JP6731076B2 - Dead time setting method of DCDC converter circuit - Google Patents
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Description
本発明は、DCDCコンバータ回路のデッドタイム設定方法に関し、特に車両用電源に用いられるDCDCコンバータ回路のデッドタイム設定方法に関するものである。 The present invention relates to a dead time setting method for a DCDC converter circuit, and more particularly to a dead time setting method for a DCDC converter circuit used in a vehicle power supply.
車両用電源に用いられるDCDCコンバータ回路は、複数のスイッチング素子によりフルブリッジ回路を構成し、フルブリッジ回路を制御することによりトランスを介して昇圧又は降圧される。 A DCDC converter circuit used for a vehicle power supply is configured by a plurality of switching elements to form a full bridge circuit, and by controlling the full bridge circuit, the voltage is stepped up or down via a transformer.
フルブリッジ回路は、上アームと下アームにより構成される直列回路を有する(特許文献1参照)。上アームと下アームの間で短絡電流が流れることを防止するために、上アームと下アームの同時オフ期間であるデッドタイムを設定する必要がある。 The full bridge circuit has a series circuit composed of an upper arm and a lower arm (see Patent Document 1). In order to prevent a short-circuit current from flowing between the upper arm and the lower arm, it is necessary to set a dead time which is a simultaneous off period of the upper arm and the lower arm.
このデッドタイムの期間中にスイッチング素子のスイッチング動作の損失が生じる場合がある。DCDCコンバータ回路は、フルブリッジ回路とトランスとの間に接続される共振インダクタンスの大型化を抑制しつつスイッチング動作の損失を低減することが求められている。 A loss of the switching operation of the switching element may occur during the dead time. The DCDC converter circuit is required to reduce the loss of switching operation while suppressing an increase in the resonance inductance connected between the full bridge circuit and the transformer.
そこで本発明が解決しようとする課題は、共振インダクタンスの大型化を抑制しつつスイッチング動作の損失を低減することである。 Therefore, the problem to be solved by the present invention is to suppress the loss of the switching operation while suppressing the increase of the resonance inductance.
本発明に係るDCDCコンバータ回路のデッドタイム設定方法は、フルブリッジ回路に接続された共振コイルとトランスを備えるDCDCコンバータ回路のデッドタイム設定方法であって、前記デッドタイムは、前記共振コイルのインダクタンスと前記トランスのリーケージインダクタンスに基いて算出され、前記フルブリッジ回路は、第1スイッチング素子と当該第1スイッチング素子と並列に接続される第1容量成分とにより構成される第1上アームと、第2スイッチング素子と当該第2スイッチング素子と並列に接続される第2容量成分により構成されかつ前記第1上アームと直列に接続される第1下アームと、第3スイッチング素子と当該第3スイッチング素子と並列に接続される第3容量成分とにより構成される第2上アームと、第4スイッチング素子と当該第4スイッチング素子と並列に接続される第4容量成分により構成されかつ前記第2上アームと直列に接続される第2下アームと、を有し、前記共振コイルは、前記第1上アームと前記第1下アームの接続点と前記トランスを繋ぐ配線に設けられ、前記デッドタイムの始期は、前記第1容量成分の充電及び前記第2容量成分の放電が完了するタイミングより遅くかつ前記第1上アームと前記第1下アームと前記共振コイルと前記トランスを流れる循環電流の反転が完了するタイミングより早く、かつ、前記フルブリッジ回路の寄生抵抗成分、前記フルブリッジ回路に挿入されたゲート抵抗の抵抗値、前記各スイッチング素子の印加電圧0V時の入力容量に基いて設定される。 A dead time setting method for a DCDC converter circuit according to the present invention is a dead time setting method for a DCDC converter circuit including a resonance coil and a transformer connected to a full bridge circuit, wherein the dead time is the inductance of the resonance coil. The full bridge circuit is calculated based on the leakage inductance of the transformer, and the full bridge circuit includes a first upper arm including a first switching element and a first capacitance component connected in parallel with the first switching element; A first lower arm configured by a switching element and a second capacitance component connected in parallel with the second switching element and connected in series with the first upper arm; a third switching element and the third switching element; A second upper arm constituted by a third capacitance component connected in parallel, a fourth switching element and a fourth capacitance component connected in parallel with the fourth switching element, and the second upper arm A second lower arm connected in series, wherein the resonance coil is provided in a wiring connecting the connection point between the first upper arm and the first lower arm and the transformer, and the start time of the dead time is , The reversal of the circulating current flowing through the first upper arm, the first lower arm, the resonance coil, and the transformer is completed later than the timing at which the charging of the first capacitance component and the discharging of the second capacitance component are completed. It is set earlier than the timing and based on the parasitic resistance component of the full bridge circuit, the resistance value of the gate resistance inserted in the full bridge circuit, and the input capacitance when the applied voltage of each switching element is 0V.
本発明により、共振インダクタンスの大型化を抑制しつつスイッチング動作の損失を低減することができる。 According to the present invention, loss of switching operation can be reduced while suppressing an increase in resonance inductance.
本発明に係る実施形態を図1から図6を用いて説明する。 An embodiment according to the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 6.
図2は、車両100における電動化部品の接続を示す概略ブロック図である。
FIG. 2 is a schematic block diagram showing connection of electrification components in
車両100は、電気自動車、或いはハイブリッド自動車であり、主機モータ101、インバータ102、高圧主機バッテリ201、低圧補機バッテリ202、絶縁型DCDCコンバータ200、補機103を有する。
主機モータ101は、車両100の走行用モータであり、インバータ102が出力する交流電力により駆動される。
The
インバータ102は、高圧主機バッテリ201の直流電力を交流電力に変換する電力変換装置である。
The
補機103は、低圧補機バッテリ202の直流電力を使用して動作する電子機器であり、図示しないが、ECU、ヘッドライト等の総称である。
The
図1は、絶縁型DCDCコンバータ200の内部構成ブロック図である。
FIG. 1 is a block diagram of the internal configuration of the insulation
絶縁型DCDCコンバータ200は、高圧主機バッテリ201と低圧補機バッテリ202間の電力変換装置である。
The insulation
高圧主機バッテリ201は、リチウムイオンバッテリ等を複数接続して構成される高電圧バッテリである。低圧補機バッテリ202は、鉛電池等の低電圧バッテリである。
The high-voltage
フルブリッジ回路203は、4つのスイッチング素子を用いて電力変換する回路であり、スイッチング素子H1ないしH4を有し、直列に接続されたスイッチング素子H1とスイッチング素子H2でアームを構成し、同様に直列に接続されたスイッチング素子H3とスイッチング素子H4で構成したアームが並列接続された構成とする。スイッチング素子H1ないしH4は、半導体スイッチであり、MOSFET等が用いられる。
The
容量成分H1CないしH4Cは、等価回路的には、スイッチング素子H1ないしH4に並列接続されて見える容量成分であり、スイッチング素子の寄生容量、及び並列接続されたキャパシタから構成される。 The capacitance components H1C to H4C are capacitance components that appear to be connected in parallel to the switching elements H1 to H4 in terms of an equivalent circuit, and are composed of a parasitic capacitance of the switching element and a capacitor connected in parallel.
共振インダクタ204は、フルブリッジ回路203に循環電流を流す為のインダクタンス成分である。共振インダクタ204は、変圧器205の漏れインダクタンス、及び共振コイルのインダクタンス成分を加えたもの、或いは、変圧器205の漏れインダクタンスのみでも良い。共振インダクタ204は、スイッチング素子H1とスイッチング素子H2の接続点と、変圧器205の間に実装される。
The
共振インダクタ204は、高圧主機バッテリ201が変圧器205を励磁する際の励磁電流をエネルギーとして蓄える。
The
図3で後述する循環電流は、共振インダクタ204が流す電流であり、フルブリッジ回路203内のスイッチング素子H1ないしH4が切り替わる際、即ち高圧主機バッテリ201が変圧器205を励磁していない時に流れる。
The circulating current, which will be described later with reference to FIG. 3, is a current flowing through the
変圧器205は、1次巻線、2次巻線、コアを有し、1次巻線と2次巻線の巻数比に応じて電力変換する。1次巻線はフルブリッジ回路203と接続され、2次巻線は2次側整流回路206と接続される。
The
2次側整流回路206は、変圧器205の2次巻線と接続され、変圧器205が出力した電力を整流し、低圧補機バッテリ202へ出力する。図示しないが、チョークコイル、スイッチング素子、ダイオード等を有する。
The secondary
制御信号生成部207は、2次側整流回路206の出力部電圧、同出力電流等を入力とし、スイッチング素子H1ないしH4のスイッチングタイミングを演算、夫々の制御信号を出力する。タイミング演算、信号生成は、DSP或いはマイコン等が用いられる。
The
図3は、ZVS成功時の絶縁型DCDCコンバータ200の1次側回路動作を示す。ZVSとは、スイッチング素子H1ないしH4の両端電圧がほぼ0[V]の状態でスイッチングすることで損失をほぼ0[W]にする技術である。スイッチング素子の損失は、スイッチング素子の両端電圧とスイッチング素子を流れる電流の積によって求められ、スイッチング素子の両端電圧をほぼ0[V]にすることでZVSが成立する。
FIG. 3 shows the operation of the primary side circuit of the insulation
図3(a)は、スイッチング素子H1ないしH4のスイッチングタイミングを示す。但し、絶縁型DCDCコンバータ200の全動作を示しているわけではない。
FIG. 3A shows switching timings of the switching elements H1 to H4. However, not all operations of the
制御信号H1gateは、スイッチング素子H1の制御信号であり、制御信号生成部207が出力する信号である。スイッチング素子H1は、制御信号H1gateをオンすることで、多少の時差を伴ってオン状態へ移行し、制御信号H1gateをオフすることで、同様にオフ状態へ移行する。
The control signal H1gate is a control signal for the switching element H1 and is a signal output by the control
制御信号H2gateは、制御信号H1gate同様にスイッチング素子H2の制御信号である。制御信号H3gateは、制御信号H1gate同様にスイッチング素子H3の制御信号である。制御信号H4gateは、制御信号H1gate同様にスイッチング素子H4の制御信号である。 The control signal H2gate is a control signal of the switching element H2 like the control signal H1gate. The control signal H3gate is a control signal of the switching element H3 like the control signal H1gate. The control signal H4gate, like the control signal H1gate, is a control signal for the switching element H4.
図3(a)の期間(1)は、スイッチング素子H1とスイッチング素子H3がオン状態であり、スイッチング素子H2とスイッチング素子H4がオフ状態である。 During the period (1) of FIG. 3A, the switching element H1 and the switching element H3 are in the ON state, and the switching element H2 and the switching element H4 are in the OFF state.
図3(b)は、図3(a)の期間(1)における絶縁型DCDCコンバータ200の1次側回路動作を示す。
FIG. 3B shows the operation of the primary side circuit of the insulation
循環電流302bは、共振インダクタ204が流す電流であり、電流パスは図3(b)内の太線矢印で示され、変圧器205、スイッチング素子H3、スイッチング素子H1を経由して共振インダクタ204へ戻る。
The circulating current 302b is a current flowing through the
図3(a)の期間(2)は、図3(a)の期間(1)の状態からスイッチング素子H1がオフした状態であり、スイッチング素子H1、スイッチング素子H2、スイッチング素子H4がオフ状態、スイッチング素子H3がオン状態である。 A period (2) of FIG. 3A is a state in which the switching element H1 is turned off from the state of the period (1) of FIG. 3A, and the switching element H1, the switching element H2, and the switching element H4 are in an off state, The switching element H3 is in the on state.
図3(c)は、図3(a)の期間(2)における絶縁型DCDCコンバータ200の1次側回路動作を示す。
FIG. 3C shows the operation of the primary side circuit of the insulation
循環電流302cは、循環電流302bの電流パスが変わったものであり、図3(c)内の太線矢印で示す。 The circulating current 302c is obtained by changing the current path of the circulating current 302b, and is indicated by a thick arrow in FIG.
循環電流302cは、変圧器205、スイッチング素子H3を流れるところまでは循環電流302bと同様であるが、スイッチング素子H1がオフ状態である為、スイッチング素子H1を流れることができず、高圧主機バッテリ201、スイッチング素子H2のボディダイオードを経由して共振インダクタ204へ戻る。
The circulating current 302c is similar to the circulating current 302b up to the point where it flows through the
容量成分H1Cは、スイッチング素子H1がオフ状態になる為、両端に電圧が生じ、循環電流302cにより充電される。 Since the switching element H1 is turned off, a voltage is generated across the capacitive component H1C, and the capacitive component H1C is charged by the circulating current 302c.
容量成分H2Cは、スイッチング素子H1がオフ状態になる為、両端電圧が減少し、放電される。放電完了後、スイッチング素子H2のボディダイオードが導通し、循環電流302cが流れる。 Since the switching element H1 is turned off, the capacitance component H2C is discharged because the voltage across it decreases. After the discharge is completed, the body diode of the switching element H2 becomes conductive and the circulating current 302c flows.
循環電流302cは、容量成分H1Cの充電、及び配線経路の損失等により徐々に減少する。 The circulating current 302c gradually decreases due to charging of the capacitive component H1C, loss of the wiring path, and the like.
図3(a)の期間(3)は、図3(a)の期間(2)の状態からスイッチング素子H2がオンした状態であり、スイッチング素子H2、スイッチング素子H3がオン状態、スイッチング素子H1、スイッチング素子H4がオフ状態である。 A period (3) of FIG. 3A is a state in which the switching element H2 is turned on from the state of the period (2) of FIG. 3A, the switching element H2 and the switching element H3 are in the ON state, the switching element H1, The switching element H4 is in the off state.
スイッチング素子H2の両端電圧は、図3(a)の期間(2)において容量成分H2Cが放電された状態、すなわちスイッチング素子H2のボディダイオードが導通し、循環電流302cが流れている状態ではスイッチング素子H2のボディダイオードの電圧降下分だけであり、ほぼ0[V]とみなすことが出来る。 The voltage across the switching element H2 is the switching element in the state where the capacitive component H2C is discharged in the period (2) of FIG. 3A, that is, when the body diode of the switching element H2 is conductive and the circulating current 302c is flowing. It is only the voltage drop of the body diode of H2, and can be regarded as almost 0 [V].
スイッチング素子H2におけるZVSは、スイッチング素子H2の両端電圧がほぼ0[V]の時にオンすることで成立する。 ZVS in the switching element H2 is established by turning on when the voltage across the switching element H2 is approximately 0 [V].
図4は、比較例としてZVS失敗時の絶縁型DCDCコンバータ200の1次側回路動作を示す。
FIG. 4 shows a primary side circuit operation of the insulation
循環電流302cは、前述の通り、スイッチング素子H2におけるZVS成立時の循環電流であり、図4内の点線矢印で示す。循環電流302cは、徐々に減少し、いずれ流れなくなる。 As described above, the circulating current 302c is a circulating current when ZVS is established in the switching element H2, and is indicated by a dotted arrow in FIG. The circulating current 302c gradually decreases and eventually stops flowing.
共振インダクタ204は、循環電流302cが流れなくなることで、逆電圧がかかる。循環電流401は、共振インダクタ204に逆電圧がかかった際の循環電流の電流パスであり、図4内の太線矢印で示す。
The
容量成分H1Cは、循環電流401の電流パスを確保する為に放電される。容量成分H2Cは、両端に電圧が生じ、充電される。 The capacitive component H1C is discharged to secure the current path of the circulating current 401. The capacitive component H2C is charged by the voltage generated at both ends.
スイッチング素子H2におけるZVSは、容量成分H2Cが充電された状態、スイッチング素子の両端電圧が0[V]でない状態でオンすることで不成立となる。 ZVS in the switching element H2 becomes ineffective by being turned on when the capacitance component H2C is charged and the voltage across the switching element is not 0 [V].
ZVSを成立させる為には、循環電流302cが流れている状態でスイッチング素子H2をオンさせる必要があり、図3(a)の期間(2)、すなわちスイッチング素子H1がオフしてからスイッチング素子H2がオンするまでの時間を調節すればよい。 In order to establish ZVS, it is necessary to turn on the switching element H2 while the circulating current 302c is flowing, and the period (2) in FIG. 3A, that is, the switching element H1 is turned off and then the switching element H2 is turned on. You can adjust the time until it turns on.
図3(a)の期間(2)は、デッドタイムと呼ばれる。デッドタイムは、高圧主機バッテリ201のP/N短絡を防ぐ為、すなわちスイッチング素子H1とスイッチング素子H2の同時オンを防ぐ為に設ける期間である。
The period (2) in FIG. 3A is called dead time. The dead time is a period provided to prevent a P/N short circuit of the high-voltage
デッドタイムは、回路の安全を考慮すると、P/N短絡を避ける為に、長く設定するべきである。一方、デッドタイムは、低損失な回路を考慮すると、ZVSを成立させる必要があり、循環電流302cが流れている状態でスイッチング素子H2をオンする必要がある為、短く設定するべきである。 The dead time should be set long in order to avoid a P/N short circuit in consideration of circuit safety. On the other hand, the dead time should be set short because it is necessary to satisfy ZVS and the switching element H2 must be turned on while the circulating current 302c is flowing, considering a low loss circuit.
本実施形態は、
ZVSが成立するデッドタイムの範囲を考慮し、その範囲内で可能な限り長いデッドタイムを設定する手段を提案するものである。In this embodiment,
The present invention proposes a means for setting a dead time as long as possible within the dead time range in which ZVS is established.
図5は、図3(a)の期間(1)、(2)、及び(3)における回路動作を示す。図5は、横軸を時間とし、スイッチング素子H1、スイッチング素子H2の変化点を時間t0、t1、t2、t3、t4、t5、t6で示し、共振インダクタ204の変化点をta、tb、tcで示す。
FIG. 5 shows the circuit operation in the periods (1), (2), and (3) of FIG. In FIG. 5, the horizontal axis is time, the change points of the switching element H1 and the switching element H2 are shown as times t0, t1, t2, t3, t4, t5, and t6, and the change points of the
図5の中で、左上の回路動作図はスイッチング素子H1の動作を示す。 In FIG. 5, the circuit operation diagram on the upper left shows the operation of the switching element H1.
時間t0は、スイッチング素子H1の制御信号H1gateのオフ指令が制御信号生成部207から出力された時間である。
The time t0 is the time when the control
スイッチング素子H1は、時間t0において制御信号H1gateを受信する。厳密には制御信号H1gateが制御信号生成部207から出力されてからスイッチング素子H1に伝わるまでの時差があるが、極わずかである為、ここでは無視してよい。
The switching element H1 receives the control signal H1gate at time t0. Strictly speaking, there is a time lag from when the control signal H1gate is output from the control
ゲート信号H1Vgsは、制御信号H1gateを受信後、電圧降下を開始する。 The gate signal H1Vgs starts to drop in voltage after receiving the control signal H1gate.
時間t1は、ゲート信号H1Vgsがプラトー電圧まで降下した時間である。 Time t1 is the time when the gate signal H1Vgs drops to the plateau voltage.
循環電流は、時間t1においてはスイッチング素子H1がまだオフしていない為、循環電流302bの経路で流れている。 Since the switching element H1 has not been turned off at time t1, the circulating current flows through the circulating current 302b.
時間t0から時間t1までの経過時間を期間t01と表示し、同様の方式で時間t1から時間t2までの経過時間も期間t12と表示する。 The elapsed time from time t0 to time t1 is displayed as period t01, and the elapsed time from time t1 to time t2 is also displayed as period t12 in the same manner.
期間t01は、(式1)で表すことが出来る。 The period t01 can be represented by (Equation 1).
Rgは、配線パターン等の寄生抵抗成分である。Rg_app_offは、図示していないが、回路上に挿入したゲート抵抗の抵抗値である。ゲート抵抗は、スイッチオフ時とオン時で異なる定数を用いても良い。 Rg is a parasitic resistance component such as a wiring pattern. Although not shown, Rg_app_off is the resistance value of the gate resistance inserted in the circuit. The gate resistance may use different constants when the switch is off and when it is on.
Ciss@Vds=0は、印加電圧0V時のスイッチング素子の入力容量であり、スイッチング素子に依存する容量である。 Ciss@Vds=0 is the input capacitance of the switching element when the applied voltage is 0 V, and is the capacitance that depends on the switching element.
Vgs_appは、スイッチング素子のゲート端子に印加する電圧を示す。Vgpは、プラトー電圧であり、スイッチング素子に依存する。 Vgs_app represents the voltage applied to the gate terminal of the switching element. Vgp is a plateau voltage and depends on the switching element.
時間t2は、ミラー容量の放電が終了した時間であり、ここからスイッチング素子H1のオフが開始される。 Time t2 is the time when the discharge of the mirror capacitance is completed, and the switching element H1 is turned off from here.
期間t12は、(式2)で表すことが出来る。 The period t12 can be represented by (Equation 2).
ゲート信号H1Vgsは、期間t12中はプラトー電圧を保ち続け、時間t2から減少を開始する。 The gate signal H1Vgs continues to maintain the plateau voltage during the period t12, and starts decreasing from the time t2.
ドレイン電流H1Idsは、スイッチング素子H1のドレインとソースとの間を流れる電流であり、時間t2から減少を開始する。 The drain current H1Ids is a current flowing between the drain and the source of the switching element H1 and starts decreasing at time t2.
時間t3は、スイッチング素子H1が実質的にオフ状態になる時間である。 Time t3 is a time when the switching element H1 is substantially turned off.
期間t23は、(式3)であらわすことが出来る。 The period t23 can be represented by (Equation 3).
Vtkは、スイッチング素子のスレッショルド電圧を示す。 Vtk indicates the threshold voltage of the switching element.
ゲート信号H1Vgsは、期間t23中は減少を続け、時間t3においてスレッショルド電圧となり、その後も減少を続ける。 The gate signal H1Vgs continues to decrease during the period t23, becomes the threshold voltage at time t3, and continues to decrease thereafter.
ドレイン電流H1Idsは、時間t2から減少を開始し、時間t3においてほぼ0[A]となる。スイッチング素子H1は、ドレイン電流H1Idsが0[A]となる時間t3においてオフ状態となる。 The drain current H1Ids starts decreasing at time t2 and becomes almost 0 [A] at time t3. The switching element H1 is turned off at the time t3 when the drain current H1Ids becomes 0 [A].
図5の中で、右上の回路動作図はスイッチング素子H2の動作を示す。 In FIG. 5, the circuit operation diagram on the upper right shows the operation of the switching element H2.
時間t4は、スイッチング素子H2の制御信号H2gateのオン指令が制御信号生成部207から出力された時間である。
The time t4 is the time when the ON signal of the control signal H2gate of the switching element H2 is output from the control
スイッチング素子H2は、時間t4において制御信号H2gateを受信する。厳密には制御信号H2gateが制御信号生成部207から出力されてからスイッチング素子H2に伝わるまでの時差があるが、極わずかである為、ここでは無視してよい。ゲート信号H2Vgsは、制御信号H2gateを受信後、電圧上昇を開始する。
The switching element H2 receives the control signal H2gate at time t4. Strictly speaking, there is a time lag from when the control signal H2gate is output from the control
時間t5は、ゲート信号H2Vgsがスレッショルド電圧まで上昇した時間である。 Time t5 is the time when the gate signal H2Vgs rises to the threshold voltage.
スイッチング素子H2は、時間t5においてオンを開始する。ドレイン電流H2Idsは、時間t5において上昇を開始する。 The switching element H2 starts to turn on at time t5. The drain current H2Ids starts rising at time t5.
期間t45は、(式4)で表すことが出来る。 The period t45 can be expressed by (Equation 4).
Rg_app_onは、図示していないが、回路上に挿入したゲート抵抗の抵抗値を示す。 Although not shown, Rg_app_on indicates the resistance value of the gate resistance inserted in the circuit.
時間t6は、ゲート信号H2Vgsがプラトー電圧まで上昇した時間である。スイッチング素子H2は、時間t6において実質的にオン状態となる。 Time t6 is the time when the gate signal H2Vgs rises to the plateau voltage. The switching element H2 is substantially turned on at time t6.
期間t56は、(式5)で表すことが出来る。 The period t56 can be expressed by (Equation 5).
図5の中で、下の回路動作図は共振インダクタ204と容量成分H2_Cの動作を示す。
In FIG. 5, the lower circuit operation diagram shows the operation of the
電圧VH2Cは、容量成分H2Cの両端電圧を示す。 The voltage VH2C indicates the voltage across the capacitive component H2C.
図1に示される容量成分H2Cは、時間t3においてスイッチング素子H1がオフ状態となる為、放電が開始され、両端電圧は減少する。 With respect to the capacitance component H2C shown in FIG. 1, the switching element H1 is turned off at the time t3, so that discharge is started and the voltage across both ends decreases.
図1に示される容量成分H1Cは、時間t3においてスイッチング素子H1がオフ状態となる為、両端電圧が生じ、循環電流により充電が開始される。 In the capacitance component H1C shown in FIG. 1, since the switching element H1 is turned off at the time t3, a voltage is generated at both ends and charging is started by the circulating current.
循環電流ILrは、共振インダクタ204を流れる電流、すなわち循環電流を示し、時間t3において、容量成分H1Cを充電する為に、緩やかに減少を開始する。
The circulating current ILr indicates a current flowing through the
時間taは、容量成分H1Cの充電、及び容量成分H2Cの放電が完了する時間を示す。 Time ta indicates the time when charging of the capacitive component H1C and discharging of the capacitive component H2C are completed.
電圧VH2Cは、容量成分H2Cの放電が完了する為、ほぼ0[V]となる。 The voltage VH2C becomes almost 0 [V] because the discharge of the capacitive component H2C is completed.
期間t3aは、時間t3において容量成分H2Cの放電、及び容量成分H1Cの充電が開始されてから、時間taにおいて容量成分H2Cの放電、及び容量成分H1Cの充電が完了されるまでの経過時間であり、(式6)で表すことが出来る。 The period t3a is an elapsed time from the start of discharging the capacitive component H2C and the charging of the capacitive component H1C at time t3 to the completion of the discharging of the capacitive component H2C and charging of the capacitive component H1C at time ta. , (Equation 6).
Cは、容量成分H2C及び容量成分H1Cの容量である。ここでは容量成分H2Cと容量成分H1Cの容量は同容量として扱うが、異なっても良い。 C is the capacitance of the capacitance component H2C and the capacitance component H1C. Here, the capacitances of the capacitance component H2C and the capacitance component H1C are treated as the same capacitance, but they may be different.
Vinは、高圧主機バッテリ201の電圧値であり、絶縁型DCDCコンバータ200の入力電圧である。
Vin is the voltage value of the high voltage
ILr(0)は、循環電流の初期値であり、絶縁型DCDCコンバータ200の出力電流に依存する。
ILr(0) is an initial value of the circulating current and depends on the output current of the insulation
時間tbは、循環電流ILrの反転が完了する時間を示す。循環電流ILrは、時間taから入力電圧Vinと共振インダクタ204のインダクタンスの関数で減少し、期間tabの中心で反転を開始し、時間tbにおいて反転が完了する。
Time tb indicates the time when the reversal of circulating current ILr is completed. The circulating current ILr decreases from the time ta as a function of the input voltage Vin and the inductance of the
電圧VH2Cは、放電が完了した時間taから時間tbまでほぼ0[V]とみなすことが出来る。 The voltage VH2C can be regarded as almost 0 [V] from the time ta when the discharge is completed to the time tb.
期間tabは、時間taにおいて容量成分H1Cの充電、容量成分H2Cの放電が完了してから、時間tbにおいて循環電流ILrの反転が完了するまでの経過時間であり、(式7)で表すことが出来る。 The period tab is an elapsed time from the completion of the charging of the capacitive component H1C and the discharging of the capacitive component H2C at the time ta to the completion of the reversal of the circulating current ILr at the time tb, which can be expressed by (Equation 7). I can.
Lrは、共振インダクタ204のインダクタンスである。時間tcは、容量成分H1Cの放電、容量成分H2Cの充電が完了する時間を示す。
Lr is the inductance of the
容量成分H1Cは、時間tbにおいて循環電流ILrの反転が完了した後、放電を開始し、時間tcにおいて放電が完了する。 The capacitive component H1C starts discharging after the inversion of the circulating current ILr is completed at time tb and is completed at time tc.
容量成分H2Cは、時間tbにおいて循環電流ILrの反転が完了した後、充電を開始し、時間tcにおいて充電が完了する。 The capacitive component H2C starts charging after the inversion of the circulating current ILr is completed at time tb, and is completed charging at time tc.
期間tbcは、時間tbにおいて循環電流ILrの反転が完了してから、時間tcにおいて容量成分H1Cの放電、及び容量成分H2Cの充電が完了するまでの経過時間を示す。 The period tbc indicates an elapsed time from the completion of the inversion of the circulating current ILr at the time tb to the completion of the discharging of the capacitive component H1C and the charging of the capacitive component H2C at the time tc.
スイッチング素子H2におけるZVSは、スイッチング素子H2の両端電圧がほぼ0[V]、即ち、容量成分H2Cの両端電圧が0[V]であれば成立する。 ZVS in the switching element H2 is established when the voltage across the switching element H2 is approximately 0 [V], that is, when the voltage across the capacitive component H2C is 0 [V].
容量成分H2Cの両端電圧は、時間taでほぼ0[V]となり、時間tbから再度上昇を開始する。即ち、期間tabにおいてほぼ0[V]である。 The voltage across the capacitive component H2C becomes almost 0 [V] at time ta, and starts rising again at time tb. That is, it is almost 0 [V] in the period tab.
スイッチング素子H2におけるZVSは、期間tab内にスイッチング素子H2が実質的にオン状態となればよい為、時間t6が期間tab内にあれば成立し、即ち、(式8)を満たせばよい。 The ZVS in the switching element H2 is sufficient if the switching element H2 is substantially in the ON state within the period tab, and is satisfied if the time t6 is within the period tab, that is, (Equation 8) may be satisfied.
期間t0aは、期間t01、期間t12、期間t23、期間t3aの合計であり、(式9)で表すことが出来る。 The period t0a is the total of the period t01, the period t12, the period t23, and the period t3a, and can be represented by (Expression 9).
期間t06は、期間t04、期間t45、期間t56の合計であり、(式10)で表すことが出来る。 The period t06 is the total of the period t04, the period t45, and the period t56, and can be represented by (Expression 10).
期間t0bは、期間t0a、期間tabの合計であり、(式11)で表すことが出来る。 The period t0b is the total of the period t0a and the period tab, and can be expressed by (Equation 11).
期間t04は、スイッチング素子H1の制御信号H1gateのオフ指令が制御信号生成部207から出力されてから、スイッチング素子H2の制御信号H2gateのオン指令が制御信号生成部207から出力されるまでの経過時間であり、図3(a)の期間(2)で示され、デッドタイムと呼ばれる。
The period t04 is an elapsed time from when the OFF command of the control signal H1gate of the switching element H1 is output from the control
最適なデッドタイムt04は、(式9)、(式10)、(式11)を用いて、(式8)を満足する時間t4を設定することで求めることが出来る。 The optimum dead time t04 can be obtained by using (Equation 9), (Equation 10), and (Equation 11) and setting the time t4 that satisfies (Equation 8).
図6は、本実施形態における効果を示すグラフである。図6は、縦軸にスイッチング素子のターンオン時の損失[W]を示し、横軸に絶縁型DCDCコンバータ200の負荷電流[A]を示す。
FIG. 6 is a graph showing the effect of this embodiment. In FIG. 6, the vertical axis represents the loss [W] when the switching element is turned on, and the horizontal axis represents the load current [A] of the
損失カーブ601は、比較例としてデッドタイムを200[ns]に設定した時の損失を示す。損失カーブ602は、本実施形態に従ってデッドタイムを150[ns]に設定した時の損失を示す。
A loss curve 601 shows the loss when the dead time is set to 200 [ns] as a comparative example. The
損失カーブ602は、図示する全負荷領域に渡って、損失カーブ601よりも損失が少ないことを示す。損失カーブ602は、図示しない軽負荷領域では損失が大きくなることが予想されるが、絶縁型DCDCコンバータ200の出力仕様として、中負荷(およそ100[A])から重負荷(200[A]以上)で最も損失が少なくなる様に最適化した結果であり、軽負荷領域を低損失に最適化することも可能である。
The
100…車両、101…主機モータ、102…インバータ、103…補機、200…絶縁型DCDCコンバータ、201…高圧主機バッテリ、202…低圧補機バッテリ、203…フルブリッジ回路、204…共振インダクタ、205…変圧器、206…2次側整流回路、207…制御信号生成部、302b…循環電流、302c…循環電流、401…循環電流、601…損失カーブ、602…損失カーブ、H1…スイッチング素子、H2…スイッチング素子、H3…スイッチング素子、H4…スイッチング素子、H1C…容量成分、H2C…容量成分、H3C…容量成分、H4C…容量成分、H1gate…制御信号、H2gate…制御信号、H1Ids…ドレイン電流、H2Ids…ドレイン電流、H3gate…制御信号、H4gate…制御信号、H1Vgs…ゲート信号、H2Vgs…ゲート信号、ILr…循環電流 100... Vehicle, 101... Main machine motor, 102... Inverter, 103... Auxiliary machine, 200... Insulation type DCDC converter, 201... High voltage main machine battery, 202... Low voltage auxiliary machine battery, 203... Full bridge circuit, 204... Resonance inductor, 205 ... Transformer, 206 ... Secondary side rectifier circuit, 207 ... Control signal generation unit, 302b ... Circulating current, 302c ... Circulating current, 401 ... Circulating current, 601 ... Loss curve, 602 ... Loss curve, H1 ... Switching element, H2 ... switching element, H3... switching element, H4... switching element, H1C... capacitive component, H2C... capacitive component, H3C... capacitive component, H4C... capacitive component, H1gate... control signal, H2gate... control signal, H1Ids... drain current, H2Ids. ... drain current, H3gate... control signal, H4gate... control signal, H1Vgs... gate signal, H2Vgs... gate signal, ILr... circulating current
Claims (1)
前記デッドタイムは、前記共振コイルのインダクタンスと前記トランスのリーケージインダクタンスに基いて算出され、
前記フルブリッジ回路は、
第1スイッチング素子と当該第1スイッチング素子と並列に接続される第1容量成分とにより構成される第1上アームと、
第2スイッチング素子と当該第2スイッチング素子と並列に接続される第2容量成分により構成されかつ前記第1上アームと直列に接続される第1下アームと、
第3スイッチング素子と当該第3スイッチング素子と並列に接続される第3容量成分とにより構成される第2上アームと、
第4スイッチング素子と当該第4スイッチング素子と並列に接続される第4容量成分により構成されかつ前記第2上アームと直列に接続される第2下アームと、を有し、
前記共振コイルは、前記第1上アームと前記第1下アームの接続点と前記トランスを繋ぐ配線に設けられ、
前記デッドタイムの始期は、前記第1容量成分の充電及び前記第2容量成分の放電が完了するタイミングより遅くかつ前記第1上アームと前記第1下アームと前記共振コイルと前記トランスを流れる循環電流の反転が完了するタイミングより早く、かつ、前記フルブリッジ回路の寄生抵抗成分、前記フルブリッジ回路に挿入されたゲート抵抗の抵抗値、前記各スイッチング素子の印加電圧0V時の入力容量に基いて設定されるDCDCコンバータ回路のデッドタイム設定方法。 A dead time setting method for a DCDC converter circuit comprising a resonance coil and a transformer connected to a full bridge circuit, comprising:
The dead time is calculated based on the inductance of the resonance coil and the leakage inductance of the transformer ,
The full bridge circuit is
A first upper arm composed of a first switching element and a first capacitance component connected in parallel with the first switching element;
A first lower arm configured by a second switching element and a second capacitance component connected in parallel with the second switching element and connected in series with the first upper arm;
A second upper arm composed of a third switching element and a third capacitance component connected in parallel with the third switching element;
A fourth switching element and a second lower arm configured by a fourth capacitance component connected in parallel with the fourth switching element and connected in series with the second upper arm;
The resonance coil is provided in a wiring that connects the connection point between the first upper arm and the first lower arm and the transformer,
The start of the dead time is later than the timing at which the charging of the first capacitive component and the discharging of the second capacitive component are completed, and the circulation through the first upper arm, the first lower arm, the resonance coil, and the transformer. Based on the parasitic resistance component of the full bridge circuit, the resistance value of the gate resistance inserted in the full bridge circuit, and the input capacitance when the applied voltage of each switching element is 0 V, earlier than the timing at which the reversal of the current is completed. A dead time setting method for a DCDC converter circuit to be set.
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