼ぶ。
Therefore, the present inventors have invented the following method in order to solve the DUTY problem.
That is, in V2 control when the reactor current continues without reaching 0 [A] (hereinafter referred to as “continuous V2 control”), DUTY is calculated based on the boost ratio. On the other hand, in the V2 control in the low power region, the maximum value (absolute value) of the inductor current of the circuit is predicted, and DUTY is calculated based on the prediction result.
Such a method is hereinafter referred to as a “continuous region / low power region DUTY switching method”.
さらに、本発明人らは、追従遅れ課題を解決すべく、次のような手法を発明した。
即ち、スイッチング素子SH,SLの駆動モードとして、スイッチング素子SHが駆動し(Hパルスが出力され)、スイッチング素子SLの駆動が禁止される(Lパルスの出力が禁止される)モードを、以下、「SH駆動モード」と呼ぶ。これに対して、スイッチング素子SLが駆動し(Lパルスが出力され)、スイッチング素子SHの駆動が禁止される(Hパルスの出力が禁止される)モードを、以下、「SL駆動モード」と呼ぶ。
また、SH駆動モード又はSL駆動モードの指令は、DUTYそのままが用いられず、当該DUTYがフィードフォワード項として用いられてPID補償が行われた後の補正値が用いられる。そこで、以下、PID補償が行われた後の指令として用いられるDUTYを、フィードフォワード項として用いられるDUTYと明確に区別すべく、「DUTY*」と表記し、特に「指令DUTY*」と呼ぶ。
この場合、従来の片側駆動方式のV2制御においては、力行動作では、指令DUTY*が正(+)の間、SL駆動モードが継続され、指令DUTY*が0になると、力行動作自体が停止していた。また、回生動作では、指令DUTY*が正(+)の間、SH駆動モードが継続され、指令DUTY*が0になると、回生動作自体が停止していた。
このため、従来の片側駆動方式では、追従遅れ課題が発生していた(詳細な発生要因は後述する)。
これに対して、本発明人らにより発明された手法が適用された片側駆動方式のV2制御においては、力行動作では、指令DUTY*が正(+)の場合、SL駆動モード(従来の片側駆動方式と同一モード)が適用され、指令DUTY*が負(−)の場合、SH駆動モードが適用される。即ち、指令DUTY*が正(+)から負(−)に切り替わると、SL駆動モードからSH駆動モードに切り替わり、指令DUTY*が再度負(−)から正(+)に切り替わると、SH駆動モードからSL駆動モードに切り替わる。
また、本発明人らにより発明された手法が適用された片側駆動方式のV2制御においては、回生動作では、指令DUTY*が正(+)の場合、SH駆動モード(従来の片側駆動方式と同一モード)が適用され、指令DUTY*が負(−)の場合、SL駆動モードが適用される。即ち、指令DUTY*が正(+)から負(−)に切り替わると、SH駆動モードからSL駆動モードに切り替わり、指令DUTY*が再度負(−)から正(+)に切り替わると、SL駆動モードからSH駆動モードに切り替わる。
このような本発明人らにより発明された手法を、以下、「スイッチング素子駆動モード変換手法」と呼ぶ。
Furthermore, the present inventors have invented the following technique in order to solve the follow-up delay problem.
That is, as a driving mode of the switching elements SH and SL, a mode in which the switching element SH is driven (H pulse is output) and the driving of the switching element SL is prohibited (L pulse output is prohibited) is as follows. This is called “SH drive mode”. On the other hand, the mode in which the switching element SL is driven (L pulse is output) and the switching element SH is prohibited from being driven (H pulse output is prohibited) is hereinafter referred to as “SL drive mode”. .
In addition, as the command for the SH drive mode or the SL drive mode, DUTY is not used as it is, and a correction value after PID compensation is performed using the DUTY as a feedforward term is used. Therefore, hereinafter, DUTY used as a command after PID compensation is performed will be referred to as “DUTY * ” and specifically referred to as “command DUTY * ” in order to clearly distinguish it from DUTY used as a feedforward term.
In this case, in the conventional one-side drive type V2 control, in the power running operation, the SL drive mode is continued while the command DUTY * is positive (+), and when the command DUTY * becomes 0, the power running operation itself stops. It was. In the regenerative operation, the SH drive mode is continued while the command DUTY * is positive (+). When the command DUTY * becomes 0, the regenerative operation is stopped.
For this reason, in the conventional one-side drive method, a follow-up delay problem has occurred (detailed causes will be described later).
On the other hand, in the V2 control of the one-side drive method to which the technique invented by the present inventors is applied, when the command DUTY * is positive (+) in the power running operation, the SL drive mode (conventional one-side drive) When the command DUTY * is negative (-), the SH drive mode is applied. That is, when the command DUTY * is switched from positive (+) to negative (-), the SL drive mode is switched to the SH drive mode, and when the command DUTY * is switched again from negative (-) to positive (+), the SH drive mode is switched. To SL drive mode.
Further, in the V2 control of the one-side drive method to which the technique invented by the present inventors is applied, in the regenerative operation, when the command DUTY * is positive (+), the SH drive mode (the same as the conventional one-side drive method) Mode) is applied, and when the command DUTY * is negative (-), the SL drive mode is applied. That is, when the command DUTY * is switched from positive (+) to negative (−), the SH drive mode is switched to the SL drive mode, and when the command DUTY * is switched again from negative (−) to the positive (+), the SL drive mode is switched. To the SH drive mode.
Such a method invented by the present inventors is hereinafter referred to as a “switching element drive mode conversion method”.
さらに以下、連続域/低電力域DUTY切替手法と、スイッチング素子駆動モード変換手法との各々の詳細について、その順番で個別に説明していく。
先ず、図6乃至図8を参照して、連続域/低電力域DUTY切替手法の詳細について説明する。
Further, details of each of the continuous area / low power area DUTY switching method and the switching element drive mode conversion method will be described individually in that order.
First, the details of the continuous area / low power area DUTY switching method will be described with reference to FIGS.
図6は、力行動作時の、連続域のV2制御でフィードフォワード項として適用されるDUTYを説明する図である。 FIG. 6 is a diagram for explaining DUTY applied as a feedforward term in the continuous region V2 control during the power running operation.
図6の前提事項として、ILは、リアクトル電流を示し、VLは、リアクトルLの電圧を示している。
V1は、双方向DC−DCコンバータ12の1次側電圧を示し、V2は、双方向DC−DCコンバータ12の2次側電圧を示している。
Tは、スイッチング素子SH又はSLについてのスイッチング周期(オン状態とオフ状態との切り替えの周期)、即ち、Hパルス又はLパルスの周期を示している。Tonは、オン状態の期間(以下、「オン期間」と呼ぶ)を示し、Toffは、オフ状態の期間(以下、「オフ期間」と呼ぶ)を示している。
なお、この段落の前提事項は、図7及び図8についても同様にあてはまるものとする。
As preconditions of FIG. 6, IL indicates a reactor current, and VL indicates a voltage of the reactor L.
V1 indicates a primary side voltage of the bidirectional DC-
T indicates a switching cycle (switching cycle between an on state and an off state) for the switching element SH or SL, that is, a cycle of an H pulse or an L pulse. Ton indicates an on-state period (hereinafter referred to as “on period”), and Toff indicates an off-state period (hereinafter referred to as “off period”).
Note that the assumptions in this paragraph apply to FIGS. 7 and 8 as well.
ここで、リアクトルLの電圧VLは、1周期Tで考えると平均が0になるので、図6に示す関係より、次の式(1)が成立する。
昇圧比の式(2)自体は、本実施形態の片側駆動方式のみならず、一般的な相補駆動方式のV2制御においても、フィードフォワード項たるDUTYを演算する式として採用されていた。
ここで、バッテリ11の電圧を一定と仮定すると、測定された1次側電圧をV1に代入し、かつ、2次側電圧の指令値(以下、「2次側電圧指令値」と呼ぶ)をV2に代入した昇圧比の式(2)を用いることで、フィードフォワード項たるDUTYを容易に算出することができる。
図4を参照して上述したように、連続域のV2制御では、相補駆動方式も片側駆動方式も、リアクトル電流ILの波形は変わらない(図4の波形WC参照)。よって、本実施形態の連続域/低電力域DUTY切替手法でも、連続域のV2制御では、昇圧比の式(2)によりフィードフォワード項たるDUTYが演算される。
The step-up ratio equation (2) itself has been adopted as an equation for calculating DUTY as a feed-forward term not only in the one-side drive method of the present embodiment but also in the general complementary drive method V2 control.
Here, assuming that the voltage of the
As described above with reference to FIG. 4, in the continuous region V2 control, the waveform of the reactor current IL does not change in either the complementary driving method or the one-side driving method (see the waveform WC in FIG. 4). Therefore, even in the continuous area / low power area DUTY switching method of the present embodiment, in the continuous area V2 control, DUTY which is a feedforward term is calculated by the expression (2) of the step-up ratio.
ところが、図4を参照して上述したように、低電力域のV2制御では、片側駆動方式におけるリアクトル電流ILの波形(図4の波形WL1参照)は、相補駆動方式におけるもの(図4の波形WL2参照)とは異なり、0[A]が継続する期間が存在する断続的な波形となる。
このため、片側駆動方式において、昇圧比の式(2)をそのまま低電力域のV2制御で用いると、2次側電圧V2は、その指令値に対して不要に上昇又は下降してしまう。これが、上述したDUTY課題の発生要因である。
そこで、連続域/低電力域DUTY切替手法においては、DUTY課題が発生しないように、低電力域でのV2制御では、昇圧比の式(2)を用いずに、回路のインダクタ電流(リアクトル電流IL)の最大値(絶対値)の予測結果に基づく式が用いられて、フィードフォワード項たるDUTYが算出されるのである。
以下、図7及び図8を参照して、連続域/低電力域DUTY切替手法において、低電力域でのV2制御でフィードフォワード項として適用されるDUTYの算出式について説明する。
However, as described above with reference to FIG. 4, in the V2 control in the low power range, the waveform of the reactor current IL in the one-side drive method (see the waveform WL1 in FIG. 4) is that in the complementary drive method (the waveform in FIG. 4). Unlike WL2, the waveform is intermittent with a period of 0 [A].
For this reason, in the one-side drive method, when the boost ratio formula (2) is used as it is in the V2 control in the low power region, the secondary side voltage V2 rises or falls unnecessarily with respect to the command value. This is the cause of the above-described DUTY problem.
Therefore, in the continuous region / low power region DUTY switching method, the inductor current (reactor current) of the circuit is not used in the V2 control in the low power region without using the step-up ratio equation (2) so that the DUTY problem does not occur. A formula based on the prediction result of the maximum value (absolute value) of IL) is used to calculate DUTY as a feedforward term.
Hereinafter, with reference to FIG. 7 and FIG. 8, a calculation formula of DUTY applied as a feedforward term in the V2 control in the low power region in the continuous region / low power region DUTY switching method will be described.
図7は、力行動作における低電力域のV2制御でフィードフォワード項として適用されるDUTYを説明する図である。
図7に示すリアクトル電流ILの最大値Imaxは、次の式(3)で表わされる。
よって、式(5)に対して、式(3)及び式(4)を代入して、2次側電圧V2について解くと、次の式(6)が得られる。
The maximum value Imax of the reactor current IL shown in FIG. 7 is expressed by the following equation (3).
Therefore, when Expression (3) and Expression (4) are substituted into Expression (5) and solved for the secondary side voltage V2, the following Expression (6) is obtained.
ここで、仮に、片側駆動方式において、昇圧比の式(2)をそのまま低電力域のV2制御で用いるものとする。この仮定の下では、昇圧比の式(2)によりフィードフォワード項として演算されるDUTYが大きくなり、その結果、オン期間Tonも大きくなる。式(6)において、2次側電圧V2だけ変数で、他の値は全て定数であると仮定すれば、オン期間Tonが大きな定数になるほど、2次側電圧V2はその二乗倍で大きくなっていく。これが、上述したDUTY課題の発生要因である。 Here, it is assumed that the step-up ratio equation (2) is used as it is in the low power V2 control in the one-side drive method. Under this assumption, the DUTY calculated as the feedforward term by the boost ratio equation (2) is increased, and as a result, the ON period Ton is also increased. In Equation (6), assuming that the secondary side voltage V2 is a variable and all other values are constants, the secondary side voltage V2 increases as the square of the on-period Ton increases. Go. This is the cause of the above-described DUTY problem.
そこで、連続域/低電力域DUTY切替手法においては、DUTY課題が発生しないように、力行動作時の低電力域でのV2制御では、昇圧比の式(2)が適用されずに、次の式(7)が適用されて、フィードフォワード項としてのDUTYが演算される。
以上、図7を参照して、力行動作における低電力域のV2制御でフィードフォワード項として適用されるDUTYを説明した。
次に、図8を参照して、回生動作における低電力域のV2制御でフィードフォワード項として適用されるDUTYを説明する。
In the above, with reference to FIG. 7, the DUTY applied as a feedforward term in the V2 control in the low power range in the power running operation has been described.
Next, with reference to FIG. 8, DUTY applied as a feedforward term in the low power V2 control in the regenerative operation will be described.
図8は、回生動作における低電力域のV2制御でフィードフォワード項として適用されるDUTYを説明する図である。 FIG. 8 is a diagram for explaining DUTY applied as a feedforward term in the V2 control in the low power range in the regenerative operation.
ここで、図示はしないが、回生動作における連続域のV2制御でフィードフォワード項として適用されるDUTYは、次の式(8)で表わされる。
図8に示すリアクトル電流ILの最小値Imin(絶対値の最大値)は、次の式(9)で表わされる。
ここで、仮に、片側駆動方式において、昇圧比の式(2)をそのまま低電力域のV2制御で用いるものとする。この場合、昇圧比の式(2)によりフィードフォワード項として演算されるDUTYが大きくなり、その結果、オン期間Tonも大きくなる。式(11)において、2次側電圧V2だけ変数で、他の値は全て定数であると仮定すれば、オン期間Tonが大きな定数になるほど、2次側電圧V2はその二乗倍で小さくなってしまう。これが、上述したDUTY課題の発生要因である。 Here, it is assumed that the step-up ratio equation (2) is used as it is in the low power V2 control in the one-side drive method. In this case, DUTY calculated as a feed-forward term by the boost ratio equation (2) is increased, and as a result, the ON period Ton is also increased. In equation (11), assuming that the secondary side voltage V2 is a variable and all other values are constants, the secondary side voltage V2 becomes smaller by the square of the on-period Ton as the constant becomes larger. End up. This is the cause of the above-described DUTY problem.
そこで、連続域/低電力域DUTY切替手法においては、DUTY課題が発生しないように、回生動作時の低電力域でのV2制御では、昇圧比の式(2)が適用されずに、次の式(12)が適用されて、フィードフォワード項としてのDUTYが演算される。
以上説明したように、連続域/低電力域DUTY切替手法が適用される片側駆動方式においては、連続域のV2制御では、フィードフォワード項たるDUTYの算出式として、相補駆動方式でも一般的に使用される昇圧比の式が適用される。具体的には、力行動作時の低電力域でのV2制御では昇圧比の式(2)が適用され、また、回生動作時の低電力域でのV2制御では昇圧比の式(9)が適用される。
これに対して、低電力域でのV2制御では、フィードフォワード項たるDUTYの算出式として、昇圧比の式が適用されずに、回路のインダクタ電流の最大値(絶対値)の予測結果に基づく算出式が適用される。具体的には、力行動作時の低電力域でのV2制御では式(7)が適用され、また、回生動作時の低電力域でのV2制御では式(12)が適用される。
As described above, in the one-side drive method to which the continuous region / low power region DUTY switching method is applied, the V2 control in the continuous region is generally used in the complementary drive method as a calculation formula for the DUTY as a feedforward term. The boost ratio formula is applied. Specifically, the formula (2) of the boost ratio is applied in the V2 control in the low power region during the power running operation, and the formula (9) of the boost ratio is applied in the V2 control in the low power region during the regenerative operation. Applied.
On the other hand, in the V2 control in the low power range, the formula of the boost ratio is not applied as the calculation formula of DUTY which is a feedforward term, and based on the prediction result of the maximum value (absolute value) of the circuit inductor current. The calculation formula is applied. Specifically, Equation (7) is applied in the V2 control in the low power region during the power running operation, and Equation (12) is applied in the V2 control in the low power region during the regeneration operation.
このように、連続域/低電力域DUTY切替手法を適用することで、片側駆動方式のV2制御を適切に実行することができる。
具体的には、DUTY課題、即ち、軽負荷時等の低電力域でのV2制御では2次側電圧V2が不要に上昇又は下降してしまう、といった課題を解決することができる。即ち、軽負荷時の不要な電圧変動を大幅に抑制することができる。その結果、低電力域のV2制御における低損失化が実現でき、回路の発熱の抑制ができるため、双方向DC−DCコンバータ12に対する冷却装置(図示せず)の小型化が可能になり、ひいては、車載用PDUシステム全体の体積低減やコスト低減を図ることが可能になる。
Thus, the V2 control of the one side drive system can be appropriately executed by applying the continuous area / low power area DUTY switching method.
Specifically, it is possible to solve the DUTY problem, that is, the problem that the secondary voltage V2 is unnecessarily increased or decreased in the V2 control in a low power range such as a light load. That is, unnecessary voltage fluctuations at light loads can be significantly suppressed. As a result, it is possible to reduce the loss in the V2 control in the low power range and to suppress the heat generation of the circuit, so that the cooling device (not shown) for the bidirectional DC-
以上、図6乃至図8を参照して、連続域/低電力域DUTY切替手法の詳細について説明した。
次に、図9を参照して、スイッチング素子駆動モード変換手法について説明する。
図9は、片側駆動方式での低電力域でのV2制御の手法としての、追従遅れ課題が発生する従来の手法と、本実施形態のスイッチング素子駆動モード変換手法との比較を示す図である。
The details of the continuous area / low power area DUTY switching method have been described above with reference to FIGS. 6 to 8.
Next, a switching element drive mode conversion method will be described with reference to FIG.
FIG. 9 is a diagram showing a comparison between a conventional method in which a tracking delay problem occurs as a method of V2 control in a low power region in the one-side drive method and the switching element drive mode conversion method of the present embodiment. .
図9(A)は、片側駆動方式での力行動作時のV2制御であって、2次側電圧V2が、2次側電圧指令値V2*よりも大きい場合の指令DUTY*のタイミングチャートを示している。実線の曲線Dnが、本実施形態のスイッチング素子駆動モード変換手法による指令DUTY*の時間推移を示しており、点線の曲線Dpが、従来の手法による指令DUTY*の時間推移を示している。
図9(B)は、同図(A)の指令DUTY*に従ってフィードバック制御がなされた場合の2次側電圧V2(実測値)のタイミングチャートを示している。実線の曲線N2が、本実施形態のスイッチング素子駆動モード変換手法による2次側電圧V2(実測値)の時間推移を示しており、点線の曲線P2が、従来の手法による2次側電圧V2(実測値)の時間推移を示している。
FIG. 9A shows a timing chart of the command DUTY * in the V2 control during the power running operation in the one-side drive method and when the secondary side voltage V2 is larger than the secondary side voltage command value V2 *. ing. A solid curve Dn indicates a time transition of the command DUTY * by the switching element drive mode conversion method of the present embodiment, and a dotted curve Dp indicates a time transition of the command DUTY * by the conventional method.
FIG. 9B shows a timing chart of the secondary side voltage V2 (actually measured value) when feedback control is performed according to the command DUTY * of FIG. A solid curve N2 indicates a time transition of the secondary side voltage V2 (actually measured value) by the switching element drive mode conversion method of the present embodiment, and a dotted line curve P2 indicates the secondary side voltage V2 (by the conventional method). It shows the time transition of the measured value.
従来手法では、図9(A)の期間Taにおいては、曲線Dpで示す指令DUTY*は減少していく。
期間Tbにおいては、Lパルス(昇圧PWM三角波)が0になり、曲線Dpで示す指令DUTY*が0に到達すると、そのまま0を維持することになる。しかしながら、負荷(図2の例では負荷33)の両端に接続されたコンデンサC2の放電が進まないため、図9(B)に示すように、曲線P2で示す2次側電圧V2(実測値)が下がらない。
その後、コンデンサC2の放電が徐々に進み、それに伴い、曲線P2で示す2次側電圧V2(実測値)が徐々に下がり、2次側電圧指令値V2*に近付くと、図9(A)の期間Tcにおいて、曲線Dpで示す指令DUTY*が上昇する。
図9(A)の期間Tdにおいて、曲線P2で示す2次側電圧V2(実測値)が、2次側電圧指令値V2*に略一致になると、曲線Dpで示す指令DUTY*も安定する。
このように、低電力域でのV2制御において、そのフィードバック制御の追従遅れが発生する主要因は、即ち、従来の追従遅れ課題の発生要因は、負荷(図2の例では負荷33)の両端に接続されたコンデンサC2の放電が進まないことである。
In the conventional method, the command DUTY * indicated by the curve Dp decreases during the period Ta in FIG.
In the period Tb, when the L pulse (step-up PWM triangular wave) becomes 0 and the command DUTY * indicated by the curve Dp reaches 0, it remains 0 as it is. However, since the discharge of the capacitor C2 connected to both ends of the load (load 33 in the example of FIG. 2) does not proceed, as shown in FIG. 9B, the secondary voltage V2 (measured value) indicated by the curve P2 is shown. Will not go down.
Thereafter, the discharge of the capacitor C2 gradually proceeds, and accordingly, the secondary side voltage V2 (measured value) indicated by the curve P2 gradually decreases and approaches the secondary side voltage command value V2 * as shown in FIG. 9A. In the period Tc, the command DUTY * indicated by the curve Dp increases.
In the period Td in FIG. 9A, when the secondary side voltage V2 (actually measured value) indicated by the curve P2 substantially coincides with the secondary side voltage command value V2 * , the command DUTY * indicated by the curve Dp is also stabilized.
Thus, in the V2 control in the low power range, the main cause of the feedback control follow-up delay, that is, the cause of the conventional follow-up delay issue is the both ends of the load (load 33 in the example of FIG. 2). The discharge of the capacitor C2 connected to the terminal does not proceed.
そこで、本発明人らは、図9(B)に示すように、従来の追従遅れ課題を解決可能な、スイッチング素子駆動モード変換手法を発明した。 Therefore, the inventors have invented a switching element drive mode conversion method capable of solving the conventional tracking delay problem as shown in FIG. 9B.
即ち、本実施形態のスイッチング素子駆動モード変換手法では、図9(A)の期間TAにおいては、曲線Dnで示す指令DUTY*は減少していく。この段階では、Lパルス(昇圧PWM三角波)が出力されており、SL駆動モードになっている。ここまでは、従来の手法における期間Taと同様の動作になる。
しかしながら、期間Tbにおいては、Lパルス(昇圧PWM三角波)が0になり、曲線Dnで示す指令DUTY*が負(−)になると、Hパルス(降圧PWM三角波)が出力されるようになり、SH駆動モードに切り替わる。この場合、電源回路部51(図10参照)の電流は、バッテリ31側に回生される方向に流れるため、負荷(図1の例では負荷13)の両端に接続されたコンデンサC2の放電が急激に進む。それに伴い、曲線N2で示す2次側電圧V2(実測値)も大幅に低下する。
その結果、2次側電圧V2(実測値)が、2次側電圧指令値V2*に近付くと、図9(A)の期間TCにおいて、曲線Dnで示す指令DUTY*が上昇する。
図9(A)の期間TDにおいて、曲線N2で示す2次側電圧V2(実測値)が、2次側電圧指令値V2*に略一致になると、曲線Dnで示す指令DUTY*も安定する。
このように、指令DUTY*が正(+)から負(−)に遷移して、SL駆動モードからSH駆動モードに切り替わる。その結果、コンデンサC2の放電が急速に進むため、曲線N2で示す2次側電圧V2(実測値)を素早く降下させて、2次側電圧指令値V2*に近付けることが可能になる。
That is, in the switching element drive mode conversion method of this embodiment, the command DUTY * indicated by the curve Dn decreases during the period TA in FIG. At this stage, an L pulse (step-up PWM triangular wave) is output and the SL drive mode is set. Up to this point, the operation is similar to the period Ta in the conventional method.
However, in the period Tb, when the L pulse (step-up PWM triangular wave) becomes 0 and the command DUTY * indicated by the curve Dn becomes negative (−), the H pulse (step-down PWM triangular wave) is output. Switch to drive mode. In this case, since the current of the power supply circuit unit 51 (see FIG. 10) flows in the direction of regeneration toward the
As a result, when the secondary side voltage V2 (actually measured value) approaches the secondary side voltage command value V2 * , the command DUTY * indicated by the curve Dn increases during the period TC in FIG. 9A.
In the period TD in FIG. 9A, when the secondary side voltage V2 (actually measured value) indicated by the curve N2 substantially coincides with the secondary side voltage command value V2 * , the command DUTY * indicated by the curve Dn is also stabilized.
Thus, the negative from the command DUTY * is positive (+) (-) transitions to switched from SL drive mode to the SH driving mode. As a result, since the discharge of the capacitor C2 proceeds rapidly, the secondary side voltage V2 (actually measured value) indicated by the curve N2 can be quickly lowered to approach the secondary side voltage command value V2 * .
図示及び詳細な説明は省略するが、片側駆動方式での回生動作時のV2制御であっても、本実施形態のスイッチング素子駆動モード変換手法を適用することで、力行動作時と、SL駆動モードとSH駆動モードとの切り替えが逆になる以外は同様の動作が実現される。その結果、コンデンサC2の充電が急速に進むため、2次側電圧V2(実測値)を素早く下降させて、2次側電圧指令値V2*に近付けることが可能になる。 Although illustration and detailed description are omitted, even in the V2 control during the regenerative operation in the one-side drive method, by applying the switching element drive mode conversion method of the present embodiment, the power drive operation and the SL drive mode can be performed. The same operation is realized except that the switching between the SH drive mode and the SH drive mode is reversed. As a result, since charging of the capacitor C2 proceeds rapidly, the secondary side voltage V2 (actually measured value) can be quickly lowered to approach the secondary side voltage command value V2 * .
スイッチング素子駆動モード変換手法を換言すると、次のようになる。
即ち、負荷(図1の例では負荷13)の電流Ioutが0以上の場合(Iout≧0の場合)、力行動作時と判定し、負荷の電流Ioutが0未満の場合(Iout<0の場合)、回生動作時と判定することができる。
また、指令DUTY*は、SL駆動用の指令DUTY*(以下、「BOOSTDUTY*」と呼ぶ)と、SH駆動用の指令DUTY*(以下、「BUCKDUTY*」と呼ぶ)とに大別することができる。
Iout≧0の場合(力行動作時の場合)には、BOOSTDUTY*≧0のとき、SL駆動モードとなり、BOOSTDUTY*が出力されて、その結果、スイッチング素子SLが駆動する。このとき、BUCKDUTY*=0となるため、スイッチング素子SHの駆動が禁止される。
一方、Iout≧0の場合(力行動作時の場合)であっても、BOOSTDUTY*<0のとき、SH駆動モードとなり、BUCKDUTY*として−BOOSTDUTY*の値が代入されて出力され、その結果、スイッチング素子SHが駆動する。このとき、BOOSTDUTY*=0となるため、スイッチング素子SLの駆動が禁止される。
これに対して、Iout<0の場合(回生動作時の場合)には、BUCKDUTY*≧0のとき、SH駆動モードとなり、BUCKDUTY*が出力されて、その結果、スイッチング素子SHが駆動する。このとき、BOOSTDUTY*=0となるため、スイッチング素子SLの駆動が禁止される。
一方、Iout<0の場合(回生動作時の場合)であっても、BUCKDUTY*<0のとき、SL駆動モードとなり、BOOSTDUTY*として−BUCKDUTY*の値が代入されて出力され、その結果、スイッチング素子SLが駆動する。このとき、BUCKDUTY*=0となるため、スイッチング素子SHの駆動が禁止される。
In other words, the switching element drive mode conversion method is as follows.
That is, when the current Iout of the load (
Further, the command DUTY * is roughly divided into a SL drive command DUTY * (hereinafter referred to as “BOOSTDUTY * ”) and a SH drive command DUTY * (hereinafter referred to as “BUCKDUTY * ”). it can.
In the case of Iout ≧ 0 (in the case of powering operation), when BOOSTDUTY * ≧ 0, the SL drive mode is set, and BOOSTDUTY * is output. As a result, the switching element SL is driven. At this time, since BUCKDUTY * = 0, the driving of the switching element SH is prohibited.
On the other hand, even for Iout ≧ 0 (the case of power running operation), when the BOOSTDUTY * <0, becomes SH driving mode, -BOOSTDUTY * value is outputted is substituted as BUCKDUTY *, as a result, the switching The element SH is driven. At this time, since BOOSTDUTY * = 0, the driving of the switching element SL is prohibited.
On the other hand, when Iout <0 (in the case of regenerative operation), when BUCKDUTY * ≧ 0, the SH drive mode is set, and BUCKDUTY * is output, and as a result, the switching element SH is driven. At this time, since BOOSTDUTY * = 0, the driving of the switching element SL is prohibited.
On the other hand, even for Iout <0 (the case of regenerative operation), when the BUCKDUTY * <0, becomes SL drive mode, -BUCKDUTY * value is outputted is substituted as BOOSTDUTY *, as a result, the switching The element SL is driven. At this time, since BUCKDUTY * = 0, the driving of the switching element SH is prohibited.
このように、スイッチング素子駆動モード変換手法を適用することで、片側駆動方式のV2制御を適切に実行することができる。
具体的には、追従遅れ課題、即ち、負荷及び電圧が変動した場合等においてフィードバック制御の追従遅れ及びリップル電圧が発生するという課題を解決することが可能になる。その結果、片側駆動方式のV2制御を適切に実行することができるため、不要なリップル電圧を抑制し、安定した2次側電圧V2が得られるようになる。
Thus, by applying the switching element drive mode conversion method, the V2 control of the one-side drive method can be appropriately executed.
Specifically, it is possible to solve the follow-up delay problem, that is, the problem that the follow-up delay of the feedback control and the ripple voltage occur when the load and voltage fluctuate. As a result, the V2 control of the one-side drive method can be appropriately executed, so that an unnecessary ripple voltage is suppressed and a stable secondary voltage V2 can be obtained.
以上、本実施形態の連続域/低電力域DUTY切替手法及びスイッチング素子駆動モード変換手法の詳細について説明した。 The details of the continuous region / low power region DUTY switching method and the switching element drive mode conversion method of the present embodiment have been described above.
図10は、このような連続域/低電力域DUTY切替手法及びスイッチング素子駆動モード変換手法が適用された図1の双方向DC−DCコンバータ12の詳細な構成を示す構成図である。
FIG. 10 is a configuration diagram showing a detailed configuration of the bidirectional DC-
双方向DC−DCコンバータ12は、電源回路部51と、制御部52と、を備えている。
The bidirectional DC-
図10において、電源回路部51の構成要素(素子)のうち、図2の一般的な電源回路部41の構成要素(素子)と同様のものについては、同一の符号を付しており、それらの説明は適宜省略する。
電源回路部51は、一般的な電源回路部41と比較して、負荷13の両端にコンデンサC3がさらに接続されている点、及び、電流検出部61が設けられている点が異なり、それ以外の点は同様である。
In FIG. 10, among the constituent elements (elements) of the
The power
制御部52は、ECU(Electronic Control Unit)71と、DUTY演算部72と、A/D(Analog to Digital)変換部73乃至75と、偏差演算部76と、PID補償部77と、DUTY指令演算部78と、PWM出力部79と、ゲートドライバ80と、を備えている。
The
ECU71は、制御部52全体の処理を制御する。ECU71は、例えば2次側電圧指令値V2*のデータを生成し、DUTY演算部72及び偏差演算部76に供給する。
The
DUTY演算部72には、A/D変換部73からは負荷13の電流Ioutのデータが、A/D変換部74からは1次側電圧V1のデータが、ECU71からは2次側電圧指令値V2*のデータが、それぞれ供給される。
DUTY演算部72は、これらのデータに基づいて、フィードフォワード項としてのDUTYを演算し、そのデータをDUTY演算部72に供給する。
In the
The
A/D変換部73は、電流検出部61によりアナログ信号として検出された電流Ioutを、デジタル信号(データ)に変換して、DUTY演算部72に供給する。
A/D変換部74は、バッテリ11の両端(1次側)に直列接続された抵抗R1と抵抗R2との分圧を示すアナログ信号を、デジタル信号(データ)に変換して、それを1次側電圧V1のデータとして、DUTY演算部72に供給する。
A/D変換部75は、負荷13の両端(2次側)に直列接続された抵抗R3と抵抗R4との分圧を示すアナログ信号を、デジタル信号(データ)に変換して、それを2次側電圧V2のデータとして、偏差演算部76に供給する。
The A /
The A /
The A /
偏差演算部76は、ECU71からデータとして供給される2次側電圧指令値V2*と、A/D変換部75からデータとして供給される2次側電圧V2との差分を演算することによって、フィードバック制御の偏差を求め、そのデータをPID補償部77に供給する。
The
PID補償部77は、DUTY演算部72により演算されるフィードフォワード項に対するPID補償を行うため、偏差演算部76からデータとして供給された偏差に基づいて、いわゆるフィードバック項を演算し、そのデータをDUTY指令演算部78に供給する。
The
DUTY指令演算部78は、DUTY演算部72からデータとして供給されたフィードフォワード項(DUTY)と、PID補償部77からデータとして供給されたフィードバック項とを加算することによって、指令DUTY*を求め、そのデータをPWM出力部79に供給する。
The DUTY
PWM出力部79は、DUTY指令演算部78から供給された指令DUTY*に基づいて、Lパルス(昇圧PWM三角波)又はHパルス(降圧PWM三角波)をゲートドライバ80に出力する。
具体的には、Lパルス(昇圧PWM三角波)は、BOOSTDUTY*の値に応じてパルス幅が可変されてゲートドライバ80に出力される。一方、Hパルス(降圧PWM三角波)は、BUCKDUTY*の値に応じてパルス幅が可変されてゲートドライバ80に出力される。
The
Specifically, the L pulse (step-up PWM triangular wave) is output to the
ゲートドライバ80は、PWM出力部79からLパルス(昇圧PWM三角波)が出力された場合、当該Lパルスに基づいてゲート信号Vge_Loを生成し、スイッチング素子SL(IGBTのゲート)に供給する。スイッチング素子SLは、ゲート信号Vge_Loに基づいて駆動し、オン状態又はオフ状態を適宜切り換える。
また、ゲートドライバ80は、PWM出力部79からHパルス(降圧PWM三角波)が出力された場合、当該Hパルスに基づいてゲート信号Vge_Hiを生成し、スイッチング素子SH(IGBTのゲート)に供給する。スイッチング素子SHは、ゲート信号Vge_Hiに基づいて駆動し、オン状態又はオフ状態を適宜切り替える。
When an L pulse (step-up PWM triangular wave) is output from the
Further, when an H pulse (step-down PWM triangular wave) is output from the
以上の構成の制御部52が、電源回路部51に対するV2制御を行う処理を、以下、「V2制御処理」と呼ぶ。
次に、図11を参照して、このようなV2制御処理の流れについて説明する。
A process in which the
Next, the flow of such a V2 control process will be described with reference to FIG.
図11は、V2制御処理の流れを説明するフローチャートである。
V2制御処理は、V2制御が実行される間、所定の時間間隔毎、例えばECU71により2次側電圧指令値V2*のデータが生成される毎に繰り返し実行される。
FIG. 11 is a flowchart for explaining the flow of the V2 control process.
The V2 control process is repeatedly executed at predetermined time intervals, for example, every time the
ステップS1において、制御部52は、電源回路部51の各実測値のデータ、即ち、1次側電圧V1、2次側電圧V2、及び負荷13の電流Ioutの各データを取得する。
In step S <b> 1, the
ステップS2において、制御部52のDUTY演算部72は、フィードフォワード項としてのDUTYを演算する。
ここで、V2制御処理は、連続域/低電力域DUTY切替手法が適用されている。
従って、DUTY演算部72は、現在、連続域でのV2制御を実行しているのか、低電力域でのV2制御を実行しているのかを認識する。認識手法は、特に限定されず、例えば負荷13の電流Ioutの値に基づいて、連続域であるのか、それとも低電力域であるのかを認識する、といった認識手法を採用することができる。
連続域でのV2制御であると認識された場合、BOOSTDUTY*用のフィードフォワード項としてのDUTYは、昇圧比の式(2)に従って演算される一方、BUCKDUTY*用のフィードフォワード項としてのDUTYは、昇圧比の式(8)に従って演算される。
これに対して、低電力域であると認識された場合、BOOSTDUTY*用のフィードフォワード項としてのDUTYは、式(7)に従って演算される一方、BUCKDUTY*用のフィードフォワード項としてのDUTYは、式(12)に従って演算される。
In step S2, the
Here, the continuous area / low power area DUTY switching method is applied to the V2 control processing.
Therefore, the
When recognized as V2 control in the continuous region, DUTY as a feedforward term for BOOSTDUTY * is calculated according to the boost ratio equation (2), while DUTY as a feedforward term for BUCKDUTY * is , And is calculated according to the boost ratio equation (8).
On the other hand, when it is recognized that it is a low power range, DUTY as a feedforward term for BOOSTDUTY * is calculated according to Equation (7), while DUTY as a feedforward term for BUCKDUTY * is It calculates according to Formula (12).
ステップS3において、制御部52のPID補償部77は、フィードバック項を演算する。
In step S3, the
ステップS4において、制御部52のDUTY指令演算部78は、ステップS2の処理で演算されたフィードフォワード項(DUTY)と、ステップS3の処理で演算されたフィードバック項とを加算することによって、指令DUTY*を演算する。
なお、上述したように、指令DUTY*として、SL駆動用のBOOSTDUTY*と、SH駆動用のBUCKDUTY*とが演算される。
In step S4, the DUTY
As described above, as the command DUTY *, and BOOSTDUTY * for SL drive, BUCKDUTY * and is calculated for SH driving.
ステップS5において、DUTY指令演算部78は、負荷13の電流Ioutが0以上であるか否か(Iout≧0?)を判定する。
In step S5, the DUTY
負荷13の電流Ioutが0以上である場合、即ち力行動作時である場合、ステップS5においてYESであると判定されて、処理はステップS6に進む。
When the current Iout of the
ステップS6において、DUTY指令演算部78は、BOOSTDUTY*が0以上であるか否か(BOOSTDUTY*≧0?)を判定する。
In step S6, the DUTY
BOOSTDUTY*が0以上の場合、ステップS6においてYESであると判定され、処理はステップS7に進む。
ステップS7において、DUTY指令演算部78は、SL駆動モードにすることによって、BOOSTDUTY*を出力すると共に、BUCKDUTY*=0とする(出力を禁止する)。
ステップS14において、制御部52のPWM出力部79は、PWM出力をする。即ち、いまの場合、BOOSTDUTY*の値に応じてパルス幅が可変されたLパルス(昇圧PWM三角波)が出力され、その結果、スイッチング素子SLが駆動する。一方、Hパルス(降圧PWM三角波)の出力は禁止されるので、スイッチング素子SHの駆動も禁止される。
これにより、V2制御処理は終了する。
When BOOSTDUTY * is 0 or more, it is determined as YES in step S6, and the process proceeds to step S7.
In step S7, the DUTY
In step S14, the
Thereby, the V2 control process ends.
これに対して、BOOSTDUTY*が0未満の場合、ステップS6においてNOであると判定され、処理はステップS8に進む。
ステップS8において、DUTY指令演算部78は、SH駆動モードにする。
ステップS9において、DUTY指令演算部78は、指令DUTY*を再演算する。
即ち、DUTY指令演算部78は、BUCKDUTY*として−BOOSTDUTY*を再代入して出力するとともに、BOOSTDUTY*=0とする(出力を禁止する)。
ステップS14において、PWM出力部79は、PWM出力をする。即ち、いまの場合、BUCKDUTY*の値に応じてパルス幅が可変されたHパルス(降圧PWM三角波)が出力され、その結果、スイッチング素子SHが駆動する。一方、Lパルス(昇圧PWM三角波)の出力は禁止されるので、スイッチング素子SLの駆動も禁止される。
これにより、V2制御処理は終了する。
On the other hand, if BOOSTDUTY * is less than 0, it is determined as NO in step S6, and the process proceeds to step S8.
In step S8, the DUTY
In step S9, the DUTY
That is, the DUTY
In step S14, the
Thereby, the V2 control process ends.
以上、負荷13の電流Ioutが0以上である場合、即ち力行動作時である場合の一連の処理について説明した。
次に、負荷13の電流Ioutが0未満である場合、即ち回生動作時である場合の一連の処理について説明する。
この場合、ステップS5においてNOであると判定されて、処理はステップS10に進む。
The series of processes when the current Iout of the
Next, a series of processes when the current Iout of the
In this case, it is determined as NO in Step S5, and the process proceeds to Step S10.
ステップS10において、DUTY指令演算部78は、BUCKDUTY*が0以上であるか否か(BUCKDUTY*≧0?)を判定する。
In step S10, the DUTY
BUCKDUTY*が0以上の場合、ステップS10においてYESであると判定され、処理はステップS13に進む。
ステップS13において、DUTY指令演算部78は、SH駆動モードにすることによって、BUCKDUTY*を出力すると共に、BOOSTDUTY*=0とする(出力を禁止する)。
ステップS14において、制御部52のPWM出力部79は、PWM出力をする。即ち、いまの場合、BUCKTDUTY*の値に応じてパルス幅が可変されたHパルス(降圧PWM三角波)が出力され、その結果、スイッチング素子SHが駆動する。一方、Lパルス(昇圧PWM三角波)の出力は禁止されるので、スイッチング素子SLの駆動も禁止される。
これにより、V2制御処理は終了する。
When BUCKDUTY * is 0 or more, it is determined as YES in Step S10, and the process proceeds to Step S13.
In step S13, the DUTY
In step S14, the
Thereby, the V2 control process ends.
これに対して、BUCKDUTY*が0未満の場合、ステップS10においてNOであると判定され、処理はステップS11に進む。
ステップS11において、DUTY指令演算部78は、SL駆動モードにする。
ステップS12において、DUTY指令演算部78は、指令DUTY*を再演算する。
即ち、DUTY指令演算部78は、BOOSTDUTY*として−BUCKDUTY*を再代入して出力するとともに、BUCKDUTY*=0とする(出力を禁止する)。
ステップS14において、PWM出力部79は、PWM出力をする。即ち、いまの場合、BUCKTDUTY*の値に応じてパルス幅が可変されたLパルス(昇圧PWM三角波)が出力され、その結果、スイッチング素子SLが駆動する。一方、Hパルス(降圧PWM三角波)の出力は禁止されるので、スイッチング素子SHの駆動も禁止される。
これにより、V2制御処理は終了する。
On the other hand, if BUCKDUTY * is less than 0, it is determined as NO in step S10, and the process proceeds to step S11.
In step S11, the DUTY
In step S12, the DUTY
That is, the DUTY
In step S14, the
Thereby, the V2 control process ends.
以上説明した本実施形態によれば、次の(1)や(2)の効果を奏することが可能になる。 According to this embodiment described above, the following effects (1) and (2) can be obtained.
(1)本実施形態の双方向DC−DCコンバータ12は、連続域/低電力域DUTY切替手法を適用することで、片側駆動方式のV2制御を適切に実行することができる。
具体的には、DUTY課題、即ち、軽負荷時等の低電力域でのV2制御では2次側電圧V2が不要に上昇又は下降してしまう、といった課題を解決することができる。即ち、軽負荷時の不要な電圧変動を大幅に抑制することができる。その結果、低電力域のV2制御における低損失化が実現でき、回路の発熱の抑制ができるため、双方向DC−DCコンバータ12に対する冷却装置(図示せず)の小型化が可能になり、ひいては、車載用PDUシステム全体の体積低減やコスト低減を図ることが可能になる。
(1) The bidirectional DC-
Specifically, it is possible to solve the DUTY problem, that is, the problem that the secondary voltage V2 is unnecessarily increased or decreased in the V2 control in a low power range such as a light load. That is, unnecessary voltage fluctuations at light loads can be significantly suppressed. As a result, it is possible to reduce the loss in the V2 control in the low power range and to suppress the heat generation of the circuit, so that the cooling device (not shown) for the bidirectional DC-
(2)本実施形態の双方向DC−DCコンバータ12は、スイッチング素子駆動モード変換手法を適用することで、片側駆動方式のV2制御を適切に実行することができる。
具体的には、追従遅れ課題、即ち、負荷が変動した場合等においてフィードバック制御の追従遅れが発生するという課題を解決することが可能になる。その結果、片側駆動方式のV2制御を適切に実行することができるため、不要なリップル電圧を抑制し、安定した2次側電圧Vが得られるようになる。
(2) The bidirectional DC-
Specifically, it is possible to solve the follow-up delay problem, that is, the problem that the follow-up delay of feedback control occurs when the load fluctuates. As a result, since the V2 control of the one-side drive method can be appropriately executed, unnecessary ripple voltage is suppressed, and a stable secondary voltage V can be obtained.
なお、連続域/低電力域DUTY切替手法と、スイッチング素子駆動モード変換手法との各々は、相互に独立した手法であるため、単体で適用することができる。その場合には、連続域/低電力域DUTY切替手法単体で適用することで、上述の(1)の効果を奏することができるし、スイッチング素子駆動モード変換手法を単体で適用することで、上述の(2)の効果を奏することができる。
しかしながら、上述の(1)及び(2)の効果を組み合わせることによって、片側駆動方式のV2制御をより一段と適切に実行することができるようになる。よって、本実施形態のように、連続域/低電力域DUTY切替手法と、スイッチング素子駆動モード変換手法とを組み合わせて適用した方が好適である。
Note that each of the continuous area / low power area DUTY switching method and the switching element drive mode conversion method is an independent method and can be applied alone. In that case, by applying the continuous region / low power region DUTY switching method alone, the above-described effect (1) can be obtained, and by applying the switching element drive mode conversion method alone, the above-described effect can be obtained. The effect of (2) can be achieved.
However, by combining the effects (1) and (2) described above, the V2 control of the one-side drive method can be more appropriately executed. Therefore, it is preferable to apply the continuous area / low power area DUTY switching method and the switching element drive mode conversion method in combination as in the present embodiment.
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、連続域/低電力域DUTY切替手法やスイッチング素子駆動モード変換手法は、バッテリ11を入力してみたときに、図12(A)に示すような降圧コンバータとなるDC−DCコンバータ101や、図12(B)に示すような昇降圧コンバータとなるDC−DCコンバータ102に対しても適用することができる。
It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and modifications, improvements, and the like within the scope that can achieve the object of the present invention are included in the present invention.
For example, the continuous region / low power region DUTY switching method and the switching element drive mode conversion method include a DC-
ところで、上述した一連の処理は、ハードウェアにより実行させることもできるし、ソフトウェアにより実行させることもできる。 By the way, the above-described series of processes can be executed by hardware or can be executed by software.
一連の処理をソフトウェアにより実行させる場合には、そのソフトウェアを構成するプログラムが、コンピュータなどにネットワークや記録媒体からインストールされる。
コンピュータは、専用のハードウェアに組み込まれているコンピュータであってもよい。また、コンピュータは、各種のプログラムをインストールすることで、各種の機能を実行することが可能なコンピュータ、例えば汎用のパーソナルコンピュータであってもよい。
このようなプログラムを含む記録媒体は、図示はしないが、ユーザにプログラムを提供するために装置本体とは別に配布されるリムーバブルメディアにより構成されるだけでなく、装置本体に予め組み込まれた状態でユーザに提供される記録媒体などで構成される。
リムーバブルメディアは、例えば、磁気ディスク(フロッピディスクを含む)、光ディスク、又は光磁気ディスクなどにより構成される。光ディスクは、例えば、CD−ROM(Compact Disk−Read Only Memory),DVD(Digital Versatile Disk)などにより構成される。光磁気ディスクは、MD(Mini−Disk)などにより構成される。また、装置本体に予め組み込まれた状態でユーザに提供される記録媒体は、例えば、プログラムが記録されているメモリやハードディスクなどで構成される。
When a series of processing is executed by software, a program constituting the software is installed on a computer or the like from a network or a recording medium.
The computer may be a computer incorporated in dedicated hardware. The computer may be a computer capable of executing various functions by installing various programs, for example, a general-purpose personal computer.
Although not shown, the recording medium including such a program is not only constituted by a removable medium distributed separately from the apparatus main body in order to provide a program to the user, but also in a state of being incorporated in the apparatus main body in advance. It consists of a recording medium provided to the user.
The removable medium is composed of, for example, a magnetic disk (including a floppy disk), an optical disk, a magneto-optical disk, or the like. The optical disk is composed of, for example, a CD-ROM (Compact Disk-Read Only Memory), a DVD (Digital Versatile Disk), or the like. The magneto-optical disk is configured by an MD (Mini-Disk) or the like. Moreover, the recording medium provided to the user in a state of being pre-installed in the apparatus main body is configured by, for example, a memory or a hard disk in which a program is recorded.
なお、本明細書において、記録媒体に記録されるプログラムを記述するステップは、その順序に沿って時系列的に行われる処理はもちろん、必ずしも時系列的に処理されなくとも、並列的或いは個別に実行される処理をも含むものである。 In the present specification, the step of describing the program recorded on the recording medium is not limited to the processing performed in time series along the order, but is not necessarily performed in time series, either in parallel or individually. The process to be executed is also included.
11 バッテリ
12 双方向DC−DCコンバータ
13 負荷
51 電源回路部
52 制御部
71 ECU
72 DUTY演算部
73 A/D変換部
74 A/D変換部
75 A/D変換部
76 偏差演算部
77 PID補償部
78 DUTY指令演算部
79 PWM出力部
80 ゲートドライバ
DESCRIPTION OF
72 DUTY Calculation Unit 73 A / D Conversion Unit 74 A / D Conversion Unit 75 A /
Claims (3)
第1スイッチング素子及び第2スイッチング素子の直列接続を有する回路部と、
前記第1スイッチング素子及び前記第2スイッチング素子の駆動を制御して、2次側電圧を任意の値に維持することによって、前記直流電源から前記負荷に電力を力行する力行動作、又は、前記負荷から前記直流電源に電力を回生する回生動作を実現する制御部と、
を備えるDC−DCコンバータであって、
前記第1スイッチング素子及び前記第2スイッチング素子の駆動モードとして、
第1DUTYのパルスにより前記第1スイッチング素子を駆動させて、前記第2スイッチング素子の駆動を禁止することによって、2次側電圧を任意の値に維持する第1駆動モードと、
前記第1スイッチング素子の駆動を禁止して、第2DUTYのパルスにより前記第2スイッチング素子を駆動させることによって、2次側電圧を任意の値に維持する第2駆動モードと、
を有し、
前記制御部は、
前記第1DUTYの指令及び前記第2DUTYの指令を生成し、
前記力行動作の場合、前記第1DUTYの指令が0以上のときには前記第1駆動モードを実行し、前記第1DUTYの指令が0未満のときには前記第2駆動モードを実行し、
前記回生動作の場合、前記第2DUTYの指令が0以上のときには前記第2駆動モードを実行、前記第2DUTYの指令が0未満のときには前記第1駆動モードを実行する、
DC−DCコンバータ。 A DC power source is connected to the primary side, a load is connected to the secondary side,
A circuit unit having a series connection of a first switching element and a second switching element;
A power running operation for powering the load from the DC power source to the load by controlling driving of the first switching element and the second switching element and maintaining a secondary voltage at an arbitrary value, or the load A control unit for realizing a regenerative operation for regenerating power from the DC power source to
A DC-DC converter comprising:
As drive modes of the first switching element and the second switching element,
A first drive mode for maintaining the secondary side voltage at an arbitrary value by driving the first switching element by a pulse of the first DUTY and prohibiting the driving of the second switching element;
A second driving mode for maintaining the secondary voltage at an arbitrary value by prohibiting driving of the first switching element and driving the second switching element with a pulse of a second DUTY;
Have
The controller is
Generating the first DUTY command and the second DUTY command;
In the power running operation, the first drive mode is executed when the first DUTY command is 0 or more, and the second drive mode is executed when the first DUTY command is less than 0,
In the regenerative operation, when the second DUTY command is 0 or more, the second drive mode is executed, and when the second DUTY command is less than 0, the first drive mode is executed.
DC-DC converter.
さらに、前記負荷の電流が0以上の場合が前記力行動作の場合であると判定し、前記負荷の電流が0未満の場合が前記回生動作の場合と判定し、
前記負荷の電流が0以上の場合、
前記第1DUTYの指令が0以上のときには、前記第1駆動モードとして、当該第1DUTYの指令を用いて前記第1スイッチング素子を駆動させるとともに、前記第2スイッチング素子の駆動を禁止し、
前記第1DUTYの指令が0未満のときには、前記第2駆動モードとして、前記第1スイッチング素子の駆動を禁止するとともに、当該第1DUTUYの指令の符号反転値を前記第2DUTYの指令として用いて前記第2スイッチング素子を駆動させ、
前記負荷の電流が0未満の場合、
前記第2DUTYの指令が0以上のときには、前記第2駆動モードとして、前記第1スイッチング素子の駆動を禁止するとともに、当該第2DUTYの指令を用いて前記第2スイッチング素子を駆動させ、
前記第2DUTYの指令が0未満のときには、前記第1駆動モードとして、当該第2DUTUYの指令の符号反転値を前記第1DUTYの指令として用いて前記第1スイッチング素子を駆動させるとともに、前記第2スイッチング素子の駆動を禁止する、
請求項1に記載のDC−DCコンバータ。 The controller is
Further, it is determined that the case where the load current is 0 or more is the case of the power running operation, and the case where the load current is less than 0 is determined as the case of the regenerative operation,
When the load current is 0 or more,
When the first DUTY command is 0 or more, as the first drive mode, the first switching element is driven using the first DUTY command, and the driving of the second switching element is prohibited,
When the first DUTY command is less than 0, as the second drive mode, the driving of the first switching element is prohibited and the sign inversion value of the first DUTUY command is used as the second DUTY command. 2 Drive the switching element,
When the load current is less than 0,
When the second DUTY command is equal to or greater than 0, as the second drive mode, the driving of the first switching element is prohibited, and the second switching element is driven using the second DUTY command,
When the second DUTY command is less than 0, as the first drive mode, the first switching element is driven using the sign inversion value of the second DUTUY command as the first DUTY command, and the second switching Prohibit driving of the element,
The DC-DC converter according to claim 1.
第1スイッチング素子及び第2スイッチング素子の直列接続を有する回路部と、
前記第1スイッチング素子及び前記第2スイッチング素子の駆動を制御して、2次側電圧を任意の値に維持することによって、前記直流電源から前記負荷に電力を力行する力行動作、又は、前記負荷から前記直流電源に電力を回生する回生動作を実現する制御部と、
を備えるDC−DCコンバータの制御方法であって、
前記第1スイッチング素子及び前記第2スイッチング素子の駆動モードとして、
第1DUTYのパルスにより前記第1スイッチング素子を駆動させて、前記第2スイッチング素子の駆動を禁止することによって、2次側電圧を任意の値に維持する第1駆動モードと、
前記第1スイッチング素子の駆動を禁止して、第2DUTYのパルスにより前記第2スイッチング素子を駆動させることによって、2次側電圧を任意の値に維持する第2駆動モードと、
を有し、
前記制御部が、
前記第1DUTYの指令及び前記第2DUTYの指令を生成し、
前記力行動作の場合、前記第1DUTYの指令が0以上のときには前記第1駆動モードを実行し、前記第1DUTYの指令が0未満のときには前記第2駆動モードを実行し、
前記回生動作の場合、前記第2DUTYの指令が0以上のときには前記第2駆動モードを実行、前記第2DUTYの指令が0未満のときには前記第1駆動モードを実行する、
DC−DCコンバータの制御方法。
A DC power source is connected to the primary side, a load is connected to the secondary side,
A circuit unit having a series connection of a first switching element and a second switching element;
A power running operation for powering the load from the DC power source to the load by controlling driving of the first switching element and the second switching element and maintaining a secondary voltage at an arbitrary value, or the load A control unit for realizing a regenerative operation for regenerating power from the DC power source to
A method for controlling a DC-DC converter comprising:
As drive modes of the first switching element and the second switching element,
A first drive mode for maintaining the secondary side voltage at an arbitrary value by driving the first switching element by a pulse of the first DUTY and prohibiting the driving of the second switching element;
A second driving mode for maintaining the secondary voltage at an arbitrary value by prohibiting driving of the first switching element and driving the second switching element with a pulse of a second DUTY;
Have
The control unit is
Generating the first DUTY command and the second DUTY command;
In the power running operation, the first drive mode is executed when the first DUTY command is 0 or more, and the second drive mode is executed when the first DUTY command is less than 0,
In the regenerative operation, when the second DUTY command is 0 or more, the second drive mode is executed, and when the second DUTY command is less than 0, the first drive mode is executed.
A method for controlling a DC-DC converter.
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