電力變換裝置以及具備該電力變換裝置的車載電源裝置制造方法
【專利摘要】在進(jìn)行零電壓開關(guān)的DC/DC轉(zhuǎn)換器中，與變壓器（8）的一次側(cè)的逆變器部（15）內(nèi)的第一、第二MOSFET（5a、5b）并聯(lián)連接有電容器（6a、6b），對交流輸出線連接電感器（7）。控制電路（30）在電流（i）超過規(guī)定值的區(qū)域中，使用死區(qū)時間（td）固定的PWM控制來控制逆變器部（15），在電流（i）成為規(guī)定值以下的輕負(fù)載區(qū)域中，切換為PFM控制，以伴隨電流（i）的減少而死區(qū)時間（td）變長的方式，使頻率降低，不使占空比變化地進(jìn)行保持。
【專利說明】電力變換裝置以及具備該電力變換裝置的車載電源裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及將直流電力變換為不同的電壓的直流電力而輸出的電力變換裝置、以及具備該電力變換裝置的車載電源裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]為了削減汽車的二氧化碳排放量，強烈要求減少耗油量，以提高能量利用效率。近年來，除了以往的僅通過引擎行駛的以往汽車以外，組合了引擎和馬達(dá)發(fā)動機的混合動力汽車、僅通過馬達(dá)行駛的電動汽車等電動車輛登場，電動車輛急速普及。在電動車輛中，除了作為以往的鉛電池的低壓電池以外，為了對馬達(dá)發(fā)動機供給能量而使用了鎳氫電池、鋰離子電池等高壓電池。
[0003]在電動車輛中無發(fā)電機(交流發(fā)電機)，替代地使用以高壓電池為輸入的絕緣型DC/DC轉(zhuǎn)換器，承擔(dān)向低壓電池(鉛電池)和作為以往電氣元件的低壓系負(fù)載供給電力的作用。作為連接高壓電池與低壓電池以及低壓系負(fù)載之間的不同電壓之間的以往的電力變換裝置，有以下所示的例子。
[0004]以往的電力變換裝置具備:全橋型開關(guān)電路，設(shè)置于輸入端子與變壓器之間，包括第一及第二分支；輸出電路，設(shè)置于輸出端子與變壓器之間；以及控制電路，對開關(guān)電路進(jìn)行相位偏移控制。對開關(guān)電路內(nèi)的開關(guān)元件，分別并聯(lián)地連接二極管以及電容器，第一分支的中點經(jīng)由諧振用電感器連接到變壓器的一次繞組的一端，第二分支的中點與變壓器的一次繞組的另一端連接。
[0005]控制電路具有:電流檢測部，檢測在輸出非傳送期間中在輸入端子與開關(guān)電路之間流過的一次側(cè)電流中出現(xiàn)的脈沖分量；以及死區(qū)時間設(shè)定部，根據(jù)由電流檢測部檢測的檢測結(jié)果變更第一及第二分支的至少一方的死區(qū)時間。
[0006]專利文獻(xiàn)1:日本特開2004-140913

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]在上述以往的電力變換裝置中，進(jìn)行通過固定頻率動作來控制開關(guān)元件的ON (導(dǎo)通)/0FF (截止)比的PWM控制(Pulse Width Modulation控制:脈沖寬度調(diào)制控制)。然后，隨著減輕負(fù)載，延長分支的開關(guān)元件都成為OFF的死區(qū)時間，從而在死區(qū)時間中使開關(guān)元件的并聯(lián)電容中的電荷的充放電完成，實現(xiàn)了使開關(guān)損耗降低的軟開關(guān)動作。
[0008]但是，由于通過固定頻率動作進(jìn)行開關(guān)動作，所以如果延長死區(qū)時間，則實效的ON期間變短，無法滿足為了得到期望的輸出電壓而所需的占空比。因此，如果為了得到必要的占空比而對死區(qū)時間設(shè)置上限，則在輕負(fù)載區(qū)域中無法進(jìn)行軟開關(guān)動作而開關(guān)損耗增大。在該情況下，每當(dāng)開關(guān)元件從OFF轉(zhuǎn)移到ON動作時，使并聯(lián)電容器的兩端短路而浪費地消耗在該并聯(lián)電容器中積蓄的能量，導(dǎo)致?lián)p耗大幅增大。
[0009]本發(fā)明是為了消除上述那樣的問題而完成的，其目的在于，能夠在寬的負(fù)載范圍內(nèi)進(jìn)行半導(dǎo)體開關(guān)元件的軟開關(guān)而降低電力變換裝置的電力損耗來提高電力變換效率。另外，其第2目的在于，提供一種具備這樣的電力變換效率提高了的電力變換裝置并搭載于車輛中的車載電源裝置。
[0010]本發(fā)明的電力變換裝置具備:DC/DC轉(zhuǎn)換器和控制電路，所述DC/DC轉(zhuǎn)換器具備:逆變器部，具備2個串聯(lián)的半導(dǎo)體開關(guān)元件，并將直流電力變換為交流電力；整流電路，對該逆變器部的交流輸出進(jìn)行整流；平滑電路，使整流了的電壓平滑而對負(fù)載輸出直流電力；所述控制電路控制所述逆變器部。所述逆變器部具備:電容器，與各所述半導(dǎo)體開關(guān)元件并聯(lián)連接；以及電感器，與交流輸出線連接。而且，所述控制電路以使各所述半導(dǎo)體開關(guān)元件進(jìn)行零電壓開關(guān)的方式，根據(jù)在所述DC/DC轉(zhuǎn)換器中流過的電路電流，使作為所述2個串聯(lián)的半導(dǎo)體開關(guān)元件都成為OFF的期間的死區(qū)時間變化，在該電路電流至少在低電流區(qū)域中，使用PFM控制來控制所述逆變器部。
[0011]另外，本發(fā)明涉及的車載電源裝置具備所述電力變換裝置和行駛用馬達(dá)驅(qū)動用的電池，所述電力變換裝置的所述逆變器部從所述電池輸入直流電力。
[0012]根據(jù)本發(fā)明，控制電路根據(jù)DC/DC轉(zhuǎn)換器中流過的電路電流，使作為2個串聯(lián)的半導(dǎo)體開關(guān)元件都成為OFF的期間的死區(qū)時間變化，在該電路電流至少低電流區(qū)域中使用PFM控制來控制逆變器部。因此，即使在低電流區(qū)域中，也能夠在滿足必要的占空比的同時，以使各半導(dǎo)體開關(guān)元件成為零電壓開關(guān)的方式使死區(qū)時間變化，能夠在寬的負(fù)載范圍內(nèi)實現(xiàn)半導(dǎo)體開關(guān)元件的零電壓開關(guān)。由此，能夠大幅降低電力損耗，得到變換效率高的電力變換裝置。
[0013]另外，根據(jù)本發(fā)明，得到從行駛用馬達(dá)驅(qū)動用的電池以高的電力變換效率生成不同的直流電壓的電源并供給到負(fù)載的車載電源裝置。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1是本發(fā)明的實施方式I的電力變換裝置以及車載電源裝置的結(jié)構(gòu)圖。
[0015]圖2是本發(fā)明的實施方式I的電力變換裝置中的選通信號的波形圖。
[0016]圖3是說明本發(fā)明的實施方式I的電力變換裝置的動作的特性圖。
[0017]圖4是說明本發(fā)明的實施方式2的電力變換裝置的動作的特性圖。
[0018]圖5是說明本發(fā)明的實施方式3的電力變換裝置的動作的特性圖。
[0019]圖6是本發(fā)明的實施方式4的電力變換裝置以及車載電源裝置的結(jié)構(gòu)圖。
[0020]圖7是本發(fā)明的實施方式5的電感器的特性圖。
【具體實施方式】
[0021]實施方式1.[0022]以下，根據(jù)附圖，說明本發(fā)明的實施方式I的電力變換裝置以及車載電源裝置。
[0023]圖1是作為本發(fā)明的實施方式I的電力變換裝置的DC/DC轉(zhuǎn)換器裝置以及車載電源裝置的結(jié)構(gòu)圖。如圖1所示，車載電源裝置包括車輛的行駛用馬達(dá)驅(qū)動用的高壓的電池
1、和用于將電池I的電壓變換為不同的電壓而對負(fù)載13進(jìn)行電力供給的DC/DC轉(zhuǎn)換器裝置。DC/DC轉(zhuǎn)換器裝置具備主電路20和控制電路30，以下，將DC/DC轉(zhuǎn)換器裝置的主電路20簡稱為DC/DC轉(zhuǎn)換器20。
[0024]DC/DC轉(zhuǎn)換器20具備:被絕緣的變壓器8 ;逆變器部15，與該變壓器8的一次側(cè)連接而將輸入端子2a-2b之間的直流電壓變換為交流電壓；整流電路10，與變壓器8的二次側(cè)連接；以及平滑電路12，使整流了的電壓平滑而輸出到輸出端子2c-2d之間。
[0025]逆變器部15由具有在直流母線之間串聯(lián)連接的第一分壓用電容器4a、第二分壓用電容器4b、以及作為2個串聯(lián)的半導(dǎo)體開關(guān)元件的第一 M0SFET5a (場效應(yīng)晶體管)、第二M0SFET5b (場效應(yīng)晶體管)的半橋逆變器構(gòu)成。第一 M0SFET5a、第二 M0SFET5b分別逆并聯(lián)連接有二極管。另外，該二極管也可以使用元件內(nèi)置的寄生二極管。該逆變器部15是能夠使第一 M0SFET5a、第二 M0SFET5b的開關(guān)時的元件的兩端電壓基本上成為零電壓的零電壓開關(guān)電路，對第一 M0SFET5a、第二 M0SFET5b分別并聯(lián)地連接有第一電容器6a、第二電容器6b。另外，對第一 M0SFET5a、第二 M0SFET5b與變壓器8的一次繞組8a之間的交流輸出線連接電感器7。
[0026]另外，整流電路10由二極管10a、IOb構(gòu)成，平滑電路12由電感器9a、9b以及平滑電容器11構(gòu)成。
[0027]進(jìn)而，檢測作為在DC/DC轉(zhuǎn)換器20中流過的電路電流的電流i的電流檢測器3在該情況下，設(shè)置于逆變器部15的輸入側(cè)的直流母線上。
[0028]在DC/DC轉(zhuǎn)換器20的外部，配置對逆變器部15進(jìn)行輸出控制的控制電路30。對控制電路30輸入輸出端子2c、2d的各電位VH、VL、和由電流檢測器3檢測出的電流i，生成并輸出向逆變器部15的第一 M0SFET5a、第二 M0SFET5b的第一選通信號30a、第二選通信號30b。
[0029]以下示出車載電源裝置的各部分的連接的詳細(xì)內(nèi)容。
[0030]電池I連接于輸入端子2a_2b之間。輸入端子2a與電流檢測器3的一端連接，電流檢測器3的另一端與第一分壓用電容器4a的第一端子以及第一 M0SFET5a的漏極端子分別連接。輸入端子2b與第二分壓用電容器4b的第一端子以及第二 M0SFET5b的源極端子分別連接。第一分壓用電容器4a的第二端子和第二分壓用電容器4b的第二端子相互連接，第一 M0SFET5a的源極端子和第二 M0SFET5b的漏極端子相互連接。第一 M0SFET5a與第二M0SFET5b的連接點和電感器7的一端連接，電感器7的另一端和變壓器8的一次繞組8a的第一端子連接。第一電容器6a連接于第一 M0SFET5a的漏極-源極之間，第二電容器6b連接于第二 M0SFET5b的漏極-源極之間。
[0031]變壓器8的一次繞組8a的第二端子、和第一分壓用電容器4a以及第二分壓用電容器4b的連接點連接。變壓器8的二次繞組Sb的第一端子、和電感器9a的第一端子以及二極管IOa的陰極端子分別連接，變壓器8的二次繞組Sb的第二端子、和電感器9b的第一端子以及二極管IOb的陰極端子分別連接。平滑電容器11連接于輸出端子2c-2d之間。各電感器9a、9b的第二端子與平滑電容器11的一端分別連接，對平滑電容器11的另一端分別連接各二極管10a、10b的陰極端子。另外，負(fù)載13連接于輸出端子2c-2d之間。
[0032]控制電路30連接有第一 M0SFET5a、第二 M0SFET5b的柵極端子，并且與輸出端子2c、2d以及電流檢測器3連接。
[0033]以下，說明這樣構(gòu)成的車載電源裝置的動作。
[0034]如果電池I的電壓Vin連接于輸入端子2a_2b之間，則通過第一分壓用電容器4a以及第二分壓用電容器4b被分壓為各1/2.Vin0圖2是示出向逆變器部15的第一M0SFET5a、第二M0SFET5b的第一選通信號30a、第二選通信號30b的圖，第一M0SFET5a以及第二 M0SFET5b互補地反復(fù)ON/OFF動作。將第一 M0SFET5a以及第二 M0SFET5b都成為OFF的期間設(shè)為死區(qū)時間td。另外，在圖2中，Ts是開關(guān)的周期、Ton是各第一 M0SFET5a、第二M0SFET5b的ON期間、Toff是半周期Ts/2中的各第一 M0SFET5a、第二 M0SFET5b的Ton后的OFF期間,在該情況下，Toff=td。
[0035]首先，在第一 M0SFET5a是ON狀態(tài)且第二 M0SFET5b是OFF狀態(tài)時，在變壓器8的一次側(cè)，通過第一分壓用電容器4a —第一 M0SFET5a —電感器7 —變壓器一次繞組8a的路徑流過電流，對變壓器一次繞組8a施加1/2.Vin的電壓。其結(jié)果，在變壓器8的二次側(cè)，在變壓器二次繞組8b中感應(yīng)由變壓器匝數(shù)比決定的電壓，通過變壓器二次繞組8b —電感器9a—平滑電容器11 — 二極管IOb的路徑流過電流，從變壓器8的一次側(cè)向二次側(cè)進(jìn)行電力傳輸。
[0036]接下來，如果第一 M0SFET5a成為OFF而進(jìn)入死區(qū)時間td期間，則電感器7具有想要使電流持續(xù)流過的特性，所以在變壓器8的一次側(cè)，通過電感器7 —變壓器一次繞組8a —第一分壓用電容器4a —電容器6a的路徑、和電感器7 —變壓器一次繞組8a —第二分壓用電容器4b —電容器6b的路徑流過電流。此時，關(guān)于第一 M0SFET5a的兩端電壓，通過電容器6a的作用，能夠使電壓的上升變慢，這樣的開關(guān)一般被稱為零電壓開關(guān)，開關(guān)損耗被基本上降低為零。
[0037]另外，電容器6a與電容器6b的各電壓的和等于作為第一分壓用電容器4a、第二分壓用電容器4b的電壓和的Vin，所以根據(jù)電容器6a的兩端電壓的上升，電容器6b的兩端電壓下降。該狀態(tài)繼續(xù)，直至電容器6a的電壓基本上等于第一分壓用電容器4a、第二分壓用電容器4b的電壓和Vin，電容器6b的電壓基本上成為零為止。
[0038]另外，此時，在變壓器8的二次側(cè)，通過電感器9a—平滑電容器11 — 二極管IOa的路徑、和電感器9b —平滑電容器11 — 二極管IOb的路徑流過電流。
[0039]接下來，如果電容器6a的電壓基本上等于Vin，電容器6b的電壓基本上成為零，則在變壓器8的一次側(cè)，通過電感器7 —變壓器一次繞組8a —第二分壓用電容器4b —第二M0SFET5b的逆并聯(lián)二極管的路徑流過電流。
[0040]接下來，雖然第二 M0SFET5b成為0N，但此時，對第二 M0SFET5b的兩端施加的電壓(電容器6b的電壓)基本上是零，成為零電壓開關(guān)，第二 M0SFET5b的開關(guān)損耗基本上是零。
[0041]另外，在第一 M0SFET5a是OFF狀態(tài)且第二 M0SFET5b是ON狀態(tài)時，在變壓器8的一次側(cè)，通過第二分壓用電容器4b —變壓器一次繞組8a —電感器7 —第二 M0SFET5b的路徑流過電流，向變壓器一次繞組8a施加-1/2-Vin的電壓。其結(jié)果，在變壓器8的二次側(cè)，在變壓器二次繞組8b中感應(yīng)由變壓器匝數(shù)比決定的電壓，通過變壓器二次繞組Sb —電感器9b —平滑電容器11 — 二極管IOa的路徑流過電流，從變壓器8的一次側(cè)向二次側(cè)進(jìn)行電力傳輸。
[0042]接下來，如果第二 M0SFET5b成為OFF而進(jìn)入死區(qū)時間td期間，則通過希望使電流持續(xù)流過的電感器7的特性，在變壓器8的一次側(cè)，通過電感器7 —電容器6b —第二分壓用電容器4b —變壓器一次繞組8a的路徑、和電感器7 —電容器6a —第一分壓用電容器4a—變壓器一次繞組8a的路徑流過電流。此時，關(guān)于第二M0SFET5b的兩端電壓，通過電容器6b的作用，能夠使電壓的上升變慢，成為利用零電壓開關(guān)的OFF。
[0043]另外，根據(jù)電容器6b的兩端電壓的上升，電容器6a的兩端電壓下降，該狀態(tài)繼續(xù)，直至電容器6b的電壓基本上等于第一分壓用電容器4a、第二分壓用電容器4b的電壓和Vin,電容器6a的電壓基本上成為零為止。
[0044]另外，此時，在變壓器8的二次側(cè)，通過電感器9a—平滑電容器11 — 二極管IOa的路徑、和電感器9b —平滑電容器11 — 二極管IOb的路徑流過電流。
[0045]接下來，如果電容器6b的電壓基本上等于Vin，電容器6a的電壓基本上成為零，則在變壓器8的一次側(cè)，通過電感器7 —第一 M0SFET5a的逆并聯(lián)二極管一第一分壓用電容器4a —變壓器一次繞組8a的路徑流過電流。
[0046]之后，第一 M0SFET5a成為0N，而返回第一 M0SFET5a是ON狀態(tài)且第二 M0SFET5b是OFF狀態(tài)時。此時，對第一 M0SFET5a的兩端施加的電壓(電容器6a的電壓)也基本上是零，成為零電壓開關(guān)，第一 M0SFET5a的開關(guān)損耗基本上是零。
[0047]在上述那樣的第一 M0SFET5a、第二 M0SFET5b的零電壓開關(guān)時，與各第一M0SFET5a、第二 M0SFET5b并聯(lián)連接的電容器6a、6b發(fā)揮作用。為了使各第一 M0SFET5a、第二 M0SFET5b的零電壓開關(guān)成立，需要在開關(guān)中的死區(qū)時間td期間中，電容器6a、6b的電壓增加至第一分壓用電容器4a、第二分壓用電容器4b的電壓和Vin、或者降低至零電壓附近。以下，將通過第一 M0SFET5a、第二 M0SFET5b的0N/0FF而電容器6a、6b的電壓增加至第一分壓用電容器4a、第二分壓用電容器4b的電壓和Vin、或者降低至零電壓附近而所需的時間稱為電容器6a、6b的充放電完成時間。
[0048]電容器6a、6b的電壓通過作為對電容器6a、6b進(jìn)行充放電的電流的電感器7的電流而變化。因此，在負(fù)載13變輕而DC/DC轉(zhuǎn)換器20的輸出電力小的情況、即電感器7的電流降低的情況下，電容器6a、6b的充放電完成時間增大。
[0049]圖3是說明逆變器部15的第一M0SFET5a、第二M0SFET5b的控制以及動作的圖。如圖3所示，控制電路30根據(jù)來自電流檢測器3的電流i而切換控制。電感器7的電流依賴于負(fù)載電流，來自電流檢測器3的電流i也同樣地依賴于負(fù)載電流，所以可以說電容器6a、6b的電壓通過依賴于負(fù)載電流的電流i而變化。
[0050]控制電路30在電流i超過規(guī)定值ia的區(qū)域、即負(fù)載13是中負(fù)載?額定負(fù)載的負(fù)載區(qū)域中，使用PWM控制來控制逆變器部15，如果電流i成為規(guī)定值ia以下、即負(fù)載13成為比規(guī)定負(fù)載輕的輕負(fù)載區(qū)域，則切換為PFM控制(Pulse Frequency Modulation,脈沖頻率調(diào)制控制)。
[0051 ] 在頻率是恒定的PWM控制中，死區(qū)時間td固定，但在低電流區(qū)域中的PFM控制中，以伴隨電流i的減少而死區(qū)時間td變長的方式使頻率降低。于是，不使得到期望的輸出電壓的占空比變化而保持。
[0052]如上所述，在負(fù)載13變輕而DC/DC轉(zhuǎn)換器20的輸出電力小的情況、即電流i降低的情況下，第一 M0SFET5a、第二 M0SFET5b開關(guān)時的電容器6a、6b的充放電完成時間增大。在該實施方式中，如果電流i成為規(guī)定值ia以下，則切換為PFM控制，伴隨電流i的減少，延長死區(qū)時間td而對第一 M0SFET5a、第二 M0SFET5b進(jìn)行開關(guān)控制。該死區(qū)時間td被設(shè)定為比伴隨電流i的減少而增大的電容器6a、6b的充放電完成時間長。
[0053]由此，在寬的負(fù)載范圍中，在第一 M0SFET5a、第二 M0SFET5b的開關(guān)中的死區(qū)時間td期間中，電容器6a、6b的電壓能夠增加至第一分壓用電容器4a、第二分壓用電容器4b的電壓和Vin、或者降低至零電壓附近，能夠可靠性良好地穩(wěn)定地進(jìn)行零電壓開關(guān)。由此，能夠大幅降低電力損耗，得到變換效率高的DC/DC轉(zhuǎn)換器裝置、以及使用了該DC/DC轉(zhuǎn)換器裝置的車載電源裝置。
[0054]另外，在上述實施方式中，電流檢測器3與逆變器部15的輸入側(cè)的直流母線連接而檢測輸入電流，但只要是檢測DC/DC轉(zhuǎn)換器20中流過的電流、且依賴于負(fù)載電流而變化的電流的結(jié)構(gòu)，則不限于此。
[0055]另外，在上述實施方式I中，作為2個串聯(lián)的半導(dǎo)體開關(guān)元件5a、5b使用MOSFET進(jìn)行了說明，但即使使用雙極性晶體管、或者絕緣型雙極性晶體管(IGBT)、或者碳化硅晶體管、或者通過寬帶隙半導(dǎo)體形成的MOSFET也得到同樣的效果。
[0056]寬帶隙半導(dǎo)體是帶隙比硅大的半導(dǎo)體，有例如碳化硅、氮化鎵系材料或者金剛石。通過這樣的寬帶隙半導(dǎo)體形成的開關(guān)元件的耐電壓性高、且容許電流密度也高，所以能夠?qū)崿F(xiàn)開關(guān)元件的小型化，通過使用這些小型化的開關(guān)元件，能夠促進(jìn)車載電源裝置的小型化。電力損耗更低，所以能夠?qū)崿F(xiàn)開關(guān)元件的高效化，實現(xiàn)車載電源裝置的高效化。
[0057]另外，由寬帶隙半導(dǎo)體構(gòu)成的開關(guān)元件的耐熱性也高，所以能夠?qū)崿F(xiàn)通常在車載電源裝置中并列設(shè)置的散熱器的散熱片的小型化、水冷卻部分的空氣冷卻化，所以能夠使車載電源裝置進(jìn)一步小型化。
[0058]另外，在上述實施方式I中，將電感器7設(shè)為獨立的元件而進(jìn)行了說明，但也可以使用變壓器8的漏電感，得到同樣的效果。
[0059]進(jìn)而另外，關(guān)于與第一 M0SFET5a、第二 M0SFET5b分別并聯(lián)連接的第一電容器6a、第二電容器6b，也可以使用在第一 M0SFET5a以及第二 M0SFET5b的兩端中寄生的寄生電容，得到同樣的效果。
[0060]另外，在上述實施方式I`中，通過半橋逆變器構(gòu)成了逆變器部15，但還能夠應(yīng)用于其以外的各種逆變器電路而得到同樣的效果。
[0061]另外，在上述實施方式I中，在變壓器8的二次側(cè)的電路結(jié)構(gòu)中使用倍電流整流電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行了說明，但也可以設(shè)為中心抽頭整流、二極管橋整流的電路結(jié)構(gòu)而得到同樣的效果。
[0062]另外，在上述實施方式I中，示出了作為整流電路10使用了二極管10a、10b的二極管整流，但也可以具備半導(dǎo)體開關(guān)元件而構(gòu)成同步整流電路。在該情況下，控制電路30使整流電路內(nèi)的半導(dǎo)體開關(guān)元件與逆變器部15的第一 M0SFET5a、第二 M0SFET5b同步地進(jìn)行開關(guān)控制。由此，能夠降低整流電路中的導(dǎo)通損耗。
[0063]另外，通過用寬帶隙半導(dǎo)體形成整流電路內(nèi)的半導(dǎo)體開關(guān)元件，能夠進(jìn)一步降低損耗且實現(xiàn)小型化、高效化。
[0064]另外，在上述實施方式I中，圖示了在逆變器部15的PFM控制期間中，死區(qū)時間td伴隨電流降低而直線地增大的例子，但也可以通過曲線或者階段狀等增大，只要設(shè)定為比伴隨電流降低而增大的電容器6a、6b的充放電完成時間更長即可。
[0065]另外，在上述實施方式I中，示出了將DC/DC轉(zhuǎn)換器裝置應(yīng)用于車載電源裝置中的例子，但還能夠應(yīng)用于車輛用以外而得到同樣的效果。另外，DC/DC轉(zhuǎn)換器裝置也可以設(shè)為沒有用于絕緣的變壓器8的結(jié)構(gòu)。
[0066]實施方式2.[0067]接下來，說明本發(fā)明的實施方式2。[0068]在該實施方式2中，使用上述實施方式I的圖1所示的同樣的電路結(jié)構(gòu)的電力變換裝置以及車載電源裝置，向控制電路30輸入輸出端子2c、2d的各電位VH、VL、和通過電流檢測器3檢測出的電流i，向逆變器部15的第一 M0SFET5a、第二 M0SFET5b，生成并輸出圖2所示的同樣的第一選通信號30a、第二選通信號30b。在該情況下，由控制電路30執(zhí)行的第一 M0SFET5a、第二 M0SFET5b的控制的方法與上述實施方式I不同，以下示出。
[0069]圖4是說明實施方式2的逆變器部15的第一 M0SFET5a、第二 M0SFET5b的控制以及動作的圖。如圖4所示，控制電路30在電流i超過規(guī)定值ib的區(qū)域、即負(fù)載13是中負(fù)載~額定負(fù)載的負(fù)載區(qū)域中，使用PWM控制來控制逆變器部15，如果電流i成為規(guī)定值ib以下、即負(fù)載13成為比規(guī)定負(fù)載輕的輕負(fù)載區(qū)域，則切換為PFM控制。
[0070]通常，在用于得到期望的輸出電壓的占空比中有某種程度的余量，即使在頻率是恒定的PWM控制中，在容許占空比的范圍內(nèi)，以伴隨電流i的減少而使死區(qū)時間td變長的方式，控制第一 M0SFET5a、第二 M0SFET5b。另外，在低電流區(qū)域中的PFM控制中，以伴隨電流i的減少而使死區(qū)時間td變長的方式使頻率降低，不使占空比變化而保持。
[0071]該死區(qū)時間td被設(shè)定為比伴隨電流i的減少而增大的電容器6a、6b的充放電完成時間長。
[0072]如上所述，在負(fù)載13變輕而DC/DC轉(zhuǎn)換器20的輸出電力小的情況下、即當(dāng)電流i降低時，雖然第一 M0SFET5a、第二 M0SFET5b開關(guān)時的電容器6a、6b的充放電完成時間增大，但以使死區(qū)時間td比該充放電完成時間長的方式進(jìn)行設(shè)定，來控制第一 M0SFET5a、第二 M0SFET5b。
[0073]由此，在寬的負(fù)載范圍中，在第一 M0SFET5a、第二 M0SFET5b的開關(guān)中的死區(qū)時間td期間中，電容器6a、6b的電壓能夠增加至第一分壓用電容器4a、第二分壓用電容器4b的電壓和Vin、或者降低至零電壓附近，能夠可靠性良好地穩(wěn)定地進(jìn)行零電壓開關(guān)。由此，與上述實施方式I同樣地，能夠大幅降低電力損耗，得到變換效率高的DC/DC轉(zhuǎn)換器裝置、以及使用了該DC/DC轉(zhuǎn)換器裝置的車載電源裝置。
[0074]另外，能夠應(yīng)用于上述實施方式I的各種變形例也能夠同樣地適用，得到同樣的效果。
[0075]實施方式3.[0076]接下來，說明本發(fā)明的實施方式3。
[0077]在該實施方式3中，也使用與上述實施方式I同樣的電路結(jié)構(gòu)的電力變換裝置以及車載電源裝置，由控制電路30執(zhí)行的第一M0SFET5a、第二M0SFET5b的控制的方法與上述實施方式I不同。
[0078]圖5是說明實施方式3的逆變器部15的第一 M0SFET5a、第二 M0SFET5b的控制以及動作的圖。如圖5所示，控制電路30通過PFM控制對第一 M0SFET5a、第二 M0SFET5b進(jìn)行控制。另外，以伴隨電流i的減少使死區(qū)時間td變長的方式使頻率降低，不使得到期望的輸出電壓的占空比變化而進(jìn)行保持。該死區(qū)時間td被設(shè)定為比伴隨電流i的減少而增大的電容器6a、6b的充放電完成時間長。
[0079]如上所述，在負(fù)載13變輕而DC/DC轉(zhuǎn)換器20的輸出電力小的情況、即當(dāng)電流i降低時，雖然第一 M0SFET5a、第二 M0SFET5b開關(guān)時的電容器6a、6b的充放電完成時間增大，但以使死區(qū)時間td比該充放電完成時間長的方式進(jìn)行設(shè)定，來控制第一 M0SFET5a、第二M0SFET5bo
[0080]由此，在寬的負(fù)載范圍中，在第一 M0SFET5a、第二 M0SFET5b的開關(guān)中的死區(qū)時間td期間中，電容器6a、6b的電壓能夠增加至第一分壓用電容器4a、第二分壓用電容器4b的電壓和Vin、或者降低至零電壓附近，能夠可靠性良好地穩(wěn)定地進(jìn)行零電壓開關(guān)。由此，與上述實施方式I同樣地，能夠大幅降低電力損耗，得到變換效率高的DC/DC轉(zhuǎn)換器、以及使用了該DC/DC轉(zhuǎn)換器的車載電源裝置。
[0081]另外，能夠應(yīng)用于上述實施方式I的各種變形例能夠同樣地適用，得到同樣的效
果O
[0082]實施方式4.[0083]接下來，說明本發(fā)明的實施方式4。
[0084]圖6是作為本發(fā)明的實施方式4的電力變換裝置的DC/DC轉(zhuǎn)換器裝置以及車載電源裝置的結(jié)構(gòu)圖。如圖6所示，向控制電路30，輸入輸出端子2c、2d的各電位VH、VL、通過電流檢測器3檢測出的電流1、以及第二 M0SFET5b的漏極端子、源極端子的各電位Vd、Vs,向逆變器部15的第一 M0SFET5a、第二 M0SFET5b生成并輸出第一選通信號30a、第二選通信號30b。其他結(jié)構(gòu)與上述實施方式I相同。
[0085]控制電路30的基本的控制與上述實施方式I相同。在電流i超過規(guī)定值ia的區(qū)域、即負(fù)載13是中負(fù)載~額定負(fù)載的負(fù)載區(qū)域中，使用PWM控制，固定死區(qū)時間td來控制逆變器部15，如果電流i成為規(guī)定值ia以下、即負(fù)載13成為比規(guī)定負(fù)載輕的輕負(fù)載區(qū)域，則切換為PFM控制。另外，在低電流區(qū)域中的PFM控制中，以伴隨電流i的減少而使死區(qū)時間td變長的方式，使頻率降低。另外，不使得到期望的輸出電壓的占空比變化而進(jìn)行保持。
[0086]在該情況下，在控制電路30中，根據(jù)第二 M0SFET5b的漏極端子、源極端子的各電位Vd、Vs，檢測并監(jiān)視第二 M0SFE`T5b的兩端電壓，根據(jù)該兩端電壓，以使第一 M0SFET5a、第二 M0SFET5b進(jìn)行零電壓開關(guān)的方式，調(diào)整第一 M0SFET5a、第二 M0SFET5b的開關(guān)。第一M0SFET5a、第二 M0SFET5b進(jìn)行零電壓開關(guān)是在電容器6a、6b的電壓、即第一 M0SFET5a、第二 M0SFET5b的兩端電壓基本上等于第一分壓用電容器4a、第二分壓用電容器4b的電壓和Vin、或基本上等于O時進(jìn)行。因此，監(jiān)視第二 M0SFET5b的兩端電壓，以在該電壓基本上等于Vin、或基本上等于O時使第一 M0SFET5a、第二 M0SFET5b成為0N/0FF的方式，調(diào)整開關(guān)的定時。
[0087]由此，能夠得到與上述實施方式I同樣的效果，并且第一 M0SFET5a、第二 M0SFET5b能可靠地進(jìn)行零電壓開關(guān)，能夠進(jìn)一步降低電力損耗，得到變換效率高的DC/DC轉(zhuǎn)換器裝置、以及使用了該DC/DC轉(zhuǎn)換器裝置的車載電源裝置。
[0088]另外，在上述實施方式4中，示出了控制電路30的基本的控制與上述實施方式I相同的情況，但也可以與上述實施方式2或者3同樣地，第一 M0SFET5a、第二 M0SFET5b都能夠可靠地進(jìn)行零電壓開關(guān)，能夠進(jìn)一步降低電力損耗，得到變換效率高的DC/DC轉(zhuǎn)換器裝置、以及使用了該DC/DC轉(zhuǎn)換器裝置的車載電源裝置。
[0089]另外，能夠應(yīng)用于上述實施方式I的各種變形例能夠同樣地適用，得到同樣的效
果O
[0090]實施方式5.[0091]接下來，說明本發(fā)明的實施方式5。[0092]在該實施方式5中，使用在上述各實施方式I?4中使電感器7具有可變特性的例子。圖7是實施方式5的電感器7的特性圖，根據(jù)電流使電感可變，如果電流增加，則使電感減少。
[0093]在電感恒定的情況下，如果DC/DC轉(zhuǎn)換器20中流過的電流增加，則第一M0SFET5a、第二 M0SFET5b開關(guān)時的電感器7中的換流時間增大。在該實施方式中，電感器7伴隨電流的增加而使電感減少，所以能夠縮短換流時間。因此，DC/DC轉(zhuǎn)換器20進(jìn)一步降低損耗且提高電力變換效率。
[0094]另外，利用電感器7的換流來進(jìn)行零電壓開關(guān)，在該情況下，在死區(qū)時間td的設(shè)定中，根據(jù)電流1、和依據(jù)電流i而變化的電感器7的電感這雙方，在例如PFM控制中使頻率非線性地變化，從而設(shè)定為能夠進(jìn)行零電壓開關(guān)、并且得到期望的輸出電壓。由此，能夠可靠地進(jìn)行零電壓開關(guān)，并且能夠使動作頻率的下限值上升，所以能夠使DC/DC轉(zhuǎn)換器20內(nèi)的磁性部件小型化。
[0095]另外，本發(fā)明能夠在本發(fā)明的范圍內(nèi)，自由地組合各實施方式、或者對各實施方式適宜地進(jìn)行變形、省略。
【權(quán)利要求】
1.一種電力變換裝置，具備: DC/DC轉(zhuǎn)換器和控制電路， 所述DC/DC轉(zhuǎn)換器具備: 逆變器部，具備2個串聯(lián)的半導(dǎo)體開關(guān)元件，并將直流電力變換為交流電力； 整流電路，對該逆變器部的交流輸出進(jìn)行整流； 平滑電路，使整流了的電壓平滑而對負(fù)載輸出直流電力； 所述控制電路控制所述逆變器部， 所述逆變器部具備: 電容器，與各所述半導(dǎo)體開關(guān)元件并聯(lián)連接；以及 電感器，與交流輸出線連接， 所述控制電路以使各所述半導(dǎo)體開關(guān)元件進(jìn)行零電壓開關(guān)的方式，根據(jù)在所述DC/DC轉(zhuǎn)換器中流過的電路電流，使作為所述2個串聯(lián)的半導(dǎo)體開關(guān)元件都截止的期間的死區(qū)時間變化，在該電路電流成為至少規(guī)定值以下的區(qū)域中，使用PFM控制來控制所述逆變器部。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電力變換裝置，其特征在于， 所述控制電路在所述電路電流超過所述規(guī)定值的區(qū)域中使用PWM控制來控制所述逆變器部，如果所述電路電流成為所述規(guī)定值以下，則切換為PFM控制。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或者2所述的電力變換裝置，其特征在于， 所述控制電路當(dāng)所述電路電流減少時使所述死區(qū)時間增大。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或者2所述的電力變換裝置，其特征在于，具備: 電流檢測器，檢測所述DC/DC轉(zhuǎn)換器中流過的電路電流。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或者2所述的電力變換裝置，其特征在于， 在所述逆變器部的直流母線之間具備對所輸入的直流電壓進(jìn)行分壓的2個串聯(lián)的分壓用電容器，由半橋逆變器構(gòu)成了所述逆變器部。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或者2所述的電力變換裝置，其特征在于，具備: 變壓器，與所述逆變器部的交流側(cè)連接， 該變壓器的一次繞組、所述電感器、以及所述交流輸出線被串聯(lián)連接，該變壓器的二次繞組與所述整流電路連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或者2所述的電力變換裝置，其特征在于， 檢測所述2個串聯(lián)的半導(dǎo)體開關(guān)元件的一方的兩端電壓， 所述控制電路根據(jù)所檢測出的電壓，調(diào)整所述2個串聯(lián)的半導(dǎo)體開關(guān)元件的開關(guān)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或者2所述的電力變換裝置，其特征在于， 所述電感器根據(jù)所述電路電流使電感可變，如果所述電路電流增加，則使所述電感減少。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或者2所述的電力變換裝置，其特征在于， 所述整流電路具備半導(dǎo)體開關(guān)元件， 所述控制電路使所述整流電路內(nèi)的所述半導(dǎo)體開關(guān)元件與所述逆變器部的所述2個串聯(lián)開關(guān)元件同步地進(jìn)行開關(guān)控制。
10.根據(jù)權(quán)利要求1或者2所述的電力變換裝置，其特征在于， 所述整流電路內(nèi)的所述半導(dǎo)體開關(guān)元件通過帶隙比硅寬的寬帶隙半導(dǎo)體形成。
11.根據(jù)權(quán)利要求1或者2所述的電力變換裝置，其特征在于， 所述逆變器部內(nèi)的各所述半導(dǎo)體開關(guān)元件通過帶隙比硅寬的寬帶隙半導(dǎo)體形成。
12.—種車載電源裝置，具備電力變換裝置以及行駛用馬達(dá)驅(qū)動用的電池， 該電力變換裝置具有: DC/DC轉(zhuǎn)換器和控制電路， 所述DC/DC轉(zhuǎn)換器具備: 逆變器部，具備2個串聯(lián)的半導(dǎo)體開關(guān)元件，并將直流電力變換為交流電力； 整流電路，對該逆變器部的交流輸出進(jìn)行整流； 平滑電路，使整流了的電壓平滑而對負(fù)載輸出直流電力； 所述控制電路控制所述逆變器部， 所述逆變器部具備:電容器，與各所述半導(dǎo)體開關(guān)元件并聯(lián)連接；以及電感器，與交流輸出線連接，所述逆變器部被從所述電池輸入直流電力， 所述控制電路以使各所述半導(dǎo)體開關(guān)元件進(jìn)行零電壓開關(guān)的方式，根據(jù)在所述DC/DC轉(zhuǎn)換器中流過的電路電流，使作為所述2個串聯(lián)的半導(dǎo)體開關(guān)元件都截止的期間的死區(qū)時間變化，在該電路電流成為至少規(guī)定`值以下的區(qū)域中，使用PFM控制來控制所述逆變器部。
【文檔編號】H02M3/28GK103503292SQ201280018831
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2012年2月6日 優(yōu)先權(quán)日:2011年4月18日
【發(fā)明者】竹島由浩, 山田正樹, 矢野拓人 申請人:三菱電機株式會社