JP5617227B2 - Dc−dcコンバータ - Google Patents
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Description
図1は、本発明の実施の形態によるDC−DCコンバータ100の回路構成を示す回路図である。
このような、コンバータの動作状態に応じたT1の特性を反映するように、スイッチング周波数の基本設計値である基本周波数の逆数(基本周期)に対するT1の比に基づいて、デューティ限界値Dthを設定することができる。なお、基本周波数は、ユーザへの電磁騒音の感知性(すなわち、可聴周波数帯との関係)や、電流リップルの設計値等を考慮して定められる。
ここで、コンバータの動作状態に応じて、(2)式によって算出されるデューティ限界値Dthがどのように変化するかについて、図3を用いて説明する。
DC−DCコンバータ100では、スイッチング素子Q1,Q2を交互にオンオフすることにより、メインスイッチング素子Q1,Q2のオンオフパターンを変えることなく、デューティ制御によって力行状態(昇圧動作)および回生状態(降圧動作)の両方に連続的に対応することができる。
(3)式に従って、スイッチング周波数の基本設計値である基本周波数の逆数(基本周期)に対するT1の比に従って、デューティ限界値Dthを設定することができる。すなわち、回生状態におけるデューティ限界値Dthは、下記(4)式に従って設定することができる。なお、(4)式中のb1〜b3は、定数である。
図7には、力行状態および回生状態の両方について、コンバータ動作状態の変化とデューティ限界値の変化との関係が示される。図7のI1>0の領域、すなわち、力行状態の特性のいついては、図3に示したのと同様であるので説明は繰返さない。
そして、制御装置150は、ステップS124,S126において、デューティ指令値Dcがデューティ限界値Dth1またはDth2以上の場合には、ステップS130に処理を進める。すなわち、ステップS115,S122,S124,S126による処理は、図8のデューティ限界値設定部215およびキャリア周波数制御部235の機能に対応する。
以下においても、図1に示したDC−DCコンバータにおける、ソフトスイッチングの制御動作の他の例を説明する。すなわち、以下に説明する実施の形態およびその変形例においても、スイッチング制御部200の構成が実施の形態1と相違するのみであり、その他の構成については実施の形態1と同様である。
実施の形態1では、電圧制御のためのデューティ指令値Dcとデューティ限界値Dthとの比較結果に従って、スイッチング周波数(キャリア周波数)を変化させる制御構成を説明した。実施の形態3では、スイッチング周波数(キャリア周波数)を固定して、実現可能なデューティ範囲内に限定してソフトスイッチングを実行する制御動作について説明する。
図18は、実施の形態3の変形例によるDC−DCコンバータにおけるスイッチング制御部の構成を説明する機能ブロック図である。
Claims (12)
- 低電圧ノードおよび高電圧ノードの間で直流電力変換を行うためのDC−DCコンバータであって、
前記低電圧ノードおよび第1のノードの間に接続されるメインインダクタと、
前記高電圧ノードおよび前記第1のノードの間に接続された第1のメインスイッチング素子と、
前記第1のメインスイッチング素子と逆並列に接続された第1のメイン整流素子と、
基準電圧配線および前記第1のノードの間に接続された第2のメインスイッチング素子と、
前記第2のメインスイッチング素子と逆並列に接続された第2のメイン整流素子と、
前記第1および前記第2のメインスイッチング素子の少なくとも一方のメインスイッチング素子に対応して設けられた、対応のメインスイッチング素子をソフトスイッチングさせるための補助共振回路と、
前記第1および前記第2のメインスイッチング素子ならびに前記補助共振回路の動作を制御するための制御回路とを備え、
前記制御回路は、前記低電圧ノードの電圧、前記高電圧ノードの電圧および、前記低電圧ノードから前記DC−DCコンバータへの入力電流の少なくとも1つに基づいて、前記ソフトスイッチングのための制御動作を可変とするように構成され、
前記補助共振回路は、
前記少なくとも一方のメインスイッチング素子と並列に接続された補助キャパシタと、
第2のノードおよび前記第1のノードの間に接続される補助インダクタと、
前記少なくとも一方のメインスイッチング素子に対応して、前記高電圧ノードまたは前記基準電圧配線と前記第2のノードとの間に接続され、前記少なくとも一方のメインスイッチング素子のターンオンに先立ってターンオンすることによって前記ソフトスイッチングを実現するための補助スイッチング素子と、
前記補助スイッチング素子のオン時の電流と逆方向の電流を阻止するように、前記補助スイッチング素子と直列に接続された補助整流素子とを含み、
前記制御回路は、
前記高電圧ノードの電圧を電圧指令値に制御するように、前記第1および前記第2のメインスイッチング素子のデューティ指令値を設定するためのデューティ制御部と、
前記低電圧ノードの電圧、前記高電圧ノードの電圧および、前記入力電流の少なくとも1つに基づいて、前記補助スイッチング素子のオンによって生じた前記補助インダクタを流れる電流が消滅するまでの間前記補助スイッチング素子のオンを維持できる範囲内に前記デューティ指令値を制限するためのデューティ限界値を可変に設定するための限界値設定部と、
前記デューティ指令値と前記デューティ限界値との比較に基づいて、スイッチング周波数を低下させるための周波数制御部と、
前記デューティ指令値と前記周波数制御部によって制御された前記スイッチング周波数とに従って、前記第1および前記第2のメインスイッチング素子ならびに前記補助スイッチング素子の駆動信号を生成するための信号生成部とを含む、DC−DCコンバータ。 - 前記限界値設定部は、前記低電圧ノードの電圧、前記高電圧ノードの電圧および、前記入力電流の少なくとも1つに基づいて、前記補助スイッチング素子のオンによって前記補助インダクタに生じた電流が消滅するまでの時間予測値を求めるとともに、前記スイッチング周波数の所定の基本周波数と前記時間予測値との関係に従って前記デューティ限界値を設定し、
前記周波数制御部は、前記デューティ指令値が前記デューティ限界値よりも低いときには、前記スイッチング周波数を前記基本周波数よりも低下させる一方で、前記デューティ指令値が前記デューティ限界値以上のときには、前記スイッチング周波数を前記基本周波数に維持するように構成される、請求項1記載のDC−DCコンバータ。 - 低電圧ノードおよび高電圧ノードの間で直流電力変換を行うためのDC−DCコンバータであって、
前記低電圧ノードおよび第1のノードの間に接続されるメインインダクタと、
前記高電圧ノードおよび前記第1のノードの間に接続された第1のメインスイッチング素子と、
前記第1のメインスイッチング素子と逆並列に接続された第1のメイン整流素子と、
基準電圧配線および前記第1のノードの間に接続された第2のメインスイッチング素子と、
前記第2のメインスイッチング素子と逆並列に接続された第2のメイン整流素子と、
前記第1および前記第2のメインスイッチング素子の少なくとも一方のメインスイッチング素子に対応して設けられた、対応のメインスイッチング素子をソフトスイッチングさせるための補助共振回路と、
前記第1および前記第2のメインスイッチング素子ならびに前記補助共振回路の動作を制御するための制御回路とを備え、
前記制御回路は、前記低電圧ノードの電圧、前記高電圧ノードの電圧および、前記低電圧ノードから前記DC−DCコンバータへの入力電流の少なくとも1つに基づいて、前記ソフトスイッチングのための制御動作を可変とするように構成され、
前記補助共振回路は、
前記少なくとも一方のメインスイッチング素子と並列に接続された補助キャパシタと、
第2のノードおよび前記第1のノードの間に接続される補助インダクタと、
前記少なくとも一方のメインスイッチング素子に対応して、前記高電圧ノードまたは前記基準電圧配線と前記第2のノードとの間に接続され、前記少なくとも一方のメインスイッチング素子のターンオンに先立ってターンオンすることによって前記ソフトスイッチングを実現するための補助スイッチング素子と、
前記補助スイッチング素子のオン時の電流と逆方向の電流を阻止するように、前記補助スイッチング素子と直列に接続された補助整流素子とを含み、
前記制御回路は、
前記高電圧ノードの電圧を電圧指令値に制御するように、前記第1および前記第2のメ
インスイッチング素子のデューティ指令値を設定するためのデューティ制御部と、
前記低電圧ノードの電圧、前記高電圧ノードの電圧および、前記入力電流の少なくとも1つに基づいてデューティ限界値を可変に設定するための限界値設定部と、
前記デューティ指令値と前記デューティ限界値との比較に基づいて、ソフトスイッチングの実行可否を判定するための判定部と、
所定のスイッチング周波数および前記デューティ指令値に従って前記第1および前記第2のメインスイッチング素子ならびに前記補助スイッチング素子の駆動信号を生成するとともに、前記判定部により前記ソフトスイッチングの実行不可と判定されたときには前記補助スイッチング素子をオフに固定するための信号生成部とを含む、DC−DCコンバータ。 - 前記限界値設定部は、前記低電圧ノードの電圧、前記高電圧ノードの電圧および、前記入力電流の少なくとも1つに基づいて、前記補助スイッチング素子のオンによって前記補助インダクタに生じた電流が消滅するまでの時間予測値を求めるとともに、前記スイッチング周波数の所定の基本周波数と前記時間予測値との関係に従って前記デューティ限界値を設定するように構成される、請求項3記載のDC−DCコンバータ。
- 前記補助共振回路は、
前記第1および前記第2のメインスイッチング素子の各々に対応して、前記補助キャパシタ、前記補助スイッチング素子および前記補助整流素子を配置するように構成され、
前記制御回路は、
前記入力電流に基づいて、前記DC−DCコンバータが力行状態および回生状態のいずれで動作しているかを判定するための判定部をさらに含み、
前記限界値設定部は、前記力行状態および前記回生状態のそれぞれの間で、前記デューティ限界値を別個に設定するように構成される、請求項1または2に記載のDC−DCコンバータ。 - 前記補助共振回路は、
前記第1および前記第2のメインスイッチング素子の各々に対応して、前記補助キャパシタ、前記補助スイッチング素子および前記補助整流素子を配置するように構成され、
前記制御回路は、
前記入力電流に基づいて、前記DC−DCコンバータが力行状態および回生状態のいずれで動作しているかを判定するための判定部をさらに含み、
前記信号生成部は、前記判定部による判定結果に従って、前記力行状態では、前記第1のメインスイッチング素子に対応して設けられた前記補助スイッチング素子をオフに固定するとともに、前記回生状態では、前記第2のメインスイッチング素子に対応して設けられた前記補助スイッチング素子をオフに固定するように構成される、請求項1または2に記載のDC−DCコンバータ。 - 低電圧ノードおよび高電圧ノードの間で直流電力変換を行うためのDC−DCコンバータであって、
前記低電圧ノードおよび第1のノードの間に接続されるメインインダクタと、
前記高電圧ノードおよび前記第1のノードの間に接続されたメインスイッチング素子と、
基準電圧配線から前記第1のノードへ向かう方向を順方向として、前記基準電圧配線および前記第1のノードの間に接続されたメイン整流素子と、
前記メインスイッチング素子をソフトスイッチングさせるための補助共振回路と、
前記メインスイッチング素子および前記補助共振回路の動作を制御するための制御回路とを備え、
前記制御回路は、前記低電圧ノードの電圧、前記高電圧ノードの電圧および、前記低電圧ノードから前記DC−DCコンバータへの入力電流の少なくとも1つに基づいて、前記ソフトスイッチングのための制御動作を可変とするように構成され、
前記補助共振回路は、
前記メインスイッチング素子と並列に接続された補助キャパシタと、
第2のノードおよび前記第1のノードの間に接続される補助インダクタと、
前記メインスイッチング素子に対応して、前記高電圧ノードまたは前記基準電圧配線と前記第2のノードとの間に接続され、前記メインスイッチング素子のターンオンに先立ってターンオンすることによって前記ソフトスイッチングを実現するための補助スイッチング素子と、
前記補助スイッチング素子のオン時の電流と逆方向の電流を阻止するように、前記補助スイッチング素子と直列に接続された補助整流素子とを含み、
前記制御回路は、
前記高電圧ノードの電圧を電圧指令値に制御するように、前記メインスイッチング素子のデューティ指令値を設定するためのデューティ制御部と、
前記低電圧ノードの電圧、前記高電圧ノードの電圧および、前記入力電流の少なくとも1つに基づいて、前記補助スイッチング素子のオンによって生じた前記補助インダクタを流れる電流が消滅するまでの間前記補助スイッチング素子のオンを維持できる範囲内に前記デューティ指令値を制限するためのデューティ限界値を可変に設定するための限界値設定部と、
前記デューティ指令値と前記デューティ限界値との比較に基づいて、スイッチング周波数を低下させるための周波数制御部と、
前記デューティ指令値と前記周波数制御部によって制御された前記スイッチング周波数とに従って、前記メインスイッチング素子ならびに前記補助スイッチング素子の駆動信号を生成するための信号生成部とを含む、DC−DCコンバータ。 - 低電圧ノードおよび高電圧ノードの間で直流電力変換を行うためのDC−DCコンバータであって、
前記低電圧ノードおよび第1のノードの間に接続されるメインインダクタと、
基準電圧配線および前記第1のノードの間に接続されたメインスイッチング素子と、
前記第1のノードから前記高電圧ノードへ向かう方向を順方向として、前記第1のノードおよび前記高電圧ノードの間に接続されたメイン整流素子と、
前記メインスイッチング素子をソフトスイッチングさせるための補助共振回路と、
前記メインスイッチング素子および前記補助共振回路の動作を制御するための制御回路とを備え、
前記制御回路は、前記低電圧ノードの電圧、前記高電圧ノードの電圧および、前記低電圧ノードから前記DC−DCコンバータへの入力電流の少なくとも1つに基づいて、前記ソフトスイッチングのための制御動作を可変とするように構成され、
前記補助共振回路は、
前記メインスイッチング素子と並列に接続された補助キャパシタと、
第2のノードおよび前記第1のノードの間に接続される補助インダクタと、
前記メインスイッチング素子に対応して、前記高電圧ノードまたは前記基準電圧配線と前記第2のノードとの間に接続され、前記メインスイッチング素子のターンオンに先立ってターンオンすることによって前記ソフトスイッチングを実現するための補助スイッチング素子と、
前記補助スイッチング素子のオン時の電流と逆方向の電流を阻止するように、前記補助スイッチング素子と直列に接続された補助整流素子とを含み、
前記制御回路は、
前記高電圧ノードの電圧を電圧指令値に制御するように、前記メインスイッチング素子のデューティ指令値を設定するためのデューティ制御部と、
前記低電圧ノードの電圧、前記高電圧ノードの電圧および、前記入力電流の少なくとも1つに基づいて、前記補助スイッチング素子のオンによって生じた前記補助インダクタを流れる電流が消滅するまでの間前記補助スイッチング素子のオンを維持できる範囲内に前記デューティ指令値を制限するためのデューティ限界値を可変に設定するための限界値設定部と、
前記デューティ指令値と前記デューティ限界値との比較に基づいて、スイッチング周波数を低下させるための周波数制御部と、
前記デューティ指令値と前記周波数制御部によって制御された前記スイッチング周波数とに従って、前記メインスイッチング素子ならびに前記補助スイッチング素子の駆動信号を生成するための信号生成部とを含む、DC−DCコンバータ。 - 前記限界値設定部は、前記低電圧ノードの電圧、前記高電圧ノードの電圧および、前記入力電流の少なくとも1つに基づいて、前記補助スイッチング素子のオンによって前記補助インダクタに生じた電流が消滅するまでの時間予測値を求めるとともに、前記スイッチング周波数の所定の基本周波数と前記時間予測値との関係に従って前記デューティ限界値を設定し、
前記周波数制御部は、前記デューティ指令値が前記デューティ限界値よりも低いときには、前記スイッチング周波数を前記基本周波数よりも低下させる一方で、前記デューティ指令値が前記デューティ限界値以上のときには、前記スイッチング周波数を前記基本周波数に維持するように構成される、請求項7または8に記載のDC−DCコンバータ。 - 低電圧ノードおよび高電圧ノードの間で直流電力変換を行うためのDC−DCコンバータであって、
前記低電圧ノードおよび第1のノードの間に接続されるメインインダクタと、
前記高電圧ノードおよび前記第1のノードの間に接続されたメインスイッチング素子と、
基準電圧配線から前記第1のノードへ向かう方向を順方向として、前記基準電圧配線および前記第1のノードの間に接続されたメイン整流素子と、
前記メインスイッチング素子をソフトスイッチングさせるための補助共振回路と、
前記メインスイッチング素子および前記補助共振回路の動作を制御するための制御回路とを備え、
前記制御回路は、前記低電圧ノードの電圧、前記高電圧ノードの電圧および、前記低電圧ノードから前記DC−DCコンバータへの入力電流の少なくとも1つに基づいて、前記ソフトスイッチングのための制御動作を可変とするように構成され、
前記補助共振回路は、
前記メインスイッチング素子と並列に接続された補助キャパシタと、
第2のノードおよび前記第1のノードの間に接続される補助インダクタと、
前記メインスイッチング素子に対応して、前記高電圧ノードまたは前記基準電圧配線と前記第2のノードとの間に接続され、前記メインスイッチング素子のターンオンに先立ってターンオンすることによって前記ソフトスイッチングを実現するための補助スイッチング素子と、
前記補助スイッチング素子のオン時の電流と逆方向の電流を阻止するように、前記補助スイッチング素子と直列に接続された補助整流素子とを含み、
前記制御回路は、
前記高電圧ノードの電圧を電圧指令値に制御するように、前記メインスイッチング素子のデューティ指令値を設定するためのデューティ制御部と、
前記低電圧ノードの電圧、前記高電圧ノードの電圧および、前記入力電流の少なくとも1つに基づいてデューティ限界値を可変に設定するための限界値設定部と、
前記デューティ指令値と前記デューティ限界値との比較に基づいて、ソフトスイッチングの実行可否を判定するための判定部と、
所定のスイッチング周波数および前記デューティ指令値に従って前記メインスイッチング素子ならびに前記補助スイッチング素子の駆動信号を生成するとともに、前記判定部により前記ソフトスイッチングの実行不可と判定されたときには前記補助スイッチング素子をオフに固定するための信号生成部とを含む、DC−DCコンバータ。 - 低電圧ノードおよび高電圧ノードの間で直流電力変換を行うためのDC−DCコンバータであって、
前記低電圧ノードおよび第1のノードの間に接続されるメインインダクタと、
基準電圧配線および前記第1のノードの間に接続されたメインスイッチング素子と、
前記第1のノードから前記高電圧ノードへ向かう方向を順方向として、前記第1のノードおよび前記高電圧ノードの間に接続されたメイン整流素子と、
前記メインスイッチング素子をソフトスイッチングさせるための補助共振回路と、
前記メインスイッチング素子および前記補助共振回路の動作を制御するための制御回路とを備え、
前記制御回路は、前記低電圧ノードの電圧、前記高電圧ノードの電圧および、前記低電圧ノードから前記DC−DCコンバータへの入力電流の少なくとも1つに基づいて、前記ソフトスイッチングのための制御動作を可変とするように構成され、
前記補助共振回路は、
前記メインスイッチング素子と並列に接続された補助キャパシタと、
第2のノードおよび前記第1のノードの間に接続される補助インダクタと、
前記メインスイッチング素子に対応して、前記高電圧ノードまたは前記基準電圧配線と前記第2のノードとの間に接続され、前記メインスイッチング素子のターンオンに先立ってターンオンすることによって前記ソフトスイッチングを実現するための補助スイッチング素子と、
前記補助スイッチング素子のオン時の電流と逆方向の電流を阻止するように、前記補助スイッチング素子と直列に接続された補助整流素子とを含み、
前記制御回路は、
前記高電圧ノードの電圧を電圧指令値に制御するように、前記メインスイッチング素子のデューティ指令値を設定するためのデューティ制御部と、
前記低電圧ノードの電圧、前記高電圧ノードの電圧および、前記入力電流の少なくとも1つに基づいてデューティ限界値を可変に設定するための限界値設定部と、
前記デューティ指令値と前記デューティ限界値との比較に基づいて、ソフトスイッチングの実行可否を判定するための判定部と、
所定のスイッチング周波数および前記デューティ指令値に従って前記メインスイッチング素子ならびに前記補助スイッチング素子の駆動信号を生成するとともに、前記判定部により前記ソフトスイッチングの実行不可と判定されたときには前記補助スイッチング素子をオフに固定するための信号生成部とを含む、DC−DCコンバータ。 - 前記限界値設定部は、前記低電圧ノードの電圧、前記高電圧ノードの電圧および、前記入力電流の少なくとも1つに基づいて、前記補助スイッチング素子のオンによって前記補助インダクタに生じた電流が消滅するまでの時間予測値を求めるとともに、前記スイッチング周波数の所定の基本周波数と前記時間予測値との関係に従って前記デューティ限界値を設定するように構成される、請求項10または11に記載のDC−DCコンバータ。
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