JP7135895B2

JP7135895B2 - Ｄｃｄｃコンバータ

Info

Publication number: JP7135895B2
Application number: JP2019011612A
Authority: JP
Inventors: 正佳小林; 光宏田尻; 和次山▲崎▼; 奉文新宅
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2019-01-25
Filing date: 2019-01-25
Publication date: 2022-09-13
Anticipated expiration: 2039-01-25
Also published as: JP2020120542A

Description

本発明は、ＤＣＤＣコンバータに関する。

ＤＣＤＣコンバータとして、電源とトランスの１次コイルとの間のローサイドの電源ラインに設けられるスイッチが交互にオン、オフすることにより電源から供給される電力をトランス、整流回路、及び平滑回路を介して負荷に出力するとともに、出力電流が定格出力電流の上限値を超えると、出力電流が定格出力電流の上限値となるように、スイッチの駆動を制御するものがある。

関連する技術として、特許文献１がある。

特開２０１７－７９５２０号公報

しかしながら、上記ＤＣＤＣコンバータでは、スイッチに流れる電流を検出していないため、スイッチに過電流が流れた場合、スイッチが破壊されてしまうおそれがある。

また、上記ＤＣＤＣコンバータでは、負荷から要求される出力電流が定格出力電流の上限値より大きい場合、負荷から要求される電流を負荷に出力することができないという懸念がある。

そこで、本発明の一側面に係る目的は、ＤＣＤＣコンバータにおいて、スイッチに過電流が流れることによりスイッチが破壊されることを防止するとともに、負荷から要求される出力電流が定格出力電流の上限値より大きい場合であっても、負荷から要求される電流をできるだけ負荷に出力することである。

本発明に係る一つの形態であるＤＣＤＣコンバータは、トランスと、電源とトランスの１次コイルとの間のローサイドの電源ラインに設けられるスイッチと、トランスの２次コイルの後段に設けられる整流回路と、整流回路の後段に設けられる平滑回路と、ＤＣＤＣコンバータの入力電圧を検出する入力電圧センサと、ＤＣＤＣコンバータの出力電圧を検出する出力電圧センサと、ＤＣＤＣコンバータの出力電流を検出する出力電流センサと、スイッチを交互にオン、オフさせる制御信号をスイッチに出力する駆動部と、入力電圧センサにより検出される入力電圧及び出力電圧指令値により制御信号を求め、その制御信号を駆動部に出力する制御部とを備える。

駆動部は、スイッチに流れる電流のピーク値がピーク電流閾値以上になると、スイッチの動作を停止させる。

これにより、スイッチに過電流が流れることでスイッチが破壊されることを防止することができる。

また、制御部は、出力電流センサにより検出される出力電流が定格出力電流の上限値より大きい場合、ＤＣＤＣコンバータが停止しないときの出力電流と出力電圧とが互いに対応付けられている垂下制御マップを参照して出力電流センサにより検出される出力電流に対応する出力電圧を出力電圧閾値とし、出力電圧センサにより検出される出力電圧が出力電圧閾値より大きい場合、出力電圧センサにより検出される出力電圧が出力電圧閾値以下になるまで出力電圧指令値を徐々に減少させる。

これにより、出力電流が定格出力電流の上限値より大きい場合でも、垂下制御マップを用いて出力電圧を減少させてＤＣＤＣコンバータを停止させずにＤＣＤＣコンバータから負荷に電流を出力することができるため、負荷から要求される電流をできるだけ負荷に出力することができる。

また、制御部は、入力電圧センサにより検出される入力電圧または出力電圧センサにより検出される出力電圧によりピーク電流閾値を変化させるように構成してもよい。

また、ＤＣＤＣコンバータは、ＤＣＤＣコンバータを冷却する冷却水の温度を検出する温度センサを備え、制御部は、温度センサにより検出される温度により垂下制御マップを他の垂下制御マップに変更するように構成してもよい。

本発明は、ＤＣＤＣコンバータにおいて、過電流によるスイッチの破壊を防止するとともに、負荷から要求される出力電流が定格出力電流の上限値より大きい場合であっても、負荷から要求される電流をできるだけ負荷に出力することができる。

実施形態のＤＣＤＣコンバータの一例を示す図である。制御部の動作の一例を示す図である。垂下制御マップの一例を示す図である。変形例１における制御部の動作の一例を示す図である。変形例２におけるＤＣＤＣコンバータの一例を示す図である。変形例２における制御部の動作の一例を示す図である。

以下図面に基づいて実施形態について詳細を説明する。
図１は、実施形態のＤＣＤＣコンバータの一例を示す図である。

図１に示すＤＣＤＣコンバータ１は、ハイブリッド車や電気自動車などの車両に搭載され、高圧バッテリＢｈｉ（電源）から供給される電力を低圧バッテリＢｌｏやスターターモータやライトなどの負荷Ｌｏ２に電力を供給する。高圧バッテリＢｈｉは、リチウムイオン電池などにより構成され、走行モータを駆動するインバータなどの負荷Ｌｏ１に電力を供給する。低圧バッテリＢｌｏは、鉛電池などにより構成され、負荷Ｌｏ２に電力を供給する。なお、ＤＣＤＣコンバータ１は、低圧バッテリＢｌｏと協調して負荷Ｌｏ２に電力を供給するものとする。すなわち、負荷Ｌｏ２が要求する電流（負荷要求電流）がＤＣＤＣコンバータ１の出力電流より大きい場合、負荷Ｌｏ２が要求する電流に足りない分の電流が低圧バッテリＢｌｏから負荷Ｌｏ２に出力されるものとする。

また、ＤＣＤＣコンバータ１は、フォワード方式の絶縁型ＤＣＤＣコンバータであって、コンデンサＣ１と、スイッチＳＷと、トランスＴと、整流回路２と、平滑回路３と、入力電圧センサＳＶｉｎと、出力電圧センサＳＶｏｕｔと、入力電流センサＳＩｉｎと、出力電流センサＳＩｏｕｔと、駆動部４と、制御部５とを備える。整流回路２は、ダイオードＤ１、Ｄ２を備える。平滑回路３は、インダクタＬと、コンデンサＣ２とを備える。なお、スイッチＳＷは、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）などとする。また、トランスＴの１次コイルＬ１と２次コイルＬ２の巻線数比は、１次コイルＬ１の巻線数：２次コイルＬ２の巻線数＝Ｎ：１とする。また、入力電圧センサＳＶｉｎ及び出力電圧センサＳＶｏｕｔは、それぞれ、複数の分圧用抵抗などから構成される。また、入力電流センサＳＩｉｎ及び出力電流センサＳＩｏｕｔは、それぞれ、ホール素子などにより構成される。また、駆動部４は、ＩＣ（Integrated Circuit）などにより構成される。また、制御部５は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）またはプログラマブルなデバイス（ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）やＰＬＤ（Programmable Logic Device））などにより構成される。また、ＤＣＤＣコンバータ１は、高圧バッテリＢｈｉとトランスＴの１次コイルＬ１との間のローサイドの電源ラインに設けられるスイッチＳＷが交互にオン、オフすることにより高圧バッテリＢｈｉから供給される電力をトランスＴ、整流回路２、及び平滑回路３を介して出力するものであれば、フォワード方式の絶縁型ＤＣＤＣコンバータに限定されない。例えば、フルブリッジ方式等でもよい。

高圧バッテリＢｈｉのプラス端子がコンデンサＣ１の一方の端子及びトランスＴの１次コイルＬ１の一方の端子に接続され、高圧バッテリＢｈｉのマイナス端子がコンデンサＣ１の他方の端子及びスイッチＳＷのソース端子に接続されている。スイッチＳＷのドレイン端子が１次コイルＬ１の他方の端子に接続されている。トランスＴの２次コイルＬ２の一方の端子がダイオードＤ１のカソード端子及びインダクタＬの一方の端子に接続され、２次コイルＬ２の他方の端子がダイオードＤ２のカソード端子に接続されている。インダクタＬの他方の端子がコンデンサＣ２の一方の端子及び低圧バッテリＢｌｏのプラス端子に接続されている。ダイオードＤ１のアノード端子がダイオードＤ２のアノード端子、コンデンサＣ２の他方の端子、及び低圧バッテリＢｌｏのマイナス端子に接続されている。
入力電圧センサＳＶｉｎは、コンデンサＣ１の一方の端子に接続され、コンデンサＣ１にかかる電圧を検出して制御部５に出力する。出力電圧センサＳＶｏｕｔは、コンデンサＣ２の一方の端子に接続され、コンデンサＣ２にかかる電圧を検出して制御部５に出力する。入力電流センサＳＩｉｎは、コンデンサＣ１の一方の端子と１次コイルＬ１の一方の端子との間に接続され、スイッチＳＷに流れる電流を検出して駆動部４に出力する。出力電流センサＳＩｏｕｔは、コンデンサＣ２の一方の端子と低圧バッテリＢｌｏのプラス端子との間に接続され、ＤＣＤＣコンバータ１から出力される電流を検出して制御部５に出力する。

駆動部４は、制御部５から出力される制御信号をスイッチＳＷのゲート端子に出力することにより、スイッチＳＷを交互にオン、オフさせる。スイッチＳＷがオンすると、高圧バッテリＢｈｉからコンデンサＣ１を介して１次コイルＬ１に電流が流れるとともに２次コイルＬ２からインダクタＬ及びコンデンサＣ２を介して低圧バッテリＢｌｏや負荷Ｌｏ２に電流が流れる。また、スイッチＳＷがオフすると、ダイオードＤ１からインダクタＬ及びコンデンサＣ２を介して低圧バッテリＢｌｏや負荷Ｌｏ２に電流が流れる。すなわち、スイッチＳＷが交互にオン、オフすると、高圧バッテリＢｈｉから供給される電力が交流に変換されて１次コイルＬ１から２次コイルＬ２に伝わる。２次コイルＬ２に伝わった電力は整流回路２及び平滑回路３により整流及び平滑されて低圧バッテリＢｌｏや負荷Ｌｏ２に供給される。

また、駆動部４は、入力電流センサＳＩｉｎにより検出される電流を入力電流とし、その入力電流のピーク値がピーク電流閾値以上になると、スイッチＳＷを交互にオン、オフさせる制御信号が制御部５から出力されているか否かにかかわらず、スイッチＳＷの動作を強制的に停止させることにより、ＤＣＤＣコンバータ１から低圧バッテリＢｌｏや負荷Ｌｏ２への電力供給を禁止する。なお、ピーク電流閾値は、スイッチＳＷが破壊されないときにスイッチＳＷに流れる電流の最大値とする。これにより、スイッチＳＷに過電流が流れることでスイッチＳＷが破壊されることを防止することができる。

図２は、制御部５の動作の一例を示すフローチャートである。
まず、制御部５は、入力電圧、出力電圧、出力電圧指令値、及び出力電流を取得する（ステップＳ１）。例えば、制御部５は、入力電圧センサＳＶｉｎにより検出される電圧を入力電圧として取得する。また、制御部５は、出力電圧センサＳＶｏｕｔにより検出される電圧を出力電圧として取得する。また、制御部５は、車両全体の動作を制御する上位制御部から送られてくる出力電圧指令値を取得する。また、制御部５は、出力電流センサＳＩｏｕｔにより検出される電流を出力電流として取得する。また、制御部５は、出力電流の検出精度を上げるため、実際の出力電流が所定電流（例えば、ゼロ）であるときの出力電流センサＳＩｏｕｔの出力値を用いて、出力電流の取得時に参照される出力値－出力電流対応情報を補正してもよい。また、制御部５は、出力電圧の検出精度を上げるため、実際の出力電圧が所定電圧（例えば、ゼロ）であるときの出力電圧センサＳＶｏｕｔの出力値を用いて、出力電圧の取得時に参照される出力値－出力電圧対応情報を補正してもよい。

次に、制御部５は、ステップＳ１または後述するステップＳ８で取得した出力電流が定格出力電流の上限値以下であるとき（ステップＳ２：Ｙｅｓ）、入力電圧及び出力電圧指令値などにより制御信号のデューティ比を求め、その制御信号を駆動部４に出力した後（ステップＳ３）、ステップＳ１に戻り、再度、入力電圧、出力電圧、出力電圧指令値、及び出力電流を取得する。例えば、制御部５は、「（出力電圧指令値／入力電圧）×１次コイルＬ１の巻線数Ｎ」を計算することにより制御信号のデューティ比を求める。

一方、制御部５は、出力電流が定格出力電流の上限値より大きいとき（ステップＳ２：Ｎｏ）、垂下制御マップを参照して出力電流に対応する出力電圧を出力電圧閾値とする（ステップＳ４）。

ここで、図３（ａ）は、垂下制御マップの一例を示す図である。なお、図３（ａ）に示す直交座標の横軸は出力電流を示し、縦軸は出力電圧を示している。また、図３（ａ）に示す実線（定格出力電流の上限値と定格出力電圧上限値との交点と、負荷要求電流と電力不足による車両停止時のＤＣＤＣコンバータ１の出力電圧（車両停止電圧）との交点とを結ぶ直線）は、垂下制御マップを示し、制御部５の内部に予め記憶されているものとする。また、図３（ａ）に示す斜線部分は、出力電流が定格出力電流の上限値以下で、かつ、出力電圧が定格出力電圧の上限値以下で、かつ、出力電圧が定格出力電圧の下限値以上であるときの領域を示している。

図３（ａ）に示す垂下制御マップは、出力電流が定格出力電流の上限値より大きいにもかかわらずＤＣＤＣコンバータ１が停止しないときの出力電流と出力電圧とが対応付けられた情報とする。言い換えると、垂下制御マップに示されている出力電流と出力電圧との積である電力は、ＤＣＤＣコンバータ１を停止させずにＤＣＤＣコンバータ２から出力可能な電力とする。これにより、図２に示すフローチャートのステップＳ１または後述するステップＳ８で取得した出力電流及び出力電圧が垂下制御マップに示されている出力電流及び出力電圧と略一致する場合、ＤＣＤＣコンバータ１を停止させずに定格出力電流の上限値より大きい出力電流をＤＣＤＣコンバータ１から負荷Ｌｏ２に出力することができる。

次に、制御部５は、ステップＳ１または後述するステップＳ８で取得した出力電圧が出力電圧閾値以下であるとき（ステップＳ５：Ｙｅｓ）、ステップＳ３に進み、制御信号を駆動部４に出力する。

一方、制御部５は、ステップＳ１または後述するステップＳ８で取得した出力電圧が出力電圧閾値より高いとき（ステップＳ５：Ｎｏ）、出力電圧指令値を一定値減少させた後（ステップＳ６）、ステップＳ１または後述するステップＳ８で取得した入力電圧及びステップＳ６で減少させた出力電圧指令値などを用いて制御信号のデューティ比を求め、その制御信号を駆動部４に出力する（ステップＳ７）。

次に、制御部５は、入力電圧、出力電圧、及び出力電流を取得した後（ステップＳ８）、ステップＳ２に戻り、出力電流が定格出力電流の上限値以下であるか否かを判断する。

これにより、出力電流が定格出力電流の上限値より大きく、かつ、出力電圧が出力電圧閾値より高いとき、出力電圧が出力電圧閾値以下になるまで出力電圧を徐々に低下させることができるため、出力電流及び出力電圧をそれぞれ垂下制御マップに示される出力電流及び出力電圧と略一致させることができる。上述したように、出力電流及び出力電圧がそれぞれ垂下制御マップに示される出力電流及び出力電圧と略一致する場合、ＤＣＤＣコンバータ１を停止させずに定格出力電流の上限値より大きい出力電流をＤＣＤＣコンバータ１から負荷Ｌｏ２に出力することができる。そのため、出力電流が定格出力電流の上限値より大きいときでも、ＤＣＤＣコンバータ１を停止させずにＤＣＤＣコンバータ１から負荷Ｌｏ２に電力を供給することができる。

このように、実施形態のＤＣＤＣコンバータ１では、出力電流が定格出力電流の上限値より大きく、かつ、出力電圧が出力電圧閾値より高いとき、出力電圧が出力電圧閾値以下になるまで出力電圧を徐々に低下させる構成であるため、出力電流が定格出力電流の上限値より大きい場合でも、ＤＣＤＣコンバータ１を停止させずにＤＣＤＣコンバータ１から負荷Ｌｏ２に電力を供給することができる。これにより、負荷Ｌｏ２から要求される出力電流が定格出力電流の上限値より大きい場合であっても、負荷Ｌｏ２から要求される電流をできるだけ負荷Ｌｏ２に出力することができる。

また、実施形態のＤＣＤＣコンバータ１では、入力電流のピーク値がピーク電流閾値以上であるとき、スイッチＳＷの動作を強制的に停止させる構成であるため、スイッチＳＷに過電流が流れることでスイッチＳＷが破壊されることを防止することができる。

なお、本発明は、以上の実施の形態に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変更が可能である。

＜変形例１＞
図４は、変形例１における制御部５の動作の一例を示すフローチャートである。なお、変形例１におけるＤＣＤＣコンバータ１の構成は、図１に示すＤＣＤＣコンバータ１と同様とする。また、図４に示すステップＳ１～Ｓ８は、図２に示すステップＳ１～Ｓ８と同様であるため、その説明を省略する。

図４に示すフローチャートにおいて、図２に示すフローチャートと異なる点は、ステップＳ２の前のステップＳ２´において、入力電圧及び出力電圧によりピーク電流閾値を変化させる点である。なお、ステップＳ２´の実行タイミングは、ステップＳ２の前に限定されない。

例えば、制御部５は、入力電圧が大きくなるほど、または、出力電圧が小さくなるほど、ピーク電流閾値を大きくする。

入力電圧が大きくなるほど、または、出力電圧が小さくなるほど、スイッチＳＷに流れる電流がピーク値になる前においてスイッチＳＷに流れる電流の単位時間あたりの変化幅（（入力電圧／１次コイルＬ１の巻線数Ｎ－出力電圧）／インダクタＬのインダクタンス）が大きくなる。すなわち、入力電圧が大きくなるほど、または、出力電圧が小さくなるほど、スイッチＳＷに流れる電流のピーク値が大きくなる。

そのため、変形例１のように、入力電圧または出力電圧の変化に伴うピーク値の変化に合わせてピーク電流閾値も同様に変化させることで、過電流がスイッチＳＷに流れていないにもかかわらずスイッチＳＷを停止させてしまうことを低減することができる。

＜変形例２＞
図５は、変形例２におけるＤＣＤＣコンバータ１を示す図である。なお、図５に示す構成のうち、図１に示す構成と同じ構成には同じ符号を付し、その説明を省略する。

図５に示すＤＣＤＣコンバータ１において、図１に示すＤＣＤＣコンバータ１と異なる点は、ＤＣＤＣコンバータ１を冷却する冷却水の温度を検出する温度センサＳｔをさらに備えている点である。

温度センサＳｔは、サーミスタなどにより構成され、検出した温度を制御部５に出力する。

図６は、変形例２における制御部５の動作の一例を示す図である。なお、図６に示すステップＳ１～Ｓ８は、図２に示すステップＳ１～Ｓ８と同様であるため、その説明を省略する。

図６に示すフローチャートにおいて、図２に示すフローチャートと異なる点は、ステップＳ４の前のステップＳ４´において、温度センサＳｔにより検出される温度により垂下制御マップを変更する点である。

例えば、制御部５は、温度センサＳｔにより検出される温度が上昇していない場合、図３（ｂ）に示す垂下制御マップ１を使用し、温度センサＳｔにより検出される温度が上昇した場合、図３（ｂ）に示す垂下制御マップ２（垂下制御マップ１の各出力電流をそれぞれ一定値減少させたもの）を使用する。

熱によるスイッチＳＷの破壊を抑制するためには、冷却水の温度が上昇するほど、出力電流を小さくしてスイッチＳＷの発熱を抑える必要がある。

そのため、変形例２のように、温度センサＳｔにより検出される温度により垂下制御マップを他の垂下制御マップに変更することで、出力電流を小さくすることができるため、熱によるスイッチＳＷの破壊を抑制することができる。

なお、図６に示すステップＳ４´を図４に示すステップＳ４の前に実行してもよい。

１ＤＣＤＣコンバータ
２整流回路
３平滑回路
４駆動部
５制御部
Ｂｈｉ高圧バッテリ
Ｂｌｏ低圧バッテリ
Ｌｏ１、Ｌｏ２負荷
Ｃ１、Ｃ２コンデンサ
ＳＷスイッチ
Ｄ１、Ｄ２ダイオード
Ｔトランス
Ｌインダクタ
ＳＶｉｎ入力電圧センサ
ＳＶｏｕｔ出力電圧センサ
ＳＩｉｎ入力電流センサ
ＳＩｏｕｔ出力電流センサ

Claims

ＤＣＤＣコンバータであって、
トランスと、
電源と前記トランスの１次コイルとの間のローサイドの電源ラインに設けられるスイッチと、
前記トランスの２次コイルの後段に設けられる整流回路と、
前記整流回路の後段に設けられる平滑回路と、
前記ＤＣＤＣコンバータの入力電圧を検出する入力電圧センサと、
前記ＤＣＤＣコンバータの出力電圧を検出する出力電圧センサと、
前記ＤＣＤＣコンバータの出力電流を検出する出力電流センサと、
前記スイッチを交互にオン、オフさせる制御信号を前記スイッチに出力する駆動部と、
前記入力電圧センサにより検出される入力電圧及び出力電圧指令値により前記制御信号を求め、その制御信号を前記駆動部に出力する制御部と、
を備え、
前記駆動部は、前記スイッチに流れる電流のピーク値がピーク電流閾値以上になると、前記スイッチの動作を停止させ、
前記制御部は、前記出力電流センサにより検出される出力電流が定格出力電流の上限値より大きい場合、前記ＤＣＤＣコンバータが停止しないときの前記出力電流と前記出力電圧とが互いに対応付けられている垂下制御マップを参照して前記出力電流センサにより検出される出力電流に対応する出力電圧を出力電圧閾値とし、前記出力電圧センサにより検出される出力電圧が前記出力電圧閾値より大きい場合、前記出力電圧センサにより検出される出力電圧が前記出力電圧閾値以下になるまで前記出力電圧指令値を徐々に減少させる
ことを特徴とするＤＣＤＣコンバータ。
請求項１に記載のＤＣＤＣコンバータであって、
前記制御部は、前記入力電圧センサにより検出される入力電圧または前記出力電圧センサにより検出される出力電圧により前記ピーク電流閾値を変化させる
ことを特徴とするＤＣＤＣコンバータ。
請求項１または請求項２に記載のＤＣＤＣコンバータであって、
前記ＤＣＤＣコンバータを冷却する冷却水の温度を検出する温度センサを備え、
前記制御部は、前記温度センサにより検出される温度により前記垂下制御マップを他の垂下制御マップに変更する
ことを特徴とするＤＣＤＣコンバータ。