(57)【要約】【課題】バッテリの充放電を可能とする双方向ＤＣ／ＤＣコンバータに関し、連続的に充電と放電との切替えを可能とする。【解決手段】直流電源部２とバッテリ３との間に接続した第１のスイッチング素子ＳＷ１とチョークコイルＬ１と、スイッチング素子ＳＷ１と並列に接続した第１のダイオードＤ１と、バッテリ３と並列的に接続した第２のコンデンサＣ２と、スイッチング素子ＳＷ１とチョークコイルＬ１との接続点に接続した第２のスイッチング素子ＳＷ２と、これに並列に接続し、バッテリ３の電圧に対して逆方向を順方向とした第２のダイオードＤ２と、スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２とを相補的にオン、オフ制御する制御部４とを備え、制御部４は、基準電圧の制御に従ってスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２を相補的にオン、オフ制御し、且つそれぞれデッドタイム後にオンに制御する構成を有する。【選択図】図１
2010206883.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源部との間でバッテリの充電及び放電を制御する双方向ＤＣ−ＤＣコンバータに於いて、
前記直流電源部と前記バッテリとの間に直列的に接続した第１のスイッチング素子とチョークコイルと、前記第１のスイッチング素子と並列に接続し、前記バッテリから前記直流電源部の方向を順方向とした第１のダイオードと、前記バッテリと並列的に接続した第２のコンデンサと、前記第１のスイッチング素子と前記チョークコイルとの接続点に接続した第２のスイッチング素子と、該第２のスイッチング素子と並列に接続し、前記バッテリの電圧に対して逆方向を順方向とした第２のダイオードと、前記第１のスイッチング素子と前記第２のスイッチング素子とを相補的にオン、オフ制御する制御部とを備え、
前記制御部は、基準電圧の制御に従って前記第１のスイッチング素子のオン、オフと、前記第２のスイッチング素子のオン、オフとを制御すると共に、それぞれデッドタイム後にオンに制御する構成を有することを特徴とする双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ。
【請求項２】
前記制御部は、鋸歯状波発生部からの鋸歯状波信号と制御可能の基準電圧との比較によりパルス幅を制御された信号を出力するパルス幅制御部と、該パルス幅制御部の出力信号の立上り時点からデッドタイム後に前記第１のスイッチング素子をオンとする第１のゲート回路と、前記パルス幅制御部の出力信号の立下り時点からデッドタイム後に前記第２のスイッチング素子をオンとする第２のゲート回路とを備えたことを特徴とする請求項１記載の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ハーフブリッジ接続構成のトランジスタ等のスイッチング素子のオン、オフのタイミング制御により、一方向から他方向へ又は他方向から一方向へのＤＣ−ＤＣ変換を行う双方向ＤＣ−ＤＣコンバータに関する。
【背景技術】
【０００２】
バッテリに対して充電する方向と放電する方向とを切替える双方向ＤＣ−ＤＣコンバータが知られており、例えば、図４に示す構成を有するものである。同図に於いて、４１は双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ、４２は直流電源部（ＡＣ−ＤＣ）、４３はバッテリ（ＢＡＴＴ）を示し、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ４１は、ＦＥＴ等のトランジスタからなるスイッチング素子ＳＷ１１，ＳＷ１２と、制御部４４（ＣＯＮＴ１），４５（ＣＯＮＴ２）と、ダイオードＤ１１，Ｄ１２とチョークコイルＬ１１，Ｌ１２と、コンデンサＣ１１，Ｃ１２とを含む構成を有し、直流電源部４２は、例えば、交流電圧を所望の電圧として整流する構成を有する場合を示す。
【０００３】
この直流電源部４２からバッテリ４３を充電する場合、充電制御信号（充電）により制御部４４（ＣＯＮＴ１）からスイッチング素子ＳＷ１１をオン、オフ制御して、スイッチング素子ＳＷ１１とダイオードＤ１１とチョークコイルＬ１１とコンデンサＣ１２とによる降圧コンバータとして動作させ、バッテリ４３を充電する。このバッテリ４３の充電制御中は、スイッチング素子ＳＷ１２をオフ状態に維持する。又バッテリ４３の放電は、放電制御信号（放電）により制御部４５（ＣＯＮＴ２）からスイッチング素子ＳＷ１２をオン、オフ制御して、チョークコイルＬ１２と、スイッチング素子ＳＷ１２と、コンデンサＣ１２とによる昇圧コンバータとして動作させ、バッテリ４３の電圧を昇圧して直流電源部４２へ放電（電力回生）する。このバッテリ４３の放電制御中は、スイッチング素子ＳＷ１１をオフ状態に維持する。即ち、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータは、バッテリ４３の充電用のダウンコンバータと、放電用のアップコンバータとの構成を有するものである。
【０００４】
又図５に示す従来例の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ５１も知られており、５２は直流電源部（ＡＣ−ＤＣ）、５３はバッテリ（ＢＡＴＴ）、ＳＷ２１，ＳＷ２２はスイッチング素子、Ｄ２１，Ｄ２２はダイオード、Ｌ２１はチョークコイル、Ｃ２１，Ｃ２２はコンデンサ、５４は制御部（ＣＯＮＴ）、５５は充電制御を行う制御部Ａ、５６は放電制御を行う制御部Ｂを示す。直流電源部５２からバッテリ５３を充電する場合、充電制御信号（充電）と切替信号とを入力し、制御部（ＣＯＮＴ）５４の制御部Ａ５５を主制御部として、スイッチング素子ＳＷ２１のオン、オフ制御を行い、このスイッチング素子ＳＷ２１と異なるタイミングで、制御部Ｂ５６によりスイッチング素子ＳＷ２２のオン、オフ制御を行い、チョークコイルＬ２１とコンデンサＣ２２とを含むダウンコンバータ機能によりバッテリ５３の充電電圧に降圧して充電を行う。又放電制御信号（放電）と切替信号とを入力した場合、制御部（ＣＯＮＴ）の制御部Ｂ５６によりスイッチング素子ＳＷ２２のオン、オフ制御を行い、このスイッチング素子ＳＷ２２と異なるタイミングで、制御部Ａ５５によりスイッチング素子ＳＷ２１のオン、オフ制御を行って、チョークコイルＬ２１とコンデンサＣ２１とをアップコンバータ機能により動作させて、バッテリ５３の電圧を昇圧し、直流電源部５２に対する電力回生を行う。
【０００５】
又ハイブリッド電気自動車等に適用する為に、駆動モータを発電機として利用する回生動作の発電機能に相当する構成を高圧用バッテリとし、電装部品等に動作電力を供給するバッテリを低圧用バッテリとし、スイッチング素子をＭＯＳＦＥＴにより構成して、その寄生ダイオードを整流用のダイオードとし、図５に示すように、高圧用バッテリから低圧用バッテリへの充電の場合はダウンコンバータとして動作させ、又低圧用バッテリから高圧用バッテリへの充電の場合はアップコンバータとして動作させ、ダウンコンバータとアップコンバータとの機能を同一のスイッチング構成により実現した双方向ＤＣ−ＤＣコンバータも知られている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−１２８３６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来例の例えば図４に示す構成の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータは、アップコンバータ機能とダウンコンバータ機能とを切替える為にアップコンバータ構成とダウンコンバータ構成とをそれぞれ設けた構成であるから、部品点数が多く、コストアップとなる問題がある。これに対して、従来例の図５及び特許文献１に示す構成の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータは、アップコンバータ機能とダウンコンバータ機能とを、共用化構成により実現し、コストダウンを図ることができる。しかし、オン、オフ制御するスイッチング素子共用化部分を、昇圧用のタイミング制御によるアップコンバータ機能と、降圧用のタイミング制御によるダウンコンバータ機能とを切替えるには、切替えの為の休止期間を必要とするものである。従って、バッテリの充放電制御等に於いて、アップコンバータ機能とダウンコンバータ機能とを瞬時的な切替えができない問題があった。
【０００８】
本発明は、前述の問題点を解決することを目的とし、アップコンバータ機能とダウンコンバータ機能とを瞬的に切替可能とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータは、直流電源部との間でバッテリの充電及び放電を制御する双方向ＤＣ−ＤＣコンバータであって、直流電源部とバッテリとの間に直列的に接続した第１のスイッチング素子とチョークコイルと、第１のスイッチング素子と並列に接続し、バッテリから直流電源部の方向を順方向とした第１のダイオードと、バッテリと並列的に接続した第２のコンデンサと、第１のスイッチング素子とチョークコイルとの接続点に接続した第２のスイッチング素子と、この第２のスイッチング素子と並列に接続し、バッテリの電圧に対して逆方向を順方向とした第２のダイオードと、第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子とを相補的にオン、オフ制御する制御部とを備え、この制御部は、基準電圧の制御に従って第１のスイッチング素子のオン、オフと、第２のスイッチング素子のオン、オフとを制御すると共に、それぞれデッドタイム後にオンに制御する構成を有するものである。
【００１０】
又前記制御部は、鋸歯状波発生部からの鋸歯状波信号と制御可能の基準電圧との比較によりパルス幅を制御された信号を出力するパルス幅制御部と、このパルス幅制御部の出力信号の立上り時点からデッドタイム後に第１のスイッチング素子をオンとする第１のゲート回路と、パルス幅制御部の出力信号の立下り時点からデッドタイム後に第２のスイッチング素子をオンとする第２のゲート回路とを備えている。
【発明の効果】
【００１１】
バッテリの充放電を制御する双方向ＤＣ−ＤＣコンバータを、基準電圧の変更制御により、アップコンバータとダウンコンバータとの何れかの機能とし、それぞれの機能の切替えを制御電圧の変更制御により休止期間をおくことなく連続的に行うことが可能であり、従って、バッテリの充電と放電とを、制御電圧の連続的な調整により、リニアな特性で切替えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の原理説明図である。
【図２】本発明の実施例１の説明図である。
【図３】本発明の実施例１の作用説明図である。
【図４】従来例の説明図である
【図５】従来例の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータは、図１を参照すると、直流電源部２との間でバッテリ３の充電及び放電を制御する双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１であって、直流電源部２とバッテリ３との間に直列的に接続した第１のスイッチング素子ＳＷ１とチョークコイルＬ１と、第１のスイッチング素子ＳＷ１と並列に接続し、バッテリ３から直流電源部２の方向を順方向とした第１のダイオードＤ１と、バッテリ３と並列的に接続した第２のコンデンサＣ２と、第１のスイッチング素子ＳＷ１とチョークコイルＬ１との接続点に接続した第２のスイッチング素子ＳＷ２と、この第２のスイッチング素子ＳＷ２と並列に接続し、バッテリ３の電圧に対して逆方向を順方向とした第２のダイオードＤ２と、第１のスイッチング素子ＳＷ１と第２のスイッチング素子ＳＷ２とを相補的にオン、オフ制御する制御部４とを備え、この制御部４は、基準電圧の制御に従って第１のスイッチング素子ＳＷ１のオン、オフと、第２のスイッチング素子ＳＷ２のオン、オフとを制御すると共に、それぞれデッドタイム後にオンに制御する構成を有するものである。
【実施例１】
【００１４】
図１は、本発明の原理説明図であり、１は双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ、２は直流電源部（ＡＣ−ＤＣ）、３はバッテリ（ＢＡＴＴ）、４は制御部（ＣＯＮＴ）、Ｃ１，Ｃ２は第１、第２のコンデンサ、Ｄ１，Ｄ２は第１、第２のダイオード、ＳＷ１，ＳＷ２はＦＥＴ等の第１、第２のスイッチング素子、Ｌ１はチョークコイル、ＩＲは電流検出部、ｃｔはダウンコンバータとして動作させてバッテリ３の充電を行うか又はアップコンバータとして動作させてバッテリ３の放電を行うかを制御する制御信号を示す。なお、ダイオードＤ１，Ｄ２は、ＦＥＴ等のスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２の寄生ダイオードを利用することも可能である。又双方向コンバータ１の制御部４は、電流検出部ＩＲによる電流値を入力し、制御信号ｃｔに従って、スイッチング素子ＳＷ１のオン、オフの制御タイミングを主とし、スイッチング素子ＳＷ２の制御タイミングを従としてオン、オフ制御することにより、ダウンコンバータ機能を実現し、又スイッチング素子ＳＷ２の制御タイミングを主とし、スイッチング素子ＳＷ１の制御タイミングを従としてオン、オフ制御することにより、アップコンバータ機能を実現するもので、その制御信号ｃｔに従った基準電圧を制御して、ダウンコンバータ機能とアップコンバータ機能との切替えを瞬時的に可能とする制御構成を備えている。
【００１５】
図２は、本発明の実施例の説明図であり、図１と同一符号は同一部分を示し、１０は鋸歯状波発生部、１１Ａ，１１Ｂは差動増幅器、１２はパルス幅制御部、１３Ａ，１３Ｂは基準電圧、１３Ｃは調整用可変抵抗、１４はゲート回路、１５はインバータ、１６，１７は第１、第２のゲート回路を構成するアンドゲート、１８，１９はデッドタイム出力部を示す。差動増幅器１１Ａは、電流検出部ＩＲを構成する抵抗の両端の電圧を入力して、極性を含む電圧値を差動増幅器１１Ｂに入力する。その場合、バッテリ３の充電方向に流れる電流の場合、差動増幅器１１Ａの出力信号を＋極性とし、反対にバッテリ３の放電方向に流れる電流の場合、差動増幅器１１Ａの出力信号を−極性とし、且つ流れる電流値に対応した電圧の出力信号として、差動増幅器１１Ｂに入力する。又調整用可変抵抗１３Ｃを中点位置とすると、例えば、＋極性の基準電圧１３Ａと−極性の基準電圧１３Ｂとの中間位置の０Ｖを示す構成とする。差動増幅器１１Ｂは、差動増幅器１１Ａによる電流方向と電流値とに従った極性の信号と、調整用可変抵抗１３Ｃにより調整した極性を含む基準値との差分値を出力し、この出力信号と鋸歯状波発生部１０からの鋸歯状波信号とをパルス幅制御部１２に入力し、パルス幅制御出力信号をゲート回路１４とインバータ１５とに入力し、アンドゲート１６にゲート回路１４の出力信号とデッドタイム出力部１８からのデッドタイム（Ｄｅａｄ  Ｔｉｍｅ）信号とを入力し、アンドゲート１６の出力信号を第１のスイッチング素子ＳＷ１のオン信号とする。又インバータ１５により反転したパルス幅制御信号とデッドタイム出力部１９からのデッドタイム信号とをアンドゲート１７に入力し、その出力信号を第２のスイッチング素子ＳＷ２のオン信号とする。
【００１６】
パルス幅制御部１２は、鋸歯状波発生部１０からの鋸歯状波信号と、差動増幅器１１Ｂの出力信号とを比較によるパルス幅の信号を出力し、ゲート回路１４とインバータ１５とに入力する。又アンド回路１６は、ゲート回路１４の出力信号とデッドタイム出力部１８からの信号とを入力し、その出力信号により、第１のスイッチング素子ＳＷ１のオン、オフを制御し、アンド回路１７は、インバータ１５の出力信号とデッドタイム出力部１９からの信号とを入力し、その出力信号により、第２のスイッチング素子ＳＷ２のオン、オフを制御する。デッドタイム出力部１８は、パルス幅信号の立上りタイミングからデッドタイムとして設定した時間だけローレベルの信号を出力し、デッドタイム出力部１９は、パルス幅信号の立下りタイミングからデッドタイムとして設定した時間だけローレベルの信号を出力する構成を有するもので、例えば、ワンショット・マルチバイブレータにより構成し、パルス幅信号を点線矢印で示すように入力し、デッドタイム出力部１８はパルス幅信号の立上りでトリガされ、所定時間（予め設定したデッドタイム）だけローレベルの信号を出力し、デッドタイム出力部１９はパルス幅信号の立下りでトリガされ、所定時間（予め設定したデッドタイム）だけローレベルの信号を出力する構成とすることができる。
【００１７】
又アンド回路１６の出力信号により第１のスイッチング素子ＳＷ１のオン、オフが制御され、アンド回路１７の出力信号により第２のスイッチング素子ＳＷ２のオン、オフが、第１のスイッチング素子ＳＷ１と異なるタイミングで制御される。この第１のスイッチング素子ＳＷ１のオン時間と第２のスイッチング素子ＳＷ２のオン時間とが交互に同一となる場合、アップコンバータの機能とダウンコンバータの機能とが交互に行われる状態となり、充放電電流は流れない状態となる。又一方のスイッチング素子ＳＷ１のオン時間を長くし、他方のスイッチング素子ＳＷ２のオン時間を短くすると、ダウンコンバータとして機能し、バッテリ３の充電が行われる。反対に第１のスイッチング素子ＳＷ１のオン時間を短くし、第２のスイッチング素子ＳＷ２のオン時間を長くすると、アップコンバータとして機能し、バッテリ３の放電が行われる。この場合のダウンコンバータとアップコンバータとの機能の切替えは、調整用可変抵抗１３Ｃの調整によって行うことができる。
【００１８】
例えば、基準電圧１３Ａ，１３Ｂの電圧値を同一とし、調整用可変抵抗１３Ｃを中点位置とすると、差動増幅器１１Ｂに入力する基準電圧値が０となり、スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２のオン、オフ制御によって電流検出部ＩＲに流れる電流が０となるように、制御ループが作用することになる。即ち、バッテリ３に対する充電及び放電の状態とはならない。そして、調整用可変抵抗１３Ｃの調整により、＋極性の基準電圧とすると、ダウンコンバータとして作用し、バッテリ３の充電方向に電流が流れる。反対に−極性の基準電圧とすると、アップコンバータとして作用し、バッテリ３の放電方向の電流が流れる。
【００１９】
図３は、作用説明図であり、（Ａ）は第１、第２のスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２のオン、オフ動作を示し、（Ｂ）は基準電圧Ｖｒｅｆと電流Ｉとの関係を示し、（Ｃ）は、図５に示す従来例の充電と放電と電流との関係を示す。同図の（Ａ）に於いて、Ｔ１は第１のスイッチング素子ＳＷ１のオン期間、Ｔ２，Ｔ４はデッドタイム、Ｔ３は第２のスイッチング素子ＳＷ２のオン期間、Ｔは１周期（Ｔ１＋Ｔ２＋Ｔ３＋Ｔ４）を示す。デッドタイムＴ２は、第２のスイッチング素子ＳＷ２のターンオンを一時的に禁止する為のもので、デッドタイム出力部１９により出力するローレベル信号時間に相当し、デッドタイムＴ４は、第１のスイッチング素子ＳＷ１のターンオンを一時的に禁止する為のもので、デッドタイム出力部１８により出力するローレベル信号時間に相当する。これらのデッドタイムＴ２，Ｔ４は、スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２が同時的にオン状態となることを回避する為に設けている。
【００２０】
又同図の（Ｂ）に示すように、基準電圧Ｖｒｅｆを点線位置、即ち、可変範囲の中点の値とした場合、第１、第２のスイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２のオン期間Ｔ１，Ｔ３は、直流電源部２の電圧Ｖ２と、バッテリ３の電圧Ｖ３と、ダウンコンバータ及びアップコンバータとしての特性から、Ｔ１は、（Ｖ３／Ｖ２）Ｔ＜Ｔ１＜（Ｖ３／Ｖ２）Ｔ−Ｔ２−Ｔ４の関係、Ｔ３は、Ｔ−Ｔ１−Ｔ２−Ｔ４の関係の時にバランス状態となって、電流Ｉは点線位置の０となって、電流Ｉは点線位置の０となる。即ち、バッテリ３の放電及び充電は行われない状態となる。又基準電圧Ｖｒｅｆを可変範囲の中点の値から＋方向に増大させるに従ってアップコンバータ機能が大きくなり、電流Ｉが＋方向、即ち、バッテリ３から直流電源部２側へ流れる。反対に基準電圧Ｖｒｅｆを中点の値から−方向に低下させると、ダウンコンバータ機能が大きくなり、電流が−方向、即ち、直流電源部３側からバッテリ３へ流れる。従って、基準電圧Ｖｒｅｆを可変範囲にわたって最小から最大まで連続的に変化させると、それに対応して連続的に電流Ｉが−方向の最大から＋方向の最大まで連続的に変化することになる。
【００２１】
一方、従来例の例えば図５に示す構成に於いては、図３の（Ｃ）に示すように、充電制御信号（充電）は、基準電圧を含み、その基準電圧の値に対応した＋方向の電流Ｉが流れる。又放電制御信号（放電）は、基準電圧を含み、その基準電圧の値に対応した−方向の電流Ｉが流れる。その場合の充電と放電との切替え、即ち、ダウンコンバータとしてのスイッチング動作と、アップコンバータとしてのスイッチング動作との切替えには、切替時間を必要とするもので、瞬時的な切替えは不可能であった。これに対して、前述の実施例に示すように、本発明は、基準電圧を可変範囲の中点の値から＋方向と−方向とに対して連続的に変化させることにより、ダウンコンバータとしてのスイッチング動作と、アップコンバータとしてのスイッチング動作とを連続的に切替えが可能となる。
【符号の説明】
【００２２】
１  双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ
２  直流電源部（ＡＣ−ＤＣ）
３  バッテリ（ＢＡＴＴ）
４  制御部（ＣＯＮＴ）
Ｄ１，Ｄ２  ダイオード
ＳＷ１，ＳＷ２  スイッチング素子
Ｃ１，Ｃ２  コンデンサ
Ｄ１，Ｄ２  ダイオード
Ｌ１  チョークコイル
ＩＲ  電流検出部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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