JP6061030B2 - Ｄｃ−ｄｃコンバータおよびその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、ソフトスイッチング方式のＤＣ−ＤＣコンバータおよびその制御方法に関する。

従来、トランスの１時側に設けたスイッチ素子をオン／オフし、１次巻線に断続的に電圧を印加することによって２次巻線に電圧を誘起させ、２次側にかかる負荷の状態に応じてスイッチ素子をオンする時間を制御する制御回路を有するスイッチング電源装置が知られている（ＪＰ２００２−２３３１４６Ａ参照）。この従来のスイッチング電源装置では、出力要求値が低い場合に、制御回路を強制的にオフする期間を設けて、オフ状態とオン状態とを繰り返して、省電力化を実現することが開示されている。

ここで、共振現象を利用して、スイッチング素子の印加電圧が０Ｖあるいは導通電流が０Ａになってからスイッチング素子のオン／オフを行うソフトスイッチング方式のＤＣ−ＤＣコンバータが知られている。ソフトスイッチング方式のＤＣ−ＤＣコンバータでは、出力値要求がソフトスイッチングの成立する最低出力値を下回ると、ハードスイッチングとなる特性を有する。従って、ＪＰ２００２−２３３１４６Ａに記載の技術をソフトスイッチング方式のＤＣ−ＤＣコンバータに単純に適用すると、ソフトスイッチングが成立せずに損失が増大するという問題が生じる。

本発明は、ソフトスイッチング方式のＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、出力要求値がソフトスイッチングの成立する最低出力値より低い場合でも、ソフトスイッチングを成立させるための技術を提供することを目的とする。

本発明の一態様におけるソフトスイッチング方式のＤＣ−ＤＣコンバータは、スイッチング素子と、トランスまたはリアクトルと、前記スイッチング素子のスイッチング動作を制御する制御手段とを備え、スイッチング素子にかかる電圧または電流がゼロの状態でスイッチング素子のスイッチング動作を行う。制御手段は、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力要求値がソフトスイッチングの成立する最低出力より低い場合に、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力が最低出力以上となる動作区間と、出力が０となる停止区間とを交互に繰り返すように、スイッチング素子の動作を制御する。

本発明の実施形態については、添付された図面とともに以下に詳細に説明される。

図１は、第１の実施形態におけるＤＣ−ＤＣコンバータの構成を示す図である。 図２は、第１の実施形態におけるＤＣ−ＤＣコンバータの出力の時間変化の一例を示す図である。 図３は、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力がソフトスイッチングの成立する最低出力Ｐｍｉｎとなるように制御した場合の出力の時間変化の一例を示す図である。 図４は、第２の実施形態におけるＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧の時間変化の一例を示す図である。

−第１の実施形態−
図１は、第１の実施形態におけるソフトスイッチング方式のＤＣ−ＤＣコンバータ（以下、単にＤＣ−ＤＣコンバータとも呼ぶ）の構成を示す図である。図１に示すＤＣ−ＤＣコンバータ１は、スナバ共振形のＤＣ−ＤＣコンバータであり、例えば、電気自動車に搭載されて使用される。ただし、本実施形態におけるＤＣ−ＤＣコンバータの適用先が車両に限定されることはない。

第１の実施形態におけるＤＣ−ＤＣコンバータ１は、１次側スイッチング回路１０と、２次側スイッチング回路２０と、トランス３０と、１次側平滑コンデンサＣ１０と、２次側平滑コンデンサＣ２０と、コントローラ４０とを備える。１次側スイッチング回路１０は、トランス３０の１次巻線３１と接続され、２次側スイッチング回路２０は、トランス３０の２次巻線３２と接続されている。トランス３０の１次巻線３１と２次巻線３２とは、磁気結合されている。

１次側スイッチング回路１０は、スイッチング素子Ｈ１〜Ｈ４と、逆並列ダイオードＤ１〜Ｄ４と、スナバコンデンサＣ１〜Ｃ４とを備える。また、２次側スイッチング回路２０は、スイッチング素子Ｈ５〜Ｈ８と、逆並列ダイオードＤ５〜Ｄと、スナバコンデンサＣ５〜Ｃ８とを備える。

コントローラ４０は、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力目標値に応じて、スイッチング素子Ｈ１〜Ｈ８のオン／オフを制御する。

図１に示すスナバ共振形のＤＣ−ＤＣコンバータ１は、既知の構成であるため、その基本的な動作の説明は省略するが、トランス電流のデッドタイム期間中にスナバコンデンサを充放電することにより、ソフトスイッチングを実現する。スナバコンデンサＣ１〜Ｃ８の容量は、トランス３０の漏れインダクタンスとの共振周波数およびデッドタイムを比較し、デッドタイム期間中に充放電が完了するような最適な容量を選定しておく。一方、スナバコンデンサの充放電電流は、主にトランス３０に流れる負荷電流により供給されるため、従来のＤＣ−ＤＣコンバータでは、負荷電流がデッドタイム期間中にスナバコンデンサを充放電できる程度の値より低い場合には、ハードスイッチングとなる。

以下では、第１の実施形態におけるＤＣ−ＤＣコンバータの特徴的な動作について説明する。

図２は、第１の実施形態におけるＤＣ−ＤＣコンバータの出力電力の時間変化の一例を示す図である。上述したように、従来のソフトスイッチング方式のＤＣ−ＤＣコンバータでは、出力電力Ｐがソフトスイッチングの成立する最低出力電力Ｐｍｉｎを下回ると、ハードスイッチングとなる。従って、本実施形態では、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力目標電力Ｐ^＊がＰｍｉｎを下回る場合に、実出力電力ＰがＰｍｉｎ以上となる動作期間と、実出力電力Ｐが０となる停止期間とが交互になるように、かつ、実出力電力Ｐの平均値が出力目標電力Ｐ^＊となるように、スイッチング素子Ｈ１〜Ｈ８のオン／オフを制御する。

なお、図２では、動作期間Ｔ１および停止期間Ｔ２からなる出力電圧変動周期の１周期のみ表示しているが、上述した動作期間と停止期間とが繰り返し交互になるように、間欠動作させる。

図２に示す例では、動作期間Ｔ１に実出力電力ＰがＰｍｉｎ以上となるように制御するとともに、停止期間Ｔ２に実出力電力Ｐが０となるように制御している。動作期間Ｔ１において実出力電力Ｐが出力目標電力Ｐ^＊を超える分と、停止期間Ｔ２において実出力電力Ｐが出力目標電力Ｐ^＊に対して不足する分とが同一となるように、すなわち、図２のＳ１とＳ２の面積が等しくなるように、動作期間の実出力電力Ｐおよび期間Ｔ１、Ｔ２を定める。これにより、実出力電力Ｐの平均値を出力目標電力Ｐ^＊と一致させることができる。

なお、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧の変動値が負荷の要求に対して大きい場合には、２次側平滑コンデンサＣ２０の容量を増大させればよい。

ここで、図３に示すように、動作期間における実出力電力Ｐを、ソフトスイッチングの成立する最低出力電力Ｐｍｉｎとすることにより、導通損失を最小とすることができる。これにより、最も損失が少ない状態でコンバータを動作せることができる。

以上、第１の実施形態におけるＤＣ−ＤＣコンバータ１は、１次巻線３１に接続される１次側スイッチング回路１０と、２次巻線３２に接続される２次側スイッチング回路２０と、１次巻線３１と２次巻線３２とを磁気結合するトランス３０と、１次側スイッチング回路１０および２次側スイッチング回路２０の動作を制御するコントローラ４０とを備える。コントローラ４０は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１の出力要求値Ｐ^＊がソフトスイッチングの成立する最低出力Ｐｍｉｎより低い場合に、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力Ｐが最低出力Ｐｍｉｎ以上となる動作区間と、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力Ｐが０となる停止区間とを交互に繰り返すように、１次側スイッチング回路１０および２次側スイッチング回路２０の動作を制御する。これにより、動作期間には、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力Ｐが最低出力Ｐｍｉｎ以上となるので、出力要求値Ｐ^＊がソフトスイッチングの成立する最低出力Ｐｍｉｎより低い場合でも、ソフトスイッチングを成立させることができる。

また、コントローラ４０は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１の出力Ｐの平均値が出力要求値Ｐ^＊となるように、１次側スイッチング回路１０および２次側スイッチング回路２０の動作を制御するので、ソフトスイッチングを成立させつつ、出力要求値Ｐ^＊を満たすことができる。また、電圧変動周期に対して感度の高い負荷であっても、安定して動作させることができる。

特に、動作区間におけるＤＣ−ＤＣコンバータの出力Ｐがソフトスイッチングの成立する最低出力Ｐｍｉｎとなるように、１次側スイッチング回路１０および２次側スイッチング回路２０の動作を制御すれば、ソフトスイッチングが成立する条件で導通損失を最小とすることができ、最も損失が少ない状態でコンバータを動作せることができる。

−第２の実施形態−
第２の実施形態におけるＤＣ−ＤＣコンバータの構成は、図１に示す第１の実施形態におけるＤＣ−ＤＣコンバータ１の構成と同じである。第２の実施形態におけるＤＣ−ＤＣコンバータでも、出力目標電力Ｐ^＊がソフトスイッチングの成立する最低出力電力Ｐｍｉｎを下回る場合に、実出力電力ＰがＰｍｉｎ以上となる動作期間と０となる停止期間とが交互になるように、かつ、実出力電力Ｐの平均値が出力目標電力Ｐ^＊となるように、ＤＣ−ＤＣコンバータを制御する。第２の実施形態では、特に、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電力の供給先である負荷が許容する電圧変動範囲を考慮した制御を行う。

図４は、第２の実施形態におけるＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧の時間変化の一例を示す図である。図４において、電圧上限値Ｖｍａｘは負荷が許容する電圧上限値であり、電圧下限値Ｖｍｉｎは負荷が許容する電圧下限値である。図４に示すように、ＤＣ−ＤＣコンバータの動作時（動作期間）に出力電圧Ｖｏｕｔが電圧上限値Ｖｍａｘに達すると、ＤＣ−ＤＣコンバータの動作を停止させる。これにより、出力電圧Ｖｏｕｔは低下していくが、出力電圧Ｖｏｕｔが電圧下限値Ｖｍｉｎに達すると、ＤＣ−ＤＣコンバータを再び動作させる。そして、出力電圧Ｖｏｕｔが電圧上限値Ｖｍａｘに達すると、動作を停止させる。以後、同じ動作を繰り返す。

図４に示すように、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧Ｖｏｕｔが電圧下限値Ｖｍｉｎから電圧上限値Ｖｍａｘに達するまでの期間が動作期間となり、出力電圧Ｖｏｕｔが電圧上限値Ｖｍａｘから電圧下限値Ｖｍｉｎに達するまでの期間が停止期間となる。

このように、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧を、負荷が許容する電圧下限値Ｖｍｉｎ以上、かつ、電圧上限値Ｖｍａｘ以下となるように制御することで、負荷が許容する電圧変動範囲内でＤＣ−ＤＣコンバータの制御を行うことができる。また、出力電圧が電圧上限値Ｖｍａｘ以下となるように制御することで、出力電圧が電圧上限値Ｖｍａｘより大きくなる場合に比べて、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力側の平滑コンデンサ（２次側平滑コンデンサＣ２０）の容量を小さくすることができ、コストを低減することができる。

特に、第２の実施形態におけるＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、図３に示すように、動作期間における実出力電力Ｐを、ソフトスイッチングの成立する最低出力電力Ｐｍｉｎとすれば、最も損失が少ない状態でＤＣ−ＤＣコンバータを動作させることができる。

以上、第２の実施形態におけるＤＣ−ＤＣコンバータによれば、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧が所定の電圧下限値から所定の電圧上限値に達するまでが動作区間となるように、かつ、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧が所定の電圧上限値から所定の電圧下限値に低下するまでが停止区間となるように、１次側スイッチング回路１０および２次側スイッチング回路２０の動作を制御する。これにより、電圧変動幅に対して感度の高い負荷であっても、安定して動作させることができる。また、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧が所定の電圧上限値以下となるように制御するので、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力側の平滑コンデンサの容量を小さくすることができ、コストを低減することができる。

また、所定の電圧上限値を、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電力の供給先である負荷の許容電圧上限値とし、所定の電圧下限値を、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電力の供給先である負荷の許容電圧下限値とするので、負荷の許容電圧変動幅に応じた適切な制御を行うことができる。

本発明は、上述した実施形態に限定されることはない。例えば、上述した実施形態では、スナバコンデンサを備えたスナバ共振形のＤＣ−ＤＣコンバータを例に挙げて説明したが、スナバコンデンサを備えない構成であっても、ソフトスイッチング方式のＤＣ−ＤＣコンバータであれば、本発明を適用することができる。また、上述した実施形態では、１次側だけでなく２次側にもスイッチング回路を設けた構成について説明したが、２次側にスイッチング回路を設けないＤＣ−ＤＣコンバータにも本発明を適用することができる。ただし、この場合には、２次側に、交流を直流に変換する回路が必要となる。

また、トランス３０の代わりに、リアクトルを設けたＤＣ−ＤＣコンバータにも本発明を適用することができる。

本願は、２０１３年５月３０日に日本国特許庁に出願された特願２０１３−１１３８１１に基づく優先権を主張し、この出願の全ての内容は参照により本明細書に組み込まれる。

Claims (6)

1. スイッチング素子と、トランスまたはリアクトルと、前記スイッチング素子のスイッチング動作を制御する制御手段とを備え、スイッチング素子にかかる電圧または電流がゼロの状態で前記スイッチング素子のスイッチング動作を行うソフトスイッチング方式のＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、
   前記制御手段は、該ＤＣ−ＤＣコンバータの出力要求値がソフトスイッチングの成立する最低出力より低い場合に、該ＤＣ−ＤＣコンバータの出力が前記最低出力以上となる動作区間と、該ＤＣ−ＤＣコンバータの出力が０となる停止区間とを交互に繰り返すように、前記スイッチング素子の動作を制御するＤＣ−ＤＣコンバータ。
2. 請求項１に記載のＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、
   前記制御手段は、該ＤＣ−ＤＣコンバータの出力の平均値が出力要求値となるように、前記スイッチング素子の動作を制御するＤＣ−ＤＣコンバータ。
3. 請求項１または請求項２に記載のＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、
   前記制御手段は、該ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧が所定の電圧下限値から所定の電圧上限値に達するまでが前記動作区間となるように、かつ、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧が前記所定の電圧上限値から前記所定の電圧下限値に低下するまでが前記停止区間となるように、前記スイッチング素子の動作を制御するＤＣ−ＤＣコンバータ。
4. 請求項３に記載のＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、
   前記所定の電圧上限値は、該ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電力の供給先である負荷の許容電圧上限値であり、前記所定の電圧下限値は、該ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電力の供給先である負荷の許容電圧下限値であるＤＣ−ＤＣコンバータ。
5. 請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、
   前記制御手段は、前記動作区間における該ＤＣ−ＤＣコンバータの出力が前記最低出力となるように、前記スイッチング素子の動作を制御するＤＣ−ＤＣコンバータ。
6. スイッチング素子と、トランスまたはリアクトルとを備え、スイッチング素子にかかる電圧または電流がゼロの状態で前記スイッチング素子のスイッチング動作を行うソフトスイッチング方式のＤＣ−ＤＣコンバータの制御方法において、
   該ＤＣ−ＤＣコンバータの出力要求値がソフトスイッチングの成立する最低出力より低いか否かを判定するステップと、
   該ＤＣ−ＤＣコンバータの出力要求値がソフトスイッチングの成立する最低出力より低いと判定すると、該ＤＣ−ＤＣコンバータの出力が前記最低出力以上となる動作区間と、該ＤＣ−ＤＣコンバータの出力が０となる停止区間とを交互に繰り返すように、前記スイッチング素子の動作を制御するステップと、
   を備えるＤＣ−ＤＣコンバータの制御方法。

Images