专利名称：Dc/dc转换器的制作方法
技术领域：
本发明涉及DC/DC转换器。
背景技术：
作为以往的DC/DC转换器，有如下转换器利用半导体开关的导通/截止动作，控制向电抗器的能量积蓄和释放的量，变换为比直流电源高的电压。另外，该电抗器存在大型且重这样的课题，所以有如下技术通过利用电容器的充放电来降低对电抗器施加的电压，降低该电抗器所需的电感值，从而使电抗器小型、轻量化。作为这样的技术，有如下的技术:在连接于直流电源的电抗器L与输出电压的平滑用电容器CO之间设置直流电压变换部，直流电压变换部具有串联电路以及充放电电容器Cl，该串联电路是第1、第2开关元件S1、S2串联地连接的开关元件串联电路和二极管Dl、D2串联地连接的二极管串联电路以二极管Dl的阳极侧成为第2开关元件S2侧的方式按照开关元件S1、S2、二极管D1、D2的顺序串联地连接而成的，充放电电容器Cl连接于二极管D2与二极管Dl的连接部和开关元件S2与开关元件SI的连接部之间，开关元件S2与二极管Dl的连接部经由电抗器L连接于直流电源，串联电路和平滑用电容器CO并联地连接，通过第I开关元件SI的导通，经由二极管Dl对充放电电容器Cl进行充电，通过第2开关元件S2的导通，经由二极管D2对充放电电容器Cl进行放电，该放电电流被提供给平滑用电容器CO，两个开关元件S1、S2交替成为导通状态而得到直流电源的2倍的电压(例如，参照专利文献I)。专利文献1:日本特开昭61 - 092162号公报
发明内容
以往的DC/DC转换器如以上那样构成，存在如下问题在有构成直流电压变换部的开关元件、二极管、电抗器等电路损失分量、开关元件的ON时间的偏差等误差因素的情况下，充放电电容器Cl的端子间电压由于上述误差因素而从零伏特变动至输出电压Vo，所以电抗器的脉动电流增加，损失增加。进而，如果充放电电容器Cl的端子间电压变动，则对开关元件等半导体元件施加的电压发生不平衡，半导体元件有可能被过电压破坏。例如，在充放电电容器Cl的端子间电压降低了的情况下，对开关元件SI和二极管D2施加的电压增加，相反，在充放电电容器Cl的端子间电压增加了的情况下，对开关元件S2和二极管Dl施加的电压增加。另外，在从DC/DC转换器的高压侧端子流入再生电力，并由于再生电力而输出电压Vo上升了的情况下，输出电压Vo的上升的电压全部被施加到开关元件SI和二极管D2，所以作为具有开闭功能的半导体电路的开关元件SI和二极管D2有可能被过电压破坏。为了防止发生这样的问题，需要使开关元件和二极管的元件耐压大于输出电压最大值，因此，成为导致多余的成本增加、效率降低的因素。本发明是为了解决上述那样的问题而完成的，其目的在于得到一种能够防止具有DC/DC转换器的开闭功能的半导体电路的过电压破坏的DC/DC转换器。在本发明的DC/DC转换器中，具备
低压侧平滑电容器，保持低压侧电压；高压侧平滑电容器，该高压侧平滑电容器的负极侧端子与所述低压侧平滑电容器的负极侧端子连接，并保持高压侧电压；第I半导体电路，该第I半导体电路的一端与所述低压侧平滑电容器的负极侧端子连接；第2半导体电路，该第2半导体电路的一端与所述第I半导体电路的另一端连接，该第2半导体电路的另一端经由电抗器连接于所述低压侧平滑电容器的正极侧端子；第3半导体电路，该第3半导体电路的一端与所述第2半导体电路的另一端连接；第4半导体电路，该第4半导体电路的一端与所述第3半导体电路的另一端连接，该第4半导体电路的另一端与所述高压侧平滑电容器的正极侧端子连接；中间电容器，该中间电容器的一端与所述第I半导体电路和所述第2半导体电路的中间连接点连接，该中间电容器的另一端与所述第3半导体电路和所述第4半导体电路的中间连接点连接；以及控制装置，控制各所述半导体电路，该DC/DC转换器能够进行升压动作和/或降压动作，在所述升压动作中，使所述第I以及第2半导体电路都具有开关元件的功能，使所述第3以及第4半导体电路都具有二极管元件的功能，通过使所述第I以及第2半导体电路具有的开关元件的导通截止开关功能，将所输入的所述低压侧平滑电容器的电压变换为升压了的电压而输出到所述高压侧平滑电容器，在所述降压动作中，使所述第3以及第4半导体电路都具有开关元件的功能，使所述第I以及第2半导体电路都具有二极管元件的功能，通过使所述第3以及第4半导体电路具有的开关元件的导通截止开关功能，将所输入的所述高压侧平滑电容器的电压变换为降压了的电压而输出到所述低压侧平滑电容器，其中，所述控制装置具有第I运算部、第2运算部、以及开闭控制部，所述第I运算部根据所述高压侧电压的指令值与所述高压侧电压的检测值的差电压、或者所述低压侧电压的指令值与所述低压侧电压的检测值的差电压计算第I运算值，所述第2运算部根据所述中间电容器的电压指令值与所述中间电容器的电压检测值的差电压运算第2运算值，所述开闭控制部根据所述第I运算值和所述第2运算值求出通电率，根据该通电率控制具有所述导通截止开关功能的所述第I以及第2半导体电路或者具有所述导通截止开关功能的所述第3以及第4半导体电路的开闭动作，从而控制所述高压侧电压或者所述低压侧电压以及所述充放电电容器的电压。在本发明的DC/DC转换器中，具备低压侧平滑电容器，保持低压侧电压；高压侧平滑电容器，该高压侧平滑电容器的负极侧端子与所述低压侧平滑电容器的负极侧端子连接，并保持高压侧电压；第I半导体电路，该第I半导体电路的一端与所述低压侧平滑电容器的负极侧端子连接；第2半导体电路，该第2半导体电路的一端与所述第I半导体电路的另一端连接，该第2半导体电路的另一端经由电抗器连接于所述低压侧平滑电容器的正极侧端子；第3半导体电路，该第3半导体电路的一端与所述第2半导体电路的另一端连接；第4半导体电路，该第4半导体电路的一端与所述第3半导体电路的另一端连接，该第4半导体电路的另一端与所述高压侧平滑电容器的正极侧端子连接；中间电容器，该中间电容器的一端与所述第I半导体电路和所述第2半导体电路的中间连接点连接，该中间电容器的另一端与所述第3半导体电路和所述第4半导体电路的中间连接点连接；以及控制装置，控制各所述半导体电路，该DC/DC转换器能够进行升压动作和/或降压动作，在所述升压动作中，使所述第I以及第2半导体电路都具有开关元件的功能，使所述第3以及第4半导体电路都具有二极管元件的功能，通过使所述第I以及第2半导体电路具有的开关元件的导通截止开关功能，将所输入的所述低压侧平滑电容器的电压变换为升压了的电压而输出到所述高压侧平滑电容器，在所述降压动作中，使所述第3以及第4半导体电路都具有开关元件的功能，使所述第I以及第2半导体电路都具有二极管元件的功能，通过使所述第3以及第4半导体电路具有的开关元件的导通截止开关功能，将所输入的所述高压侧平滑电容器的电压变换为降压了的电压而输出到所述低压侧平滑电容器，其中，所述控制装置具有第I运算部、第2运算部、以及开闭控制部，所述第I运算部根据所述高压侧电压的指令值与所述高压侧电压的检测值的差电压、或者所述低压侧电压的指令值与所述低压侧电压的检测值的差电压计算第I运算值，所述第2运算部根据所述中间电容器的电压指令值与所述中间电容器的电压检测值的差电压运算第2运算值，所述开闭控制部根据所述第I运算值和所述第2运算值求出通电率，根据该通电率控制具有所述导通截止开关功能的所述第I以及第2半导体电路或者具有所述导通截止开关功能的所述第3以及第4半导体电路的开闭动作，从而控制所述高压侧电压或者所述低压侧电压以及所述充放电电容器的电压，所以能够防止具有开闭功能的半导体电路的过电压破坏。
图1是示出本发明的实施方式I的DC/DC转换器的结构的结构图。图2是示出图1的控制装置的结构的电路图。图3是示出图1的DC/DC转换器的动作模式的说明图。图4是图1的DC/DC转换器的动作说明图。图5是图1的DC/DC转换器的动作说明图。图6是图1的DC/DC转换器的动作说明图。图7是图1的DC/DC转换器的动作说明图。图8是示出本发明的实施方式I的另一控制装置的结构的电路图。图9是示出本发明的实施方式I的又一控制装置的结构的电路图。图10是示出本发明的实施方式I的又一控制装置的结构的电路图。
图11是示出本发明的实施方式1的另一 DC/DC转换器的结构的结构图。图12是示出本发明的实施方式2的控制装置的结构的电路图。图13是示出本发明的实施方式2的另一控制装置的结构的电路图。图14是示出本发明的实施方式3的DC/DC转换器的结构的结构图。图15是示出图14的控制装置的结构的电路图。图16是图14的控制装置的动作说明图。图17是图14的控制装置的动作说明图。图18是示出本发明的实施方式3的另一控制装置的结构的电路图。图19是图18的控制装置的动作说明图。图20是示出本发明的实施方式3的另一控制装置的结构的电路图。图21是示出本发明的实施方式3的另一控制装置的结构的电路图。图22是示出本发明的实施方式4的DC/DC转换器的结构的结构图。图23是示出图22的控制装置的结构的电路图。图24是示出本发明的实施方式5的DC/DC转换器的结构的结构图。图25是示出图24的控制装置的结构的电路图。图26是示出降压型的DC/DC转换器的结构的结构图。
具体实施例方式实施方式1.图广图11是示出用于实施本发明的实施方式1的图，图1是示出DC/DC转换器 的结构的结构图、图2是示出图1的控制装置的结构的电路图、图3是示出图1的DC/DC转 换器的动作模式的说明图。7是图1的DC/DC转换器的动作说明图。图8是示出 本发明的实施方式1的另一控制装置的结构的电路图、图9是示出本发明的实施方式1的 又一控制装置的结构的电路图、图10是示出本发明的实施方式1的又一控制装置的结构的 电路图、图11是示出本发明的实施方式1的又一 DC/DC转换器的结构的结构图。在图1中，DC/DC转换器100是能够在低压侧与高压侧之间进行双向的电力变换的 双向型的结构，具有作为端子群以及分别作为第1、第2、第3、第4端子的第1端子100a、第 2端子100b、第3端子100c、第4端子100d，将输入到作为低压侧的端子的第1端子100a (Vcom) 一第2端子100b (VL)之间的直流的输入电压Vin升压为输入电压Vin以上的电 压，将升压后的输出电压Vout输出到作为高压侧的端子的第3端子100c (Vcom)—第4端 子100d (VH)之间。在图1中，第1端子100a—第2端子100b之间连接了蓄电池2，在第 3端子100c —第4端子100d之间连接了电动机3。DC/DC转换器100具有作为电容器装置 的低压侧平滑电容器11 (Ci)、电抗器12 (L)、直流电压变换部101、电压传感器103、电压 传感器104、电流传感器105、以及控制装置109。低压侧平滑电容器11的一方的端子与第1端子100a连接，另一方的端子与第2 端子100b连接，对输入电压Vin进行平滑化。第1端子100a和第3端子100c共同地连 接。另外，也可以兼用第1端子100a和第3端子100c。电抗器12 (L)用于能量积蓄，与 第2端子100b和第2连接部101c (后述)连接，该第2连接部101c是开关元件S2与开关 元件S3的连接部。直流电压变换部101具有作为半导体电路串联电路的开关元件串联电路IOla以及充放电电容器IOlf (Cf)，将输入电压Vin升压至输出电压Vout。开关元件串联电路IOla是作为第f第4半导体电路的4个开关元件S1、S2、S3、S4分别经由第I连接部、第2连接部、第3连接部101b、101c、101d依照该顺序串联地连接而构成的。各开关元件SI S4例如使用IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor,绝缘栅双极晶体管),在该实施方式中，在栅极信号为High (高)时导通。对第I连接部IOlb和第3连接部101d，连接了充放电电容器101f。开关元件SI的与第I连接部IOlb相反一侧与第I端子IOOa连接，第2连接部IOlc经由电抗器12而与第2端子IOOb连接。开关元件串联电路IOla的两端与第3端子100c、第4端子IOOd连接，并且第I端子IOOa和第3端子100c共同地连接，第I端子100a、第2端子IOOb被当作低压侧，第3端子100c、第4端子IOOd被当作高压侧。更详细而言，开关元件SI的发射极端子与第I端子IOOa连接，开关元件S4的集电极端子与第4端子IOOd连接。开关元件S2的集电极端子与开关元件S3的发射极端子的连接部即第2连接部IOlc经由电抗器12而与第2端子IOOb连接。另外，充放电电容器IOlf的一方的端子与第I连接部IOlb连接，另一方的端子与第3连接部IOld连接，其中，该第I连接部IOlb是开关元件SI的集电极端子与开关元件S2的发射极端子的连接部，该第3连接部IOld是开关元件S3的集电极端子与开关元件S4的发射极端子的连接部。电压传感器103检测作为电容器装置以及高压侧电容器的输出侧的高压侧平滑电容器108的作为高压侧输出电压的端子间电压。电压传感器104检测包含在直流电压变换部101中的充放电电容器IOlf的电 压(以下，称为充放电电容器电压)Vcf。电流传感器105检测流经电抗器12的电抗器电流IL。输出侧的高压侧平滑电容器108对由直流电压变换部101升压之后的输出电压Vout进行平滑化。控制装置109根据电压传感器103、104、电流传感器105的检测值，生成4个开关元件Sf S4的栅极信号，使直流电压变换部101的各开关元件S1 S4进行0N/0FF动作。图2是示出控制装置109的详细结构的电路图。在图2中，控制装置109具有减法器21、乘法器22、减法器23、第I控制块24、第I控制器25、第2控制器26、第2控制块27、第3控制块28。第I控制块24具有乘法器24a、比较器24b、开闭接点24c、逆变器24e、开闭接点24f。第2控制块27具有加法器27a和减法器27b。第3控制块28具有比较器28a、比较器28b、逆变器28c、逆变器28d。另外，减法器21、第I控制器25是本发明中的第I运算部，乘法器22、减法器23、第I控制块24、第2控制器26是本发明中的第2运算部，第2控制块27、第3控制块28是本发明中的开闭控制部。另外，比较器24b是本发明中的电抗器电流方向检测部。作为高压侧电压的指令值的输出电压目标值Vout *和由电压传感器103检测出的作为高压侧电压的检测值的输出电压Vout被输入到减法器21，作为其差的差电压AVout被输入到第I控制器25。另外，通过乘法常数被设定为0. 5的乘法器22对输出电压Vout进行0. 5倍，作为充放电电容器电压目标值Vcf *而输出到减法器23，该充放电电容器电压目标值Vcf *被当作充放电电容器的电压指令值。由电压传感器104检测出的作为充放电电容器的电压检测值的充放电电容器电压Vcf被输入到减法器23，运算出与充放电电容器电压目标值Vcf*的差电压AVcf，输出到第I控制块24。虽然在后面详述，但第2控制器26对充放电电容器电压目标值Vcf *与充放电电容器电压Vcf的差电压△ Vcf进行放大。另外，在该实施方式中，为了使电抗器的脉动电流最小化，如上所述，将充放电电容器电压目标值Vcf *设为输出电压Vout的二分之一的值(O. 5倍)。在第I控制块24中，由电流传感器105检测出的电抗器电流IL被输入到比较器24b，根据电抗器电流IL的极性而使开闭接点24c、24f开闭，从而切换充放电电容器电压目标值Vcf *与充放电电容器电压Vcf的差电压AVcf的极性，在电抗器电流IL是正的情况下将差电压AVcf原样地输出，在电抗器电流IL是负的情况下通过乘法器24a乘以一 I而使极性反转之后，经由逆变器24e使开闭接点24f闭合，从而输出到第2控制器26。第2控制块27中，输入第I控制器25的作为第I运算值的输出以及第2控制器26的作为第2运算值的输出，通过加法器27a对两者进行相加，作为导通占空比(ON duty)D1输出到第3控制块28，该导通占空比Dl被当作开关元件SI的通电率。另外，通过减法器27b运算出第I控制器25的输出与第2控制器26的输出之差，作为导通占空比D2输出到第3控制块28，该导通占空比D2被当作开关元件S2的通电率。第3控制块28是用于生成PWM信号的块，开关元件SI的栅极信号Gl是通过将导通占空比Dl和第I三角波SWl输入到比较器28a并比较两者而生成的。开关元件S2的栅极信号G2是通过将导通占空比D2和第2三角波SW2输入到比较器28b并比较两者而生成的。作为开关元件S3的栅极信号G3，输出通过逆变器28d反转的G2的反转信号，作为开关元件S4的栅极信号G4，输出通过逆变器28c反转的Gl的反转信号。此处，为了使电抗器12的脉动电流最小化，将第I三角波SWl和第2三角波SW2设为其相位反转了 180度的信号。接下来，说明该DC/DC转换器100的稳态状态下的动作。另外，稳态状态是指，开关元件SI S4被导通/截止控制而稳定地得到输出电压时的状态。另外，作为DC/DC转换器100的动作状态，存在如下两个状态通过从蓄电池2对电动机3供给电力而驱动电动机3的状态(动力运行动作)；电动机3在发电状态下发电的电力被供给到蓄电池2的状态(再生动作)。如图3所示，作为稳态状态下的DC/DC转换器的动作模式，有模式I 模式4这4种。如图3 (a)所示，在模式I下，SI和S3导通、S2和S4截止，在动力运行时成为对充放电电容器IOlf积蓄能量的状态，在再生时成为释放充放电电容器IOlf的能量的状态。如图3 (b)所示，在模式2下，SI和S3截止、S2和S4导通，在动力运行时成为释放充放电电容器IOlf的能量的状态，在再生时成为对充放电电容器IOlf积蓄能量的状态。如图3(c)所示，在模式3下，SI和S2截止、S3和S4导通，在动力运行时成为释放电抗器12的能量的状态，在再生时成为积蓄电抗器12的能量的状态。如图3 (d)所示，在模式4下，SI和S2导通、S3和S4截止，在动力运行时成为对电抗器12积蓄能量的状态，在再生时成为释放电抗器12的能量的状态。通过适当调整这些动作模式的时间比率，能够将作为输入到第I端子IOOa —第2端子IOOb之间的低压侧电压的输入电压Vin升压为任意的电压，在第3端子IOOc —第2端子IOOb之间输出为输出电压Vout。但是，该DC/DC转换器100在输出电压Vout相对输入电压Vin的升压比N小于2倍的情况和2倍以上的情况下，稳态状态下的动作不同。首先，说明升压比N小于2倍且动力运行状态时的动作。图4示出升压比N小于2倍的情况下的、各开关元件Sf S4的栅极信号电压波形、电抗器电流IL的波形、充放电电容器IOlf的电流Icf的波形、充放电电容器电压Vcf的波形。另外，在稳态状态下，充放电电容器电压Vcf被控制为成为输出电压Vout的约二分之一的电压，输入电压Vin、输出电压Vout、充放电电容器电压Vcf的大小关系如下所述。Vout>Vin>Vcf在开关元件SI和开关元件S3的栅极信号是High (高)、开关元件S2和开关元件S4的栅极信号是Low (低)的状态(模式I (图3 (a)))下，开关元件SI和开关元件S3导通、开关元件S2和开关元件S4截止，所以通过以下的路径，能量从低压侧平滑电容器11转移到电抗器12和充放电电容器IOlf。低压侧平滑电容器11 (Ci)—电抗器12 (L)—开关元件S3 —充放电电容器IOlf(Cf)—开关元件SI接下来，在开关元件SI和开关元件S2的栅极信号是Low、开关元件S3和开关元件S4的栅极信号是High的状态(模式3 (图3 (c)))下，开关元件SI和开关元件S2截止、开关元件S3和开关元件S4导通，所以通过以下的路径，电抗器12中积蓄的能量转移到低压侧平滑电容器11以及高压侧平滑电容器108。低压侧平滑电容器11 (Ci)—电抗器12 (L)—开关元件S3—开关元件S4—高压侧平滑电容器108 (Co)接下来，在开关元件SI和开关元件S3的栅极信号是Low、开关元件S2和开关元件S4的栅极信号是High的状态(模式2 (图3 (b)))下，开关元件SI和开关元件S3截止、开关元件S2和开关元件S4导通，所以通过以下的路径，充放电电容器IOlf中积蓄的能量转移到低压侧平滑电容器11以及高压侧平滑电容器108，并且对电抗器12积蓄能量。低压侧平滑电容器11 (Ci)—电抗器12 (L)—开关元件S2 —充放电电容器IOlf(Cf)—开关元件S4—高压侧平滑电容器108 (Co) 接下来，在开关元件SI和开关元件S2的栅极信号是Low、开关元件S3和开关元件S4的栅极信号是High的状态(模式3)下，开关元件SI和开关元件S2截止、开关元件S3和开关元件S4导通，所以通过以下的路径，电抗器12中积蓄的能量转移到低压侧平滑电容器11以及高压侧平滑电容器108。低压侧平滑电容器11 (Ci)—电抗器12 (L)—开关元件S3—开关元件S4—高压侧平滑电容器108 (Co)通过反复进行该一连串的“模式I —模式3 —模式2 —模式3”的动作，将输入到第I端子IOOa —第2端子IOOb之间的输入电压Vin升压为从I倍至小于2倍之间的任意的电压，在第3端子100c —第2端子IOOb之间输出为输出电压Vout，同时将蓄电池2的能量供给到电动机3。接下来，说明升压比N是2倍以上且动力运行动作时的动作。图5示出升压比N是2倍以上的情况下的、开关元件SI以及开关元件S2的栅极信号电压波形、电抗器电流IL的波形、充放电电容器IOlf的电流(充放电电容器电流)Icf的波形、以及充放电电容器电压Vcf的波形。在稳态状态下，充放电电容器电压Vcf被控制为成为输出电压Vout的约二分之一的电压,输入电压Vin、输出电压Vout、充放电电容器电压Vcf的大小关系如下所述。Vout>Vcf > Vin
在开关元件SI和开关元件S2的栅极信号是High、开关元件S3和开关元件S4的栅极信号是Low的状态(模式4 (图3 (d)))下，开关元件SI和开关元件S2导通、开关元件S3和开关元件S4截止，所以通过以下的路径，能量从低压侧平滑电容器11转移到电抗器12。低压侧平滑电容器11 (Ci)—电抗器12 (L)—开关元件S2 —开关元件SI接下来，在开关元件SI和开关元件S3的栅极信号是High、开关元件S2和开关元件S4的栅极信号是Low的状态(模式I)下，开关元件SI和开关元件S3导通、开关元件S2和开关元件S4截止，所以通过以下的路径，电抗器12中积蓄的能量转移到低压侧平滑电容器11以及充放电电容器101f。低压侧平滑电容器11 (Ci)—电抗器12 (L)—开关元件S3 —充放电电容器IOlf(Cf)—开关元件SI接下来，在开关元件SI和开关元件S2的栅极信号是High、开关元件S3和开关元件S4的栅极信号是Low的状态(模式4)下，开关元件SI和开关元件S2导通、开关元件S3和开关元件S4截止，所以通过以下的路径，能量从低压侧平滑电容器11转移到电抗器12。低压侧平滑电容器11 (Ci)—电抗器12 (L)—开关元件S2 —开关元件SI接下来，在开关元件SI和开关元件S3的栅极信号是Low、开关元件S2和开关元件S4的栅极信号是High的状态(模式2)下，开关元件SI和开关元件S3截止、开关元件S2和开关元件S4导通，所以通过以下的路径，电抗器12和充放电电容器IOlf中积蓄的能量转移到低压侧平滑电容器11以及高压侧平滑电容器108。低压侧平滑电容器11 (Ci)—电抗器12 (L)—开关元件S2 —充放电电容器IOlf(Cf)—开关元件S4—高压侧平滑电容器108 (Co)通过反复进行该一连串的“模式4 —模式I —模式4 —模式2”的动作，将输入到第I端子IOOa —第2端子IOOb之间的输入电压Vin升压至2倍以上的任意的电压，在第3端子IOOc —第2端子IOOb之间输出为输出电压Vout，同时将蓄电池2的能量供给到电动机3。接下来，说明升压比N小于2倍且再生状态时的动作。图6示出升压比N小于2倍的情况下的、开关元件Sf S4的栅极信号电压波形、电抗器电流IL的波形、充放电电容器电流Icf的波形、充放电电容器电压Vcf的波形。另外，在稳态状态下，充放电电容器电压Vcf被控制为成为输出电压Vout的约二分之一的电压，输入电压Vin、输出电压Vout、充放电电容器电压Vcf的大小关系如下所述。Vout>Vin>Vcf在开关元件SI和开关元件S3的栅极信号是High、开关元件S2和开关元件S4的栅极信号是Low的状态(模式I)下，开关元件SI和开关元件S3导通、开关元件S2和开关元件S4截止，所以通过以下的路径，能量从充放电电容器IOlf和电抗器12转移到低压侧平滑电容器11。低压侧平滑电容器11 (Ci)—电抗器12 (L) —开关元件S3 —充放电电容器IOlf(Cf)—开关元件SI 接下来，在开关元件SI和开关元件S2的栅极信号是Low、开关元件S3和开关元件S4的栅极信号是High的状态(模式3)下，开关元件SI和开关元件S2截止、开关元件S3和开关元件S4导通，所以通过以下的路径，能量从高压侧平滑电容器108转移到电抗器12和低压侧平滑电容器11。低压侧平滑电容器11 (Ci)—电抗器12 (L)—开关元件S3—开关元件S4—高压侧平滑电容器108 (Co)接下来，在开关元件SI和开关元件S3的栅极信号是Low、开关元件S2和开关元件S4的栅极信号是High的状态(模式2)下，开关元件SI和开关元件S3截止、开关元件S2和开关元件S4导通，所以通过以下的路径，能量从高压侧平滑电容器108和电抗器12转移到充放电电容器IOlf和低压侧平滑电容器11。低压侧平滑电容器11 (Ci)—电抗器12 (L) —开关元件S2 —充放电电容器IOlf(Cf)—开关元件S4—高压侧平滑电容器108 (Co)接下来，在开关元件SI和开关元件S2的栅极信号是Low、开关元件S3和开关元件S4的栅极信号是High的状态(模式3)下，开关元件SI和开关元件S2截止、开关元件S3和开关元件S4导通，所以通过以下的路径，能量从高压侧平滑电容器108转移到电抗器12和低压侧平滑电容器11。低压侧平滑电容器11 (Ci)—电抗器12 (L)—开关元件S3 —开关元件S4 —高压侧平滑电容器108 (Co)通过反复进行该一连串的“模式I 一模式3 —模式2 —模式3”的动作，将输入到第I端子IOOa —第2端子IOOb之间的输入电压Vin升压为从I倍至小于2倍的任意的电压，在第3端子IOOc —第2端子IOOb之间输出为输出电压Vout，同时将电动机3的发电能量积蓄到蓄电池2。接下来，说明升压比N是2倍以上且再生动作时的动作。图7示出升压比N是2倍以上且再生动作时的、开关元件SI以及开关元件S2的栅极信号电压波形、电抗器电流IL的波形、充放电电容器电流Icf的波形、以及充放电电容器电压Vcf的波形。在稳态状态下，充放电电容器电压Vcf被控制为成为输出电压Vout的约二分之一的电压，输入电压Vin、输出电压Vout、充放电电容器电压Vcf的大小关系如下所述。Vout>Vcf > Vin在开关元件SI和开关元件S2的栅极信号是High、开关元件S3和开关元件S4的栅极信号是Low的状态(模式4)下，开关元件SI和开关元件S2导通、开关元件S3和开关元件S4截止，所以通过以下的路径，能量从电抗器12转移到低压侧平滑电容器11。低压侧平滑电容器11 (Ci)—电抗器12 (L)—开关元件S2 —开关元件SI接下来，在开关元件SI和开关元件S3的栅极信号是High、开关元件S2和开关元件S4的栅极信号是Low的状态(模式I)下，开关元件SI和开关元件S3导通、开关元件S2和开关元件S4截止，所以通过以下的路径，能量从充放电电容器IOlf转移到电抗器12和低压侧平滑电容器11。低压侧平滑电容器11 (Ci)—电抗器12 (L) —开关元件S3 —充放电电容器IOlf(Cf)—开关元件SI接下来，在开关元件SI和开关元件S2的栅极信号是High、开关元件S3和开关元件S4的栅极信号是Low的状态(模式4)下，开关元件SI和开关元件S2导通、开关元件S3和开关元件S4截止，所以通过以下的路径，能量从电抗器12转移到低压侧平滑电容器11。低压侧平滑电容器11 (Ci)—电抗器12 (L)—开关元件S2 —开关元件SI接下来，在开关元件SI和开关元件S3的栅极信号是Low、开关元件S2和开关元件S4的栅极信号是High的状态(模式2)下，开关元件SI和开关元件S3截止、开关元件S2和开关元件S4导通，所以通过以下的路径，能量从高压侧平滑电容器108转移到电抗器12和充放电电容器101f、低压侧平滑电容器11。低压侧平滑电容器11 (Ci)—电抗器12 (L) —开关元件S2 —充放电电容器IOlf(Cf)—开关元件S4—高压侧平滑电容器108 (Co)通过反复进行该一连串的“模式4 一模式I 一模式4 一模式2”的动作，将输入到第I端子IOOa —第2端子IOOb之间的输入电压Vin升压至2倍以上的任意的电压，在第3端子IOOc —第2端子IOOb之间输出为输出电压Vout,同时将电动机3的发电能量积蓄到蓄电池2。接下来，说明本实施方式I的DC/DC转换器100的控制装置的动作。如果将开关元件SI的导通占空比设为Dl、将开关元件S2的导通占空比设为D2，则开关元件S3的导通占空比成为(I 一 D2)、开关元件S4的导通占空比成为(I 一 D1)。如果将低压侧平滑电容器11的静电电容设为Cf、将输出侧的高压侧平滑电容器108的静电电容设为Co、将充放电电容器IOlf的静电电容设为Cf、将能量积蓄用的电抗器12的电感值设为L、将电抗器中流过的电流设为IL、将输出电流设为Io，则DC/DC转换器100的状态平均方程式能够用式(I)来表示。
权利要求
1.一种DC/DC转换器，具备:低压侧平滑电容器，保持低压侧电压；高压侧平滑电容器，该高压侧平滑电容器的负极侧端子与所述低压侧平滑电容器的负极侧端子连接，并保持高压侧电压；第I半导体电路，该第I半导体电路的一端与所述低压侧平滑电容器的负极侧端子连接；第2半导体电路，该第2半导体电路的一端与所述第I半导体电路的另一端连接，该第 2半导体电路的另一端经由电抗器连接于所述低压侧平滑电容器的正极侧端子；第3半导体电路，该第3半导体电路的一端与所述第2半导体电路的另一端连接；第4半导体电路，该第4半导体电路的一端与所述第3半导体电路的另一端连接，该第 4半导体电路的另一端与所述高压侧平滑电容器的正极侧端子连接；中间电容器，该中间电容器的一端与所述第I半导体电路和所述第2半导体电路的中间连接点连接，该中间电容器的另一端与所述第3半导体电路和所述第4半导体电路的中间连接点连接；以及控制装置，控制各所述半导体电路，该DC/DC转换器能够进行升压动作和/或降压动作，在所述升压动作中，使所述第I以及第2半导体电路都具有开关元件的功能，使所述第 3以及第4半导体电路都具有二极管元件的功能，通过使所述第I以及第2半导体电路具有的开关元件的导通截止开关功能，将所输入的所述低压侧平滑电容器的电压变换为升压了的电压而输出到所述高压侧平滑电容器，在所述降压动作中，使所述第3以及第4半导体电路都具有开关元件的功能，使所述第 I以及第2半导体电路都具有二极管元件的功能，通过使所述第3以及第4半导体电路具有的开关元件的导通截止开关功能，将所输入的所述高压侧平滑电容器的电压变换为降压了的电压而输出到所述低压侧平滑电容器，其中，所述控制装置具有第I运算部、第2运算部、以及开闭控制部，所述第I运算部根据所述高压侧电压的指令值与所述高压侧电压的检测值的差电压、 或者所述低压侧电压的指令值与所述低压侧电压的检测值的差电压计算第I运算值，所述第2运算部根据所述中间电容器的电压指令值与所述中间电容器的电压检测值的差电压运算第2运算值，所述开闭控制部根据所述第I运算值和所述第2运算值求出通电率，根据该通电率控制具有所述导通截止开关功能的所述第I以及第2半导体电路或者具有所述导通截止开关功能的所述第3以及第4半导体电路的开闭动作，从而控制所述高压侧电压或者所述低压侧电压以及所述充放电电容器的电压。
2.根据权利要求1所述的DC/DC转换器，其特征在于，所述第广第4半导体电路全部具有开关功能，所述控制装置对所述第f第4半导体电路进行开闭控制。
3.根据权利要求1所述的DC/DC转换器，其特征在于，在所述第I以及第2半导体电路具有开关功能时，所述第3以及第4半导体电路是单向传导元件或者同步整流电路，在所述第3以及第4半导体电路具有开关功能时，所述第I以及第2半导体电路是单向传导元件或者同步整流电路。
4.根据权利要求f3中的任意一项所述的DC/DC转换器，其特征在于，所述开闭控制部根据所述第I运算值与所述第2运算值的相加值以及所述第I运算值与所述第2运算值的相减值来求出所述通电率。
5.根据权利要求4所述的DC/DC转换器，其特征在于，具有电抗器电流判定部，该电抗器电流判定部判定流经所述电抗器的电流的大小，所述第2运算部根据所述电抗器电流判定部的判定结果，使所述第2运算值的大小变化。
6.根据权利要求4所述的DC/DC转换器，其特征在于，具有电抗器电流判定部，该电抗器电流判定部判定流经所述电抗器的电流的大小，所述第2运算部具有第2运算值调整部，该第2运算值调整部进行调整以使不论所述电抗器电流判定部的判定结果如何所述第2运算值的大小都成为一定值。
7.根据权利要求4所述的DC/DC转换器，其特征在于，具有电抗器电流判定部，该电抗器电流判定部判定流经所述电抗器的电流的大小，所述第I运算部根据所述高压侧电压的指令值与所述高压侧电压的检测值的差电压或者所述低压侧电压的指令值与所述低压侧电压的检测值的差电压、和流经所述电抗器的电流的大小的判定结果，运算所述第I运算值以使流经所述电抗器的电流成为规定值。
8.根据权利要求7所述的DC/DC转换器，其特征在于，所述第2运算单元根据所述电抗器的电流的大小，使所述第2运算值的大小变化。
9.根据权利要求Γ3中的任意一项所述的DC/DC转换器，其特征在于，所述DC/DC转换器是进行降压动作的DC/DC转换器，所述第I运算部具有电压控制用运算值变更部，该电压控制用运算值变更部在电气设备连接在所述低压侧并在运转过程中所述电气设备的连接被切断了的情况下，代替所述第 I运算值而输出另一运算值作为所述第I运算值，以使所述低压侧电压成为期望的电压。
10.根据权利要求9所述的DC/DC转换器，其特征在于，所述电压控制用运算值变更部在电气设备连接在所述低压侧并在运转过程中所述电气设备的连接被切断了的情况下，代替所述第I运算值而输出所述另一运算值，以使所述低压侧电压成为期望的一定的电压。
11.根据权利要求9所述的DC/DC转换器，其特征在于，所述电压控制用运算值变更部在电气设备连接在所述低压侧并在运转过程中所述电气设备的连接被切断了的情况下，输出所述另一运算值，以使所述低压侧电压成为与所述电气设备的连接即将被切断之前的所述低压侧电压相比大小不同的其他电压。
12.根据权利要求9所述的DC/DC转换器，其特征在于，被指令所述低压侧电压的指令值，所述电压控制用运算值变更部在电气设备连接在所述低压侧并在运转过程中所述电气设备的连接被切断了的情况下，输出所述另一运算值，以使所述低压侧电压与所述低压侧电压的指令值一致。
13.根据权利要求9所述的DC/DC转换器，其特征在于，所述电气设备是蓄电池。
14.根据权利要求f3中的任意一项所述的DC/DC转换器，其特征在于，所述DC/DC转换器是进行降压动作的DC/DC转换器，所述第I运算部具有电流控制用运算值变更部，该电流控制用运算值变更部在电气设备连接在所述低压侧并在运转过程中所述电气设备的连接被切断了的情况下，代替所述第 I运算值而输出另一运算值，以使期望的电流从所述电抗器流向所述低压侧平滑电容器。
15.根据权利要求14所述的DC/DC转换器，其特征在于，所述电流控制用运算值变更部在电气设备连接在所述低压侧并在运转过程中所述电气设备的连接被切断了的情况下，输出所述另一运算值，以使从所述电抗器流向所述低压侧平滑电容器的电流与对流经所述电抗器的电流进行指令的电抗器电流指令值一致。
16.根据权利要求14所述的DC/DC转换器，其特征在于，所述电气设备是蓄电池。
17.根据权利要求1或者2所述的DC/DC转换器，其特征在于，具有电抗器电流方向检测部，该电抗器电流方向检测部检测流经所述电抗器的电流的方向，所述第2运算部根据所述电抗器电流方向检测部的检测结果，使所述第2运算值的极性变化。
18.根据权利要求17所述的DC/DC转换器，其特征在于，所述电抗器电流方向检测部根据电流流过的所述第广第4半导体电路中的具有开关功能的半导体电路的开闭端子间电压，检测流经所述电抗器的电流的方向。
19.根据权利要求17所述的DC/DC转换器，其特征在于，所述电抗器电流方向检测部根据所述半导体电路的动作状态和所述充放电电容器的电压变化，检测流经所述电抗器的电流的方向。
20.根据权利要求广3中的任意一项所述的DC/DC转换器，其特征在于，所述半导体电路具有由宽带隙半导体形成的半导体元件。
21.根据权利要求20所述的DC/DC转换器，其特征在于，所述宽带隙半导体是碳化硅、氮化镓系材料或者金刚石。
全文摘要
4个开关元件(S1)~(S4)依次经由第1~第3连接部串联地连接而成的串联电路和高压侧平滑电容器并联地连接，在第1以及第3连接部之间连接充放电电容器，经由电抗器施加到第2连接部的低压侧电压通过(S1)~(S4)的开闭被升压而从上述串联电路输出，但通过第1控制器(25)根据输出电压目标值(Vout＊)与输出电压(Vout)之差运算第1运算值，通过第2控制器(26)根据充放电电容器电压目标值(Vcf＊)与充放电电容器电压(Vcf)之差运算第2运算值，通过控制块(27)、(28)对第1以及第2运算值进行相加相减，通过栅极信号(G1、G2)控制(S1)~(S4)的传导率而控制输出电压和充放电电容器电压，防止(S1)~(S4)的过电压破坏。
文档编号H02M3/155GK103053104SQ20118003739
公开日2013年4月17日 申请日期2011年7月27日 优先权日2010年7月30日
发明者奥田达也, 浦壁隆浩, 小林胜, 池田又彦, 前川博敏 申请人:三菱电机株式会社