專利名稱：Dc－dc變換器的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及DC-DC變換器，特別是涉及可抑制電壓變換用變壓器的磁飽和、并實現(xiàn)變壓器的小型化、同時可抑制開關損耗以提高變換效率的DC-DC變換器。
背景技術(shù)：
電流諧振方式的DC-DC變換器具有與開關單元串聯(lián)連接的諧振電路，以諧振電路的諧振頻率對開關單元進行接通/斷開驅(qū)動。圖4是示出DC-DC變換器的原理的圖。在變壓器1的一次側(cè)設置有由例如4個開關元件的橋接結(jié)構(gòu)構(gòu)成的一對開關單元2-1、2-2，在二次側(cè)設置有諧振電路3。諧振電路3由諧振用扼流圈(電抗器)和諧振用電容器構(gòu)成。另外，在二次側(cè)還設置有整流、平滑單元，但未作圖示。
當使用驅(qū)動單元4以諧振電路3的諧振頻率對一對開關單元2-1、2-2交替進行接通/斷開驅(qū)動時，以依照該接通/斷開驅(qū)動頻率的頻率通過變壓器1進行升壓或降壓。
當把諧振電路3中的扼流圈的電感設定為L，并把電容器的電容設定為C時，此時的諧振電路3的諧振頻率f由f＝1/2πLC表示，例如當L＝130μH，C＝0.47μF時，得到f20.4KHz。
實際上，對于構(gòu)成DC-DC變換器的諧振電路3的扼流圈和電容器等元件，元件常數(shù)(電感、電容)有偏差，并且，元件常數(shù)經(jīng)年變化，而且依照溫度特性隨著周圍溫度而變化。當伴隨該偏差或變化，一對開關單元2-1、2-2的接通/斷開驅(qū)動頻率和諧振電路3的諧振頻率之間發(fā)生偏差時，開關損耗增大，不能取得充分性能。
在下述專利文獻1中提出，根據(jù)輸入電壓和輸出電流算出諧振電流流入開關單元的時間，在從開關單元的接通時刻起的經(jīng)過時間達到所算出的時間的時刻，把開關單元切換到斷開，由此消除開關單元的驅(qū)動頻率和諧振電路的諧振頻率之間的偏差。
專利文獻1日本特開2002-58240號公報發(fā)明內(nèi)容根據(jù)上述專利文獻1，可消除開關單元的驅(qū)動頻率和諧振電路的諧振頻率之間的偏差。然而，DC-DC變換器如圖4所示，一般構(gòu)成為對由半導體開關元件所構(gòu)成的一對開關單元進行交替接通/斷開驅(qū)動的橋接型或半橋接型，在這種DC-DC變換器中，存在以下情況由于半導體開關元件的偏差或由電路布線的處理所產(chǎn)生的電感等而使諧振電流值發(fā)生每半周期的差異。
圖5是對一對開關單元2-1、2-2進行交替接通/斷開驅(qū)動時流動的電流的波形圖，該圖(a)是在開關單元2-1接通時流動的電流值(電流值1)和在開關單元2-2接通時流動的電流值(電流值2)相等的情況，該圖(b)是電流值1小于電流值2的情況，該圖(c)是電流值1大于電流值的情況。
當諧振電流值發(fā)生每半周期的差異時，有時由于因該差異引起的直流偏移而使電壓變換用變壓器發(fā)生飽和，使變換效率下降。為了消除因該直流偏移可能導致的變換效率下降，需要使變壓器大型化來增大其容量。
并且，由于諧振電流的直流偏移，使得在非常接近諧振電流的零交叉點的時刻維持開關單元的開關定時變得困難，難以避免開關損耗的增大。
本發(fā)明的目的是解決上述課題，提供可消除由電壓變換用變壓器的飽和可能引起的變換效率的下降，并可實現(xiàn)電壓變換用變壓器的小型化，而且可在諧振電流的零交叉點附近維持開關單元的開關定時來抑制開關損耗的DC-DC變換器。
為了解決上述課題，本發(fā)明在如下方面具有第1特征，即一種DC-DC變換器，具有一次側(cè)端子；二次側(cè)端子；變壓器，其具有一次側(cè)繞組和二次側(cè)繞組，決定電壓變換比；一對開關單元，其插入在前述一次側(cè)端子和前述一次側(cè)繞組之間；LC諧振電路，其由與前述一對開關單元串聯(lián)連接的諧振用電抗器和與該諧振用電抗器諧振的諧振用電容器構(gòu)成；以及驅(qū)動單元，其使前述一對開關單元交替接通/斷開；在該DC-DC變換器中，設置有對由前述LC諧振電路的動作所產(chǎn)生的諧振電流進行檢測的諧振電流檢測單元，以及把前述諧振電流檢測單元的檢測輸出反饋到前述驅(qū)動單元的單元；前述驅(qū)動單元根據(jù)前述諧振電流檢測單元的檢測輸出，校正接通時間來驅(qū)動前述一對開關單元，以使前述一對開關單元接通時的諧振電流相互大致相等。
并且，本發(fā)明在如下方面具有第2特征，即把前述諧振電流檢測單元設置在前述變壓器的一次側(cè)。
并且，本發(fā)明在如下方面具有第3特征，即一種DC-DC變換器，是雙向DC-DC變換器，具有低壓側(cè)端子；高壓側(cè)端子；變壓器，其具有低壓側(cè)繞組和高壓側(cè)繞組，決定電壓變換比；低壓側(cè)的一對開關單元，其插入在前述低壓側(cè)端子和前述低壓側(cè)繞組之間；高壓側(cè)的一對開關單元，其插入在前述高壓側(cè)端子和前述高壓側(cè)繞組之間；低壓側(cè)整流元件，其與前述低壓側(cè)的一對開關單元的各開關元件并聯(lián)連接；高壓側(cè)整流元件，其與前述高壓側(cè)的一對開關單元的各開關元件并聯(lián)連接；以及驅(qū)動單元，其對前述低壓側(cè)的一對開關單元的開關元件和前述高壓側(cè)的一對開關單元的開關元件進行接通/斷開驅(qū)動；在該DC-DC變換器中，在前述高壓側(cè)繞組和前述高壓側(cè)的一對開關單元之間、或者在前述低壓側(cè)繞組和前述低壓側(cè)的一對開關單元之間設置有LC諧振電路；并且設置有對由前述LC諧振電路的動作所產(chǎn)生的諧振電流進行檢測的諧振電流檢測單元，以及把前述諧振電流檢測單元的檢測輸出反饋到前述驅(qū)動單元的單元；前述驅(qū)動單元根據(jù)前述諧振電流檢測單元的檢測輸出，校正接通時間來驅(qū)動前述低壓側(cè)的一對開關單元或者前述高壓側(cè)的一對開關單元，以使前述低壓側(cè)的一對開關單元或者前述高壓側(cè)的一對開關單元接通時的諧振電流值相互大致相等。
并且，本發(fā)明在如下方面具有第4特征，即把前述LC諧振電路設置在前述高壓側(cè)繞組和前述高壓側(cè)的一對開關單元之間。
而且，本發(fā)明在如下方面具有第5特征，即前述低壓側(cè)的一對開關單元和前述高壓側(cè)的一對開關單元全都是將4個開關元件橋接而成的。
根據(jù)本發(fā)明的第1特征，由于可使流入一對開關單元的諧振電流值總是維持大致相同，因而可防止發(fā)生直流偏移。結(jié)果，由于可消除電壓變換用變壓器可能發(fā)生的飽和，因而可使用小型變壓器進行效率良好的變換。并且，由于可在諧振電流的零交叉點附近維持開關單元的開關定時，因而可抑制開關損耗。而且，即使半導體開關元件的元件常數(shù)在制造階段有偏差，或者在裝入到DC-DC變換器后該元件常數(shù)發(fā)生經(jīng)年變化或基于周圍溫度的變化等，也能把流入一對開關單元的諧振電流值自動調(diào)整為大致相同，因而電路和元件的設計變得容易。
并且，根據(jù)第2特征，由于可共用諧振電流檢測單元和驅(qū)動單元的電壓基準線，因而無需諧振電流檢測單元和驅(qū)動單元之間的絕緣。
并且，根據(jù)第3特征，通過使低壓側(cè)開關單元和高壓側(cè)開關單元按同一驅(qū)動定時進行動作，可進行雙向互換電力的變換，可消除由該情況下的直流偏移可能引起的變換效率的下降。并且，由于由開關單元的開關所產(chǎn)生的電流波形在LC諧振電路中呈正弦波狀，因而可在諧振電流的零交叉點附近設定開關元件的斷開定時。因此，可進行在零交叉點附近的開關，可大幅抑制開關損耗。
并且，根據(jù)第4特征，由于設置有LC諧振電路的高壓側(cè)的電流值小，因而可抑制LC諧振電路的損耗。
而且，根據(jù)第5特征，由于高壓側(cè)和低壓側(cè)的開關單元和整流元件構(gòu)成所謂的橋接型單相逆變器，因而可使變壓器的結(jié)構(gòu)簡化。并且，由于無需伴隨變壓器的傳送延遲等而增加開關元件的短路防止空載時間，或者縮短開關元件的驅(qū)動時間，因而可提高變換效率。
圖1是示出本發(fā)明的DC-DC變換器的原理的電路圖。
圖2是示出本發(fā)明的DC-DC變換器的實施方式的具體電路圖。
圖3是示出本發(fā)明的應用例的電路圖。
圖4是示出DC-DC變換器的原理的圖。
圖5是示出DC-DC變換器的動作的電流波形圖。
符號說明1變壓器；1-1低壓側(cè)繞組；1-2高壓側(cè)繞組；2-1、2-2、10-1、10-2開關單元；3LC諧振電路；4驅(qū)動單元(控制電路)；5諧振電流檢測用變流器；6電流值確定部；7電流值比較部；8-1、8-2低壓側(cè)端子；9-1、9-2高壓側(cè)端子；11、12平滑電容器；13發(fā)電機；14電池；15驅(qū)動用逆變器(整流電路)；16調(diào)節(jié)器；17逆變器；100雙向DC-DC變換器。
具體實施例方式
以下，參照附圖對本發(fā)明進行說明。圖1是示出本發(fā)明的DC-DC變換器的原理的電路圖。以下與圖4相同或同等部分由相同符號表示。圖1與圖4的不同點是，具有對由諧振電路3的動作所產(chǎn)生的諧振電流進行檢測的諧振電流檢測單元，并把由該單元所檢測的諧振電流值反饋到驅(qū)動單元4。諧振電流檢測單元由以下部分構(gòu)成諧振電流檢測用變流器5，其配置在例如變壓器1的一次側(cè)的諧振電流流過的線路上；電流值確定部6，其對所檢測的諧振電流值進行確定；以及電流值比較部7，其把所確定的諧振電流值與閾值進行比較，并把該結(jié)果反饋到驅(qū)動單元4。
下面，對圖1的動作進行說明。驅(qū)動單元4首先以根據(jù)諧振電路3的電路元件的元件常數(shù)所設定的諧振頻率對一對開關單元2-1、2-2進行交替接通/斷開驅(qū)動。從而進行從變壓器1的一次側(cè)到二次側(cè)的DC-DC變換。
諧振電流檢測用變流器5對流入變壓器1的一次側(cè)繞組的諧振電流進行檢測，電流值確定部6對諧振電流檢測用變流器5所檢測的諧振電流的每半周期的值進行確定，電流值比較部7把所確定的每半周期的諧振電流值與恒定閾值進行比較。電流值比較部7的比較結(jié)果被反饋到驅(qū)動單元4。
驅(qū)動單元4根據(jù)電流值比較部7的比較結(jié)果對一對開關單元2-1、2-2進行交替接通/斷開驅(qū)動。例如，如圖5(a)所示，在開關單元2-1接通時流動的電流值(電流值1)和在開關單元2-2接通時流動的電流值(電流值2)相等的情況下，按照原樣進行接通/斷開驅(qū)動，然而如圖5(b)所示，在電流值1小于電流值2的情況下，增加開關單元2-1的接通占空比(on duty)，減少開關單元2-2的接通占空比。并且，如該圖(c)所示，在電流值1大于電流值的情況下，減少開關單元2-1的接通占空比，增加開關單元2-2的接通占空比。
這樣，在一對開關單元2-1、2-2接替接通時流動的電流值被自動調(diào)整成大致相等。因此，即使構(gòu)成開關單元2-1、2-2的開關元件的元件常數(shù)在制造階段有偏差，或者在裝入到DC-DC變換器后該元件常數(shù)發(fā)生經(jīng)年變化或基于周圍溫度的變化，也能抑制諧振電流的每半周期的差異。
圖2是示出本發(fā)明的DC-DC變換器的實施方式的具體電路圖。本實施方式是作為以下的雙向DC-DC變換器而構(gòu)成的示例，該雙向DC-DC變換器在與低壓側(cè)端子8-1、8-2連接的直流電源和與高壓側(cè)端子9-1、9-2連接的直流電源之間通過變壓器1雙向互換電力。以下，有時把低壓側(cè)端子8-1、8-2側(cè)稱為一次側(cè)，把高壓側(cè)端子9-1、9-2側(cè)稱為二次側(cè)。
變壓器1包含一次側(cè)的低壓側(cè)繞組1-1和二次側(cè)的高壓側(cè)繞組1-2。該雙向DC-DC變換器的升壓比根據(jù)低壓側(cè)繞組1-1和高壓側(cè)繞組1-2的繞組比來決定。低壓側(cè)的一對開關單元2-1、2-2被插入在低壓側(cè)端子8-1、8-2和低壓側(cè)繞組1-1之間，高壓側(cè)的一對開關單元10-1、10-2被插入在高壓側(cè)端子9-1、9-2和高壓側(cè)繞組1-2之間。
一對開關單元2-1、2-2可將FET等的4個開關元件(以下記為FET)橋接而成，一對開關單元10-1、10-2也可將4個FET橋接而成。
構(gòu)成開關單元2-1、2-2、10-1、10-2的FET的各方與二極管等整流元件并聯(lián)連接。這些整流元件可以是FET的寄生二極管，也可以是另行連接的面接合型二極管。如果加上并聯(lián)連接的整流元件，則一對開關單元2-1、2-2和一對開關單元10-1、10-2分別可認為是開關/整流部。
在高壓側(cè)端子9-1、9-2和高壓側(cè)繞組1-2之間插入有LC諧振電路3。開關單元2-1、2-2、10-1、10-2的FET利用由CPU等構(gòu)成的控制電路4進行接通/斷開驅(qū)動。另外，在低壓側(cè)端子8-1、8-2之間、以及在高壓側(cè)端子9-1、9-2之間所連接的電容器11、12是輸出平滑用電容器。
在變壓器1的低壓側(cè)繞組1-1和一對開關單元2-1、2-2之間插入有諧振電流檢測用變流器5，由此產(chǎn)生的檢測輸出被提供給電流值確定部6來確定電流值，并且所確定的電流值被提供給電流值比較部7，以與恒定閾值進行比較。
由CPU等構(gòu)成的控制電路4根據(jù)電流值比較部7的比較結(jié)果，對低壓側(cè)的一對開關單元2-1、2-2的FET和高壓側(cè)的一對開關單元10-1、10-2的FET進行接通/斷開驅(qū)動。另外，電流值確定部6和電流值比較部7也能作為控制電路4的一部分由軟件構(gòu)成，電流值可通過判斷例如在諧振電流波形的峰值位置等的特定位置的大小來確定。
對圖2的動作概略進行說明。首先，在把電力從一次側(cè)(圖的左側(cè))供給到二次側(cè)(圖的右側(cè))的情況下，使低壓側(cè)的一對開關單元2-1、2-2交替接通/斷開。伴隨該接通/斷開的電流流入變壓器1的低壓側(cè)繞組1-1。
由高壓側(cè)繞組1-2所感應的電流通過LC諧振電路3被輸入到高壓側(cè)的一對開關單元10-1、10-2，由與其FET并聯(lián)連接的整流元件整流，由平滑電容器12平滑后輸出。此時流入一次側(cè)和二次側(cè)的電流由于LC諧振電路3的存在而呈正弦波狀。
并且，利用通過電流檢測用變流器5、電流值確定部6以及電流值比較部7的反饋功能，把在開關單元2-1、2-2交替接通時流動的每半周期的電流值自動調(diào)整成彼此相同的值。
以上是把電力從一次側(cè)供給到二次側(cè)的情況的動作，然而把電力從二次側(cè)供給到一次側(cè)的情況也是一樣的。并且，使一次側(cè)和二次側(cè)完全同步地、即用同一驅(qū)動信號驅(qū)動一次側(cè)和二次側(cè)來相互自動互換電力的情況也是一樣的。在該情況下，根據(jù)變壓器繞組比所產(chǎn)生的一次側(cè)和二次側(cè)的相對電壓差進行電力互換。
圖3是示出本發(fā)明的應用例的電路圖。本例是把圖2的雙向DC-DC變換器應用于使用包含發(fā)電機13的直流電源和電池14互換電力，以把電力供給到負載的系統(tǒng)的示例。發(fā)電機13是例如發(fā)動機驅(qū)動式的三相多極永磁發(fā)電機。
在本應用例中，利用通過電流檢測用變流器5、電流值確定部6以及電流值比較部7的反饋功能，把在一對開關單元交替接通時流動的每半周期的電流值自動調(diào)整成彼此相同的值。首先，在發(fā)動機起動時，使雙向DC-DC變換器100的低壓側(cè)的一對開關單元交替接通，把由此升壓的電池14的DC電壓施加給驅(qū)動用逆變器(整流電路)15。驅(qū)動用逆變器15把所施加的DC電壓變換成三相AC電壓來施加給發(fā)電機13，使發(fā)電機13作為發(fā)動機起動用電動機來起動。
當發(fā)動機起動時，發(fā)電機13由發(fā)動機驅(qū)動，驅(qū)動用逆變器15的開關動作停止。發(fā)電機13的輸出由整流電路(驅(qū)動用逆變器)15整流，由調(diào)節(jié)器16調(diào)整，并由逆變器17變換成規(guī)定頻率的交流功率來提供給負載。
當電池14的電壓下降時，只要使雙向DC-DC變換器100的高壓側(cè)的一對開關單元交替接通，就能使整流電路15的輸出通過雙向DC-DC變換器100降壓，并以降壓后的電壓給電池14充電。
當發(fā)電機13由發(fā)動機驅(qū)動時，也能完全同步驅(qū)動雙向DC-DC變換器100的低壓側(cè)的一對開關單元和高壓側(cè)的一對開關單元。這樣，可在整流電路(驅(qū)動用逆變器)15側(cè)和電池14側(cè)，根據(jù)變壓器繞組比所產(chǎn)生的一次側(cè)和二次側(cè)的相對電壓差，自動進行電力互換。
另外，本應用例是在由發(fā)動機驅(qū)動式發(fā)電機構(gòu)成的直流電源和電池之間互換電力的示例，然而不限于此，也能應用于使用電池、通常的發(fā)電機、太陽光發(fā)電、風力發(fā)電、燃料電池等適當?shù)闹绷麟娫聪到y(tǒng)互換電力的情況，例如，也能應用于使用混合型車輛等中的行駛電力系統(tǒng)和保安電裝系統(tǒng)進行電力互換的情況。
以上，對實施方式作了說明，然而本發(fā)明可進行各種變形。例如，即使取代諧振電流檢測用變流器而把電阻插入到諧振電流流動的線路上，也能檢測諧振電流。并且，電流檢測用變流器和電阻等也能設置在二次側(cè)而取代一次側(cè)，LC諧振電路也能設置在一次側(cè)而不是二次側(cè)。
權(quán)利要求
1.一種DC-DC變換器，具有一次側(cè)端子；二次側(cè)端子；變壓器，其具有一次側(cè)繞組和二次側(cè)繞組，決定電壓變換比；一對開關單元，其插入在前述一次側(cè)端子和前述一次側(cè)繞組之間；LC諧振電路，其由與前述一對開關單元串聯(lián)連接的諧振用電抗器和與該諧振用電抗器諧振的諧振用電容器構(gòu)成；以及驅(qū)動單元，其使前述一對開關單元交替接通/斷開；其特征在于，該DC-DC變換器設置有對由前述LC諧振電路的動作所產(chǎn)生的諧振電流進行檢測的諧振電流檢測單元，以及把前述諧振電流檢測單元的檢測輸出反饋到前述驅(qū)動單元的單元；前述驅(qū)動單元根據(jù)前述諧振電流檢測單元的檢測輸出，校正接通時間來驅(qū)動前述一對開關單元，以使前述一對開關單元接通時的諧振電流相互大致相等。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的DC-DC變換器，其特征在于，把前述諧振電流檢測單元設置在前述變壓器的一次側(cè)。
3.一種DC-DC變換器，是雙向DC-DC變換器，具有低壓側(cè)端子；高壓側(cè)端子；變壓器，其具有低壓側(cè)繞組和高壓側(cè)繞組，決定電壓變換比；低壓側(cè)的一對開關單元，其插入在前述低壓側(cè)端子和前述低壓側(cè)繞組之間；高壓側(cè)的一對開關單元，其插入在前述高壓側(cè)端子和前述高壓側(cè)繞組之間；低壓側(cè)整流元件，其與前述低壓側(cè)的一對開關單元的各開關元件并聯(lián)連接；高壓側(cè)整流元件，其與前述高壓側(cè)的一對開關單元的各開關元件并聯(lián)連接；以及驅(qū)動單元，其對前述低壓側(cè)的一對開關單元的開關元件和前述高壓側(cè)的一對開關單元的開關元件進行接通/斷開驅(qū)動；其特征在于，該DC-DC變換器在前述高壓側(cè)繞組和前述高壓側(cè)的一對開關單元之間、或者在前述低壓側(cè)繞組和前述低壓側(cè)的一對開關單元之間設置有LC諧振電路；并且設置有對由前述LC諧振電路的動作所產(chǎn)生的諧振電流進行檢測的諧振電流檢測單元，以及把前述諧振電流檢測單元的檢測輸出反饋到前述驅(qū)動單元的單元；前述驅(qū)動單元根據(jù)前述諧振電流檢測單元的檢測輸出，校正接通時間來驅(qū)動前述低壓側(cè)的一對開關單元或者前述高壓側(cè)的一對開關單元，以使前述低壓側(cè)的一對開關單元或者前述高壓側(cè)的一對開關單元接通時的諧振電流值相互大致相等。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的DC-DC變換器，其特征在于，把前述LC諧振電路設置在前述高壓側(cè)繞組和前述高壓側(cè)的一對開關單元之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的DC-DC變換器，其特征在于，前述低壓側(cè)的一對開關單元和前述高壓側(cè)的一對開關單元全都是將4個開關元件橋接而成的。
全文摘要
本發(fā)明提供能消除由電壓變換用變壓器的飽和可能引起的變換效率的下降，并實現(xiàn)電壓變換用變壓器的小型化，同時能抑制開關損耗以提高變換效率的DC－DC變換器。在變壓器(1)的二次側(cè)插入有LC諧振電路(3)。當使用驅(qū)動單元(4)使一對開關單元(2－1、2－2)交替接通/斷開時，通過變壓器(1)在二次側(cè)取得輸出。電流檢測用變流器(5)、電流值確定部(6)以及電流值比較部(7)對由LC諧振電路(3)的動作所產(chǎn)生的諧振電流值的每半周期的差異進行檢測。根據(jù)該檢測結(jié)果，驅(qū)動單元(4)自動調(diào)整開關單元(2－1、2－2)的接通占空比，以使每半周期的諧振電流值一致。
文檔編號H02M3/28GK1890866SQ200480036280
公開日2007年1月3日 申請日期2004年11月24日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月11日
發(fā)明者江口博之, 清水元壽 申請人:本田技研工業(yè)株式會社