JP7577620B2 - DC-DC converter with auxiliary resonant circuit - Google Patents
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Description
本発明は、低電圧ノードと高電圧ノードとの間で直流電力変換を行う、補助共振回路を備えたDC-DCコンバータに関する。 The present invention relates to a DC-DC converter equipped with an auxiliary resonant circuit that performs DC power conversion between a low-voltage node and a high-voltage node.
従来、補助共振転流ポール(Auxiliary Resonant Commutated Pole,ARCP)型のDC-DCコンバータが知られている。このタイプのDC-DCコンバータは、スイッチ素子等からなるコンバータ主回路に並列接続された補助共振回路を該コンバータ主回路に先立って短期間に限り作動させることにより、ソフトスイッチングを実現している(例えば、非特許文献1参照)。 Conventionally, auxiliary resonant commutated pole (ARCP) type DC-DC converters are known. This type of DC-DC converter achieves soft switching by operating an auxiliary resonant circuit, which is connected in parallel to a converter main circuit consisting of switching elements, for a short period of time prior to the converter main circuit (see, for example, Non-Patent Document 1).
また、このタイプのDC-DCコンバータについては、コンバータ主回路を構成するスイッチ素子のデューティとデューティ限界値との比較によりソフトスイッチングを維持することができるかどうかを判定し、維持できない場合には補助共振回路の作動を停止させたり、コンバータ主回路を構成するスイッチ素子のスイッチング周期を変更したりすることも検討されている(例えば、特許文献1参照)。 In addition, for this type of DC-DC converter, it is being considered to determine whether soft switching can be maintained by comparing the duty of the switch element that constitutes the converter's main circuit with a duty limit value, and if it cannot be maintained, to stop operation of the auxiliary resonant circuit or change the switching period of the switch element that constitutes the converter's main circuit (see, for example, Patent Document 1).
なお、補助共振回路を構成する補助インダクタは、補助共振回路の作動中に飽和しないことが好ましい。このため、補助共振回路の作動時間には、飽和を防ぐための上限値が設定されていることが多い。 It is preferable that the auxiliary inductor that constitutes the auxiliary resonant circuit does not saturate while the auxiliary resonant circuit is in operation. For this reason, an upper limit is often set for the operating time of the auxiliary resonant circuit to prevent saturation.
しかしながら、補助インダクタの特性はその温度によって少なからず変化するため、予め設定した上限値に従って画一的に補助共振回路の作動時間を制限するだけでは、例えば、補助インダクタの温度が比較的高い場合に該補助インダクタの飽和を防ぎきれない場合がある。 However, because the characteristics of the auxiliary inductor change considerably depending on its temperature, simply limiting the operating time of the auxiliary resonant circuit uniformly according to a preset upper limit value may not be enough to prevent saturation of the auxiliary inductor, for example, when the temperature of the auxiliary inductor is relatively high.
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、補助共振回路を構成する補助インダクタの飽和を確実に防ぐことが可能なDC-DCコンバータを提供することを課題とする。 The present invention was made in consideration of the above circumstances, and aims to provide a DC-DC converter that can reliably prevent saturation of the auxiliary inductor that constitutes the auxiliary resonant circuit.
上記課題を解決するために、本発明に係るDC-DCコンバータは、コンバータ主回路部、補助共振回路部およびこれらを制御する制御部を備えた、低電圧ノードと高電圧ノードとの間で直流電力変換を行うものであって、(1)コンバータ主回路部は、低電圧ノードと第1中間ノードとの間に設けられた主インダクタと、第1中間ノードと高電圧ノードとの間、および第1中間ノードと基準ノードとの間のそれぞれに設けられた主スイッチ素子とを有し、(2)補助共振回路部は、第1中間ノードと第2中間ノードとの間に設けられた補助インダクタと、第2中間ノードと高電圧ノードとの間、および第2中間ノードと基準ノードとの間の少なくとも一方に設けられた補助スイッチ素子と、補助インダクタの周辺温度を検出する温度センサとを有し、(3)制御部は、主スイッチ素子のオン/オフのデューティを設定するデューティ設定部と、予め定められたスイッチング周期における補助スイッチ素子のオン時間に関する規則と、上記オン時間の上限値とを記憶する記憶部と、上記規則に基づいて、上記オン時間の仮の値である第1オン時間を設定する第1オン時間設定部と、補助インダクタの周辺温度に基づいて上限値を補正することにより補正後上限値を求める温度補正部と、第1オン時間が補正後上限値以下であるか否かを判定し、補正後上限値以下であると判定した場合は、上記オン時間となる第2オン時間を第1オン時間とし、補正後上限値を超えていると判定した場合は、第2オン時間をゼロとする第2オン時間設定部と、デューティと第2オン時間とに基づいて、主スイッチ素子および補助スイッチ素子のための駆動信号を生成する駆動信号生成部とを有する、ことを特徴としている。 In order to solve the above problems, the DC-DC converter of the present invention is provided with a converter main circuit section, an auxiliary resonant circuit section, and a control section for controlling these, and performs DC power conversion between a low voltage node and a high voltage node, and (1) the converter main circuit section has a main inductor provided between the low voltage node and a first intermediate node, and main switching elements provided between the first intermediate node and the high voltage node and between the first intermediate node and a reference node, respectively; (2) the auxiliary resonant circuit section has an auxiliary inductor provided between the first intermediate node and a second intermediate node, an auxiliary switching element provided at least either between the second intermediate node and the high voltage node or between the second intermediate node and the reference node, and a temperature sensor for detecting the ambient temperature of the auxiliary inductor; and (3) the control section controls the on/off switching of the main switching element. The inductor includes a duty setting unit that sets a duty, a storage unit that stores rules regarding the on-time of the auxiliary switch element in a predetermined switching period and an upper limit value of the on-time, a first on-time setting unit that sets a first on-time that is a temporary value of the on-time based on the rules, a temperature correction unit that obtains a corrected upper limit value by correcting the upper limit value based on the ambient temperature of the auxiliary inductor, a second on-time setting unit that determines whether the first on-time is equal to or less than the corrected upper limit value, sets the second on-time that is the on-time to the first on-time if it is equal to or less than the corrected upper limit value, and sets the second on-time to zero if it is determined that it exceeds the corrected upper limit value, and a drive signal generation unit that generates a drive signal for the main switch element and the auxiliary switch element based on the duty and the second on-time.
この構成では、記憶部に記憶された上限値をそのまま使用するのではなく、補助インダクタの周辺温度に基づいて補正した上限値(補正後上限値)を使用して第2オン時間をゼロとするか否か、すなわち、補助共振回路部を作動停止させるか否かを判定する。このため、この構成によれば、例えば、補助インダクタが高温時に飽和しやすくなる傾向を有している場合は、高温になるにしたがって上限値が下がるような補正を行うことで、飽和を確実に防ぐことができる。 In this configuration, instead of using the upper limit value stored in the memory unit as is, a corrected upper limit value (corrected upper limit value) based on the ambient temperature of the auxiliary inductor is used to determine whether to set the second on-time to zero, i.e., whether to stop the auxiliary resonant circuit unit from operating. Therefore, with this configuration, for example, if the auxiliary inductor has a tendency to be easily saturated at high temperatures, saturation can be reliably prevented by correcting the upper limit value to decrease as the temperature increases.
上記記憶部が、上記上限値に相当する第1上限値と、第1上限値よりも小さい第2上限値とを記憶している場合、温度補正部は、補助インダクタの周辺温度に基づいて、第1上限値を補正することにより第1補正後上限値を求めるとともに、第2上限値を補正することにより第2補正後上限値を求め、第2オン時間設定部は、第1オン時間が一旦第1補正後上限値を超えると、第1オン時間が第2補正後上限値以下となるまでの間は、第2オン時間をゼロにし続け、第1オン時間が一旦第2補正後上限値以下となると、第1オン時間が第1補正後上限値を超えるまでの間は、第2オン時間を前記第1オン時間にし続けることが好ましい。 When the storage unit stores a first upper limit value equivalent to the upper limit value and a second upper limit value smaller than the first upper limit value, the temperature correction unit obtains the first corrected upper limit value by correcting the first upper limit value based on the ambient temperature of the auxiliary inductor, and obtains the second corrected upper limit value by correcting the second upper limit value, and it is preferable that the second on-time setting unit continues to set the second on-time to zero once the first on-time exceeds the first corrected upper limit value until the first on-time becomes equal to or less than the second corrected upper limit value, and continues to set the second on-time to the first on-time once the first on-time becomes equal to or less than the second corrected upper limit value until the first on-time exceeds the first corrected upper limit value.
この構成によれば、補助共振回路部が頻繁に作動停止および作動再開を繰り返すのを防ぐことができる。 This configuration prevents the auxiliary resonant circuit from frequently stopping and restarting operation.
コンバータ主回路部の具体的な構成としては、例えば、主インダクタと、第1中間ノードと高電圧ノードとの間に設けられた第1主スイッチ素子と、第1中間ノードと基準ノードとの間に設けられた第2主スイッチ素子と、第1主スイッチ素子に逆並列接続された第1主ダイオードと、第2主スイッチ素子に逆並列接続された第2主ダイオードとを有した構成が考えられる。 A specific example of the configuration of the converter main circuit section may include a main inductor, a first main switching element provided between the first intermediate node and the high-voltage node, a second main switching element provided between the first intermediate node and the reference node, a first main diode connected in anti-parallel to the first main switching element, and a second main diode connected in anti-parallel to the second main switching element.
補助共振回路部の具体的な構成としては、補助インダクタと、温度センサと、第1中間ノードと高電圧ノードとの間、および第1中間ノードと基準ノードとの間にそれぞれ設けられた補助キャパシタと、第2中間ノードに中間タップが接続された第1巻線と、第1巻線の一端と高電圧ノードとの間に設けられた第1補助スイッチ素子と、第1巻線の他端と基準ノードとの間に設けられた第2補助スイッチ素子と、第1補助スイッチ素子に逆並列接続された第1補助ダイオードと、第2補助スイッチ素子に逆並列接続された第2補助ダイオードと、第1巻線とともにトランスを形成する第2巻線と、第2巻線の一端および他端に接続されたダイオードブリッジとを有した構成が考えられる。 A specific configuration of the auxiliary resonant circuit section may include an auxiliary inductor, a temperature sensor, auxiliary capacitors provided between the first intermediate node and the high voltage node, and between the first intermediate node and a reference node, a first winding having an intermediate tap connected to a second intermediate node, a first auxiliary switch element provided between one end of the first winding and the high voltage node, a second auxiliary switch element provided between the other end of the first winding and the reference node, a first auxiliary diode connected in anti-parallel to the first auxiliary switch element, a second auxiliary diode connected in anti-parallel to the second auxiliary switch element, a second winding forming a transformer together with the first winding, and a diode bridge connected to one end and the other end of the second winding.
補助インダクタの周辺温度は、トランスの周辺温度でもあり、補助インダクタの温度だけでなくトランスの温度の影響も受けることが好ましい。 The ambient temperature of the auxiliary inductor is also the ambient temperature of the transformer, and it is preferable that it be affected not only by the temperature of the auxiliary inductor but also by the temperature of the transformer.
この構成によれば、補助インダクタだけでなくトランスの飽和も考慮して、補助共振回路部を作動停止させるか否かを判定することができる。 With this configuration, it is possible to determine whether or not to stop the auxiliary resonant circuit unit from operating, taking into account not only the auxiliary inductor but also the saturation of the transformer.
本発明によれば、補助共振回路を構成する補助インダクタの飽和を確実に防ぐことが可能なDC-DCコンバータを提供することができる。 The present invention provides a DC-DC converter that can reliably prevent saturation of the auxiliary inductor that constitutes the auxiliary resonant circuit.
以下、添付図面を参照しながら、本発明に係るDC-DCコンバータの実施例について説明する。 Below, an embodiment of a DC-DC converter according to the present invention will be described with reference to the attached drawings.
[第1実施例]
図1に、本発明の第1実施例に係るDC-DCコンバータ10Aを示す。同図に示すように、DC-DCコンバータ10Aは、コンバータ主回路部11と、補助共振回路部12と、低電圧側入出力端13,13と、高電圧側入出力端14,14と、制御部20Aと、キャパシタC2とを備えている。
[First embodiment]
A DC-
本実施例に係るDC-DCコンバータ10Aは、低電圧側入出力端13,13に接続された直流電源(例えば、蓄電池)30が出力する電圧V1を昇圧し、これにより得られた電圧V2を高電圧側入出力端14,14から各種負荷回路に供給することができる。また、DC-DCコンバータ10Aは、各種負荷回路からもたらされる電圧V2を降圧し、これにより得られた電圧V1で蓄電池30を充電することもできる。すなわち、DC-DCコンバータ10Aは、低電圧ノードNLと高電圧ノードNHとの間で双方向に直流電力変換を行うことができる。
The DC-
コンバータ主回路部11は、低電圧ノードNLと第1中間ノードNM1との間に設けられた主インダクタLmと、第1中間ノードNM1と高電圧ノードNHとの間に設けられた第1主スイッチ素子Qm1と、第1中間ノードNM1と基準ノードNBとの間に設けられた第2主スイッチ素子Qm2と、第1主スイッチ素子Qm1に逆並列接続された第1主ダイオードDm1と、第2主スイッチ素子Qm2に逆並列接続された第2主ダイオードDm2と、低電圧ノードNLと基準ノードNBとの間に設けられたコンデンサC1とを有している。なお、低電圧ノードNLは低電圧側入出力端13,13の一方に接続され、高電圧ノードNHは高電圧側入出力端14,14の一方に接続され、基準ノードNBは低電圧側入出力端13,13の他方および高電圧側入出力端14,14の他方に接続されている。
The converter
第1主スイッチ素子Qm1は、制御部20Aが出力する駆動信号Sm1によってオン/オフが切り替えられる。同様に、第2主スイッチ素子Qm2は、制御部20Aが出力する駆動信号Sm2によってオン/オフが切り替えられる。
The first main switching element Qm1 is switched on/off by the drive signal Sm1 output by the
補助共振回路部12は、第1中間ノードNM1と第2中間ノードNM2との間に設けられた補助インダクタLsと、第1中間ノードNM1と高電圧ノードNHとの間に設けられた第1補助キャパシタCs1と、第1中間ノードNM1と基準ノードNBとの間に設けられた第2補助キャパシタCs2と、第2中間ノードNM2に中間タップが接続された第1巻線Tr1と、第1巻線Tr1の一端と高電圧ノードNHとの間に設けられた第1補助スイッチ素子Qs1と、第1巻線Tr1の他端と基準ノードNBとの間に設けられた第2補助スイッチ素子Qs2と、第1補助スイッチ素子Qs1に逆並列接続された第1補助ダイオードDs1と、第2補助スイッチ素子Qs2に逆並列接続された第2補助ダイオードDs2と、第1巻線Tr1とともにトランスTrを形成する第2巻線Tr2と、第2巻線Tr2の一端および他端に接続されたダイオードDb1,Db2,Db3,Db4と、温度センサ15とを有している。ダイオードDb1,Db2,Db3,Db4は、ダイオードブリッジを構成している。
The auxiliary
第1補助スイッチ素子Qs1は、制御部20Aが出力する駆動信号Ss1によってオン/オフが切り替えられる。同様に、第2補助スイッチ素子Qs2は、制御部20Aが出力する駆動信号Ss2によってオン/オフが切り替えられる。
The first auxiliary switch element Qs1 is switched on/off by the drive signal Ss1 output by the
予め定められたスイッチング周期(以下、単に「周期」ともいう)をT[s]、周期Tにおける主スイッチ素子Qm1,Qm2のデューティをD[%]、周期Tにおける補助スイッチ素子Qs1,Qs2のオン時間(後述する第2オン時間)をTon2[s]としたとき、制御部20Aは、昇圧(V1→V2)時に各スイッチ素子Qm1,Qm2,Qs1,Qs2を次のように動作させる(図2参照)。
・周期Tにつき、第2主スイッチ素子Qm2をT×D/100だけオンさせる。
・周期Tにつき、第2補助スイッチ素子Qs2をTon2だけオンさせる。
・Ton2の中央(時刻t1,t5)で第2主スイッチ素子Qm2をオンさせる。
・第2主スイッチ素子Qm2に対して概ね相補的となるように第1主スイッチ素子Qm1をオン/オフさせる。
・第1補助スイッチ素子Qs1をオフのままとする。
When a predetermined switching period (hereinafter also simply referred to as “period”) is T [s], the duty of the main switching elements Qm1, Qm2 in the period T is D [%], and the on-time of the auxiliary switching elements Qs1, Qs2 in the period T (a second on-time described later) is Ton2 [s], the
For each period T, the second main switching element Qm2 is turned on for T×D/100.
For each period T, the second auxiliary switching element Qs2 is turned on for Ton2.
The second main switching element Qm2 is turned on in the center of Ton2 (times t1 and t5).
The first main switching element Qm1 is turned on/off in a manner substantially complementary to the second main switching element Qm2.
The first auxiliary switching element Qs1 is kept off.
上記の制御によれば、第2主スイッチ素子Qm2の両端電圧Vm2がゼロになった時刻t1,t5に該第2主スイッチ素子Qm2がオンするゼロ電圧スイッチング(Zero Voltage Switching,ZVS)を実現することができる。また、上記の制御によれば、第2主スイッチ素子Qm2のオンをきっかけとして下がり始めた補助インダクタ電流Isがゼロになった時刻t2,t6に第2補助スイッチ素子Qs2がオフするので、トランスTrの不必要な励磁を防ぐこともできる。 The above control makes it possible to realize zero voltage switching (ZVS) in which the second main switching element Qm2 is turned on at times t1 and t5 when the voltage Vm2 across the second main switching element Qm2 becomes zero. In addition, the above control turns off the second auxiliary switching element Qs2 at times t2 and t6 when the auxiliary inductor current Is, which began to decrease as a result of the second main switching element Qm2 being turned on, becomes zero, thereby preventing unnecessary excitation of the transformer Tr.
一方、制御部20Aは、降圧(V2→V1)時に各スイッチ素子Qm1,Qm2,Qs1,Qs2を次のように動作させる(図3参照)。
・周期Tにつき、第1主スイッチ素子Qm1をT×D/100だけオンさせる。
・周期Tにつき、第1補助スイッチ素子Qs1をTon2だけオンさせる。
・Ton2の中央(時刻t1,t5)で第1主スイッチ素子Qm1をオンさせる。
・第1主スイッチ素子Qm1に対して概ね相補的となるように第2主スイッチ素子Qm2をオン/オフさせる。
・第2補助スイッチ素子Qs2をオフのままとする。
On the other hand, when stepping down (V2→V1), the
For each period T, the first main switching element Qm1 is turned on for T×D/100.
For each period T, the first auxiliary switching device Qs1 is turned on for Ton2.
The first main switching element Qm1 is turned on in the center of Ton2 (times t1 and t5).
The second main switching element Qm2 is turned on/off so as to be substantially complementary to the first main switching element Qm1.
The second auxiliary switching device Qs2 remains off.
上記の制御によれば、第1主スイッチ素子Qm1の両端電圧Vm1がゼロになった時刻t1,t5に該第1主スイッチ素子Qm1がオンするZVSを実現することができる。また、上記の制御によれば、第1主スイッチ素子Qm1のオンをきっかけとして上がり始めた補助インダクタ電流Isがゼロになった時刻t2,t6に第1補助スイッチ素子Qs1がオフするので、トランスTrの不必要な励磁を防ぐこともできる。 The above control realizes ZVS, in which the first main switching element Qm1 turns on at times t1 and t5 when the voltage Vm1 across the first main switching element Qm1 becomes zero. In addition, the above control turns off the first auxiliary switching element Qs1 at times t2 and t6 when the auxiliary inductor current Is, which began to rise as a result of the first main switching element Qm1 being turned on, becomes zero, preventing unnecessary excitation of the transformer Tr.
なお、後で詳細に説明するが、第2オン時間Ton2は、典型的には制御部20Aの第1オン時間設定部22によって設定された第1オン時間Ton1に等しい。また、制御部20Aは、同期整流が不要の場合は、昇圧時の第1主スイッチ素子Qm1、および降圧時の第2主スイッチ素子Qm2をオフのままとしてもよい。
As will be described in detail later, the second on-time Ton2 is typically equal to the first on-time Ton1 set by the first on-
温度センサ15は、補助インダクタLsの周辺に配置され、補助インダクタLsの周辺温度(TMP)を検出する。補助インダクタ電流Isの通流により補助インダクタLsの温度が上昇すると、補助インダクタLsの周辺温度も上昇する。逆の場合も同様である。このため、温度センサ15は、補助インダクタLsの温度を間接的に検出していると言える。
The
続いて、図1,4~6を参照しながら、制御部20Aの特徴的な構成および動作について説明する。
Next, the characteristic configuration and operation of the
図1に示すように、制御部20Aは、デューティ設定部21と、第1オン時間設定部22と、記憶部23Aと、温度補正部24Aと、第2オン時間設定部25Aと、駆動信号生成部26とを有している。
As shown in FIG. 1, the
デューティ設定部21は、周期Tにおける主スイッチ素子Qm1,Qm2のデューティDを設定する。例えば、デューティ設定部21は、不図示のセンサによって検出した電圧V1と目標とする電圧V2との差に基づいて昇圧時のデューティDを設定する。あるいは、デューティ設定部21は、不図示のセンサによって検出した電圧V2と目標とする電圧V1との差に基づいて降圧時のデューティDを設定する。
The
このデューティ設定部21の動作は、図4に示したステップS1に相当する。
This operation of the
第1オン時間設定部22は、不図示のセンサによって検出した電圧V2および主インダクタ電流Imと、記憶部23Aに記憶された規則(V2/Imと第1オン時間Ton1との関係)とに基づいて、周期Tにおける補助スイッチ素子Qs1,Qs2のオン時間の仮の値である第1オン時間Ton1を設定する。本実施例では、図5に示した規則が記憶部23Aに記憶されている。第1オン時間設定部22は、この規則を参照することにより、現時点の電圧V2および主インダクタ電流Imに対応する好適な第1オン時間Ton1を一義的に求めることができる。なお、この規則は、DC-DCコンバータ10Aの昇圧/降圧動作が最も効率的となるように(すなわち、ソフトスイッチングが最も効果的に行われるように)、予め定めておいたものである。
The first on-
この第1オン時間設定部22の動作は、図4に示したステップS2に相当する。
This operation of the first on-
記憶部23Aは、上述の規則とともに、補助インダクタLsの温度が室温程度である場合の補助共振回路部12の作動時間に関する上限値Tth1を記憶している。補助インダクタLsの温度が室温程度である場合に補助共振回路部12の作動時間、すなわち、補助インダクタLsに補助インダクタ電流Isが通流する時間が上限値Tth1を超えると、補助インダクタLsは飽和する。なお、上限値Tth1は、実験的に、あるいは回路シミュレーションにより決定することができる。
The
温度補正部24Aは、記憶部23Aから上限値Tth1を読み出すとともに、読み出した上限値Tth1を温度センサ15によって検出された補助インダクタLsの周辺温度に基づいて補正する。温度補正部24Aは、高温になればなるほど飽和が早まる傾向がある場合は、周辺温度が上昇するにつれて上限値Tth1を小さくしていく。反対に、温度補正部24Aは、低温になればなるほど飽和が早まる傾向がある場合は、周辺温度が上昇するにつれて上限値Tth1を大きくしていく。なお、以下の説明では、補正後の上限値Tth1を「補正後上限値Tth2」と呼ぶこととする。
The
この温度補正部24Aの動作は、図4に示したステップS3に相当する。
This operation of the
第2オン時間設定部25Aは、図6に示すように、第1オン時間Ton1が補正後上限値Tth2以下であるか否かを判定し、第1オン時間Ton1≦補正後上限値Tth2であれば最終的なオン時間となる第2オン時間Ton2を第1オン時間Ton1とし、第1オン時間Ton1>補正後上限値Tth2であれば第2オン時間Ton2をゼロとする。
As shown in FIG. 6, the second on-
この第2オン時間設定部25Aの動作は、図4に示したステップS4,S5a,S5bに相当する。
This operation of the second on-
駆動信号生成部26は、設定されたデューティDに基づき主スイッチ素子Qm1,Qm2のための駆動信号Sm1,Sm2を生成するとともに、設定された第2オン時間Ton2に基づき補助スイッチ素子Qs1,Qs2のための駆動信号Ss1,Ss2を生成し、これらを各スイッチ素子Qm1,Qm2,Qs1,Qs2に向けて出力する。
The drive
この駆動信号生成部26の動作は、図4に示したステップS6に相当する。
This operation of the drive
このように、本実施例に係るDC-DCコンバータ10Aの制御部20Aは、補助インダクタLsの周辺温度に基づいて補正した上限値Tth1(=補正後上限値Tth2)に基づいて、補助共振回路部12を作動させるか否かを判定するよう構成されている。このため、本実施例に係るDC-DCコンバータ10Aによれば、ソフトスイッチングによって効率の改善を図りながら、補助インダクタLsの飽和を確実に防ぐことができる。
In this way, the
[第2実施例]
図7に、本発明の第2実施例に係るDC-DCコンバータ10Bを示す。同図に示すように、DC-DCコンバータ10Bは、制御部20Aの代わりに制御部20Bを備えている点でDC-DCコンバータ10Aと相違しているが、他の点ではDC-DCコンバータ10Aと共通している。また、制御部20Bは、記憶部23Aの代わりに記憶部23Bを有している点と、温度補正部24Aの代わりに温度補正部24Bを有している点と、第2オン時間設定部25Aの代わりに第2オン時間設定部25Bを有している点とにおいて制御部20Aと相違しているが、他の点では制御部20Aと共通している。
[Second embodiment]
7 shows a DC-
記憶部23Bは、図5に示した規則および前述の上限値Tth1に相当する第1上限値Ttha1とともに、第1上限値Ttha1よりもやや小さい第2上限値Tthb1を記憶している。
The
温度補正部24Bは、記憶部23Bから第1上限値Ttha1および第2上限値Tthb1を読み出すとともに、読み出した2つの上限値Ttha1,Tthb1を周辺温度に基づいて補正する。温度補正部24Aと同様、温度補正部24Bは、高温になればなるほど飽和が早まる傾向がある場合は、周辺温度が上昇するにつれて上限値Ttha1,Tthb1を小さくしていく。反対に、温度補正部24Bは、低温になればなるほど飽和が早まる傾向がある場合は、周辺温度が上昇するにつれて上限値Ttha1,Tthb1を大きくしていく。なお、以下の説明では、補正後の第1上限値Ttha1を「第1補正後上限値Ttha2」と呼ぶとともに、補正後の第2上限値Tthb1を「第2補正後上限値Tthb2」と呼ぶこととする。
The
第2オン時間設定部25Bは、第1オン時間Ton1と2つの補正後上限値Ttha1,Tthb1とを比較し、第1オン時間Ton1≦第2補正後上限値Tthb2であれば、最終的なオン時間となる第2オン時間Ton2を第1オン時間Ton1とし、第1オン時間Ton1>第1補正後上限値Ttha2であれば、第2オン時間Ton2をゼロとし、第2補正後上限値Tthb2<第1オン時間Ton1≦第1補正後上限値Ttha2であれば、第2オン時間Ton2を第1オン時間Ton1またはゼロとする。
The second on-
より詳しくは、第2オン時間設定部25Bは、図8に示すように、第1オン時間Ton1が一旦第1補正後上限値Ttha2を超えると、第1オン時間Ton1が第2補正後上限値Tthb2以下となるまでの間は、第2オン時間Ton2をゼロにし続け、第1オン時間Ton1が一旦第2補正後上限値Tthb2以下となると、第1オン時間Ton1が第1補正後上限値Ttha2を超えるまでの間は、第2オン時間Ton2を第1オン時間Ton1にし続けるよう構成されている。
More specifically, as shown in FIG. 8, the second on-
本実施例に係るDC-DCコンバータ10Bによれば、補助共振回路部12が頻繁に作動停止および作動再開を繰り返すのを防ぐことができる。補助共振回路部12が頻繁に作動停止および作動再開を繰り返すと、出力側の電圧(昇圧時であれば電圧V2、降圧時であれば電圧V1)が変動し、高電圧側入出力端14,14に接続された各種負荷回路や低電圧側入出力端13,13に接続された蓄電池30の損耗を招くおそれがある。
The DC-
また、本実施例に係るDC-DCコンバータ10Bによれば、DC-DCコンバータ10Aと同様の作用効果も得られる。
In addition, the DC-
[変形例]
以上、本発明に係るDC-DCコンバータの第1実施例および第2実施例について説明してきたが、本発明の構成はこれらに限定されるものではない。
[Modification]
Although the first and second embodiments of the DC-DC converter according to the present invention have been described above, the configurations of the present invention are not limited to these.
例えば、コンバータ主回路部の構成は、図1,7に示したものに限定されない。特に、主スイッチ素子Qm1,Qm2がボディダイオードを含んでいる場合は、主ダイオードDm1,Dm2を省略することができる。 For example, the configuration of the converter main circuit is not limited to that shown in Figures 1 and 7. In particular, if the main switching elements Qm1 and Qm2 include body diodes, the main diodes Dm1 and Dm2 can be omitted.
補助共振回路部の構成も、図1,7に示したものに限定されない。特に、補助スイッチ素子Qs1,Qs2がボディダイオードを含んでいる場合は、補助ダイオードDs1,Ds2を省略することができる。また、昇圧時にのみ補助共振回路部を作動させる場合は、第1補助スイッチ素子Qs1、第1補助ダイオードDs1、第1補助キャパシタCs1および第1巻線Tr1の一部を省略することができ、降圧時にのみ補助共振回路部を作動させる場合は、第2補助スイッチ素子Qs2、第2補助ダイオードDs2、第1補助キャパシタCs1および第1巻線Tr1の別の一部を省略することができる。 The configuration of the auxiliary resonant circuit section is not limited to that shown in Figs. 1 and 7. In particular, when the auxiliary switching elements Qs1 and Qs2 include body diodes, the auxiliary diodes Ds1 and Ds2 can be omitted. Furthermore, when the auxiliary resonant circuit section is operated only during boosting, the first auxiliary switching element Qs1, the first auxiliary diode Ds1, the first auxiliary capacitor Cs1, and part of the first winding Tr1 can be omitted, and when the auxiliary resonant circuit section is operated only during stepping down, the second auxiliary switching element Qs2, the second auxiliary diode Ds2, the first auxiliary capacitor Cs1, and another part of the first winding Tr1 can be omitted.
第1オン時間Ton1を設定する際に参照する規則も、図5に示したものに限定されない。本発明では、昇圧/降圧動作が最も効率的となるような第1オン時間Ton1、すなわち、ソフトスイッチングが最も効果的に行われるような第1オン時間Ton1を一義的に求めることができるグラフ、数式、マップ、テーブル等を規則として使用することができる。 The rules to be referred to when setting the first on-time Ton1 are not limited to those shown in FIG. 5. In the present invention, a graph, a formula, a map, a table, or the like that can univocally determine the first on-time Ton1 that provides the most efficient step-up/step-down operation, that is, the first on-time Ton1 that provides the most effective soft switching, can be used as the rules.
温度センサ15が検出する補助インダクタLsの周辺温度は、トランスTrの周辺温度でもあることが好ましい。すなわち、温度センサ15が検出する周辺温度は、補助インダクタLsの温度だけでなくトランスTrの温度の影響も受けることが好ましい。この構成によれば、補助インダクタLsだけでなくトランスTrの飽和も考慮して、補助共振回路部12を作動停止させるか否かを判定することができる。
The ambient temperature of the auxiliary inductor Ls detected by the
10A,10B DC-DCコンバータ
11 コンバータ主回路部
12 補助共振回路部
13 低電圧側入出力端
14 高電圧側入出力端
15 温度センサ
20A,20B 制御部
21 デューティ設定部
22 第1オン時間設定部
23A,23B 記憶部
24A,24B 温度補正部
25A,25B 第2オン時間設定部
26 駆動信号生成部
30 直流電源(蓄電池)
C1,C2 キャパシタ
Cs1,Cs2 補助キャパシタ
Db1,Db2,Db3,Db4 ダイオード
Dm1,Dm2 主ダイオード
Ds1,Ds2 補助ダイオード
Lm 主インダクタ
Ls 補助インダクタ
NB 基準ノード
NH 高電圧ノード
NL 低電圧ノード
NM1 第1中間ノード
NM2 第2中間ノード
Qm1,Qm2 主スイッチ素子
Qs1,Qs2 補助スイッチ素子
Tr トランス
Tr1 第1巻線
Tr2 第2巻線
10A, 10B DC-
C1, C2 Capacitors Cs1, Cs2 Auxiliary capacitors Db1, Db2, Db3, Db4 Diodes Dm1, Dm2 Main diodes Ds1, Ds2 Auxiliary diode Lm Main inductor Ls Auxiliary inductor NB Reference node NH High voltage node NL Low voltage node NM1 First intermediate node NM2 Second intermediate nodes Qm1, Qm2 Main switching elements Qs1, Qs2 Auxiliary switching element Tr Transformer Tr1 First winding Tr2 Second winding
Claims (5)
前記コンバータ主回路部は、
前記低電圧ノードと第1中間ノードとの間に設けられた主インダクタと、
前記第1中間ノードと前記高電圧ノードとの間、および前記第1中間ノードと基準ノードとの間のそれぞれに設けられた主スイッチ素子と
を有し、
前記補助共振回路部は、
前記第1中間ノードと第2中間ノードとの間に設けられた補助インダクタと、
前記第2中間ノードと前記高電圧ノードとの間、および前記第2中間ノードと前記基準ノードとの間の少なくとも一方に設けられた補助スイッチ素子と、
前記補助インダクタの周辺温度を検出する温度センサと
を有し、
前記制御部は、
前記主スイッチ素子のオン/オフのデューティを設定するデューティ設定部と、
予め定められたスイッチング周期における前記補助スイッチ素子のオン時間に関する規則と、前記オン時間の上限値とを記憶する記憶部と、
前記規則に基づいて、前記オン時間の仮の値である第1オン時間を設定する第1オン時間設定部と、
前記補助インダクタの周辺温度に基づいて前記上限値を補正することにより補正後上限値を求める温度補正部と、
前記第1オン時間が前記補正後上限値以下であるか否かを判定し、前記補正後上限値以下であると判定した場合は、前記オン時間となる第2オン時間を前記第1オン時間とし、前記補正後上限値を超えていると判定した場合は、前記第2オン時間をゼロとする第2オン時間設定部と、
前記デューティと前記第2オン時間とに基づいて、前記主スイッチ素子および前記補助スイッチ素子のための駆動信号を生成する駆動信号生成部と
を有する
ことを特徴とするDC-DCコンバータ。 A DC-DC converter that performs DC power conversion between a low voltage node and a high voltage node, the DC-DC converter comprising a converter main circuit section, an auxiliary resonant circuit section, and a control section that controls these sections,
The converter main circuit unit includes:
a main inductor provided between the low voltage node and a first intermediate node;
a main switch element provided between the first intermediate node and the high voltage node, and between the first intermediate node and a reference node,
The auxiliary resonant circuit unit includes:
an auxiliary inductor provided between the first intermediate node and the second intermediate node;
an auxiliary switch element provided at least one between the second intermediate node and the high voltage node and between the second intermediate node and the reference node;
a temperature sensor for detecting an ambient temperature of the auxiliary inductor;
The control unit is
a duty setting unit that sets an on/off duty of the main switch element;
a storage unit that stores a rule regarding an ON time of the auxiliary switch element in a predetermined switching period and an upper limit value of the ON time;
a first on-time setting unit that sets a first on-time, which is a temporary value of the on-time, based on the rule;
a temperature correction unit that obtains a corrected upper limit value by correcting the upper limit value based on an ambient temperature of the auxiliary inductor;
a second on-time setting unit that determines whether the first on-time is equal to or less than the corrected upper limit value, and when it is determined that the first on-time is equal to or less than the corrected upper limit value, sets a second on-time that becomes the on-time to the first on-time, and when it is determined that the first on-time exceeds the corrected upper limit value, sets the second on-time to zero;
a drive signal generating section that generates drive signals for the main switching element and the auxiliary switching element based on the duty and the second on-time.
前記温度補正部は、前記補助インダクタの周辺温度に基づいて、前記第1上限値を補正することにより第1補正後上限値を求めるとともに、前記第2上限値を補正することにより第2補正後上限値を求め、
前記第2オン時間設定部は、前記第1オン時間が一旦前記第1補正後上限値を超えると、前記第1オン時間が前記第2補正後上限値以下となるまでの間は、前記第2オン時間をゼロにし続け、前記第1オン時間が一旦前記第2補正後上限値以下となると、前記第1オン時間が前記第1補正後上限値を超えるまでの間は、前記第2オン時間を前記第1オン時間にし続ける
ことを特徴とする請求項1に記載のDC-DCコンバータ。 the storage unit stores a first upper limit value corresponding to the upper limit value and a second upper limit value smaller than the first upper limit value;
the temperature correction unit corrects the first upper limit value based on an ambient temperature of the auxiliary inductor to obtain a first corrected upper limit value and corrects the second upper limit value based on an ambient temperature of the auxiliary inductor;
2. The DC-DC converter according to claim 1, wherein, once the first on-time exceeds the first corrected upper limit value, the second on-time setting unit continues to set the second on-time to zero until the first on-time becomes equal to or less than the second corrected upper limit value, and, once the first on-time becomes equal to or less than the second corrected upper limit value, the second on-time continues to be the first on-time until the first on-time exceeds the first corrected upper limit value.
前記主インダクタと、
前記第1中間ノードと前記高電圧ノードとの間に設けられた第1主スイッチ素子と、
前記第1中間ノードと基準ノードとの間に設けられた第2主スイッチ素子と、
前記第1主スイッチ素子に逆並列接続された第1主ダイオードと、
前記第2主スイッチ素子に逆並列接続された第2主ダイオードと
を有する
ことを特徴とする請求項1または2に記載のDC-DCコンバータ。 The converter main circuit unit includes:
The main inductor;
a first main switching element provided between the first intermediate node and the high voltage node;
a second main switching element provided between the first intermediate node and a reference node;
a first main diode connected in anti-parallel to the first main switching element;
3. The DC-DC converter according to claim 1, further comprising a second main diode connected in anti-parallel to the second main switching element.
前記補助インダクタと、
前記温度センサと、
前記第1中間ノードと前記高電圧ノードとの間、および前記第1中間ノードと前記基準ノードとの間にそれぞれ設けられた補助キャパシタと、
前記第2中間ノードに中間タップが接続された第1巻線と、
前記第1巻線の一端と前記高電圧ノードとの間に設けられた第1補助スイッチ素子と、
前記第1巻線の他端と前記基準ノードとの間に設けられた第2補助スイッチ素子と、
前記第1補助スイッチ素子に逆並列接続された第1補助ダイオードと、
前記第2補助スイッチ素子に逆並列接続された第2補助ダイオードと、
前記第1巻線とともにトランスを形成する第2巻線と、
前記第2巻線の一端および他端に接続されたダイオードブリッジと
を有する
ことを特徴とする請求項1~3のいずれか一項に記載のDC-DCコンバータ。 The auxiliary resonant circuit unit includes:
The auxiliary inductor;
The temperature sensor;
auxiliary capacitors provided between the first intermediate node and the high voltage node, and between the first intermediate node and the reference node, respectively;
a first winding having a center tap connected to the second intermediate node;
a first auxiliary switch element provided between one end of the first winding and the high voltage node;
a second auxiliary switch element provided between the other end of the first winding and the reference node;
a first auxiliary diode connected in anti-parallel to the first auxiliary switch element;
a second auxiliary diode connected in anti-parallel to the second auxiliary switch element;
a second winding forming a transformer with the first winding;
4. The DC-DC converter according to claim 1, further comprising a diode bridge connected to one end and the other end of the second winding.
ことを特徴とする請求項4に記載のDC-DCコンバータ。 5. The DC-DC converter according to claim 4 , wherein the ambient temperature of the auxiliary inductor is also the ambient temperature of the transformer, and is affected not only by the temperature of the auxiliary inductor but also by the temperature of the transformer.
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