(57)【要約】【課題】負荷変動や入力電圧変動に対し、過電流保護による瞬停が発生しないＤＣ−ＤＣコンバータ装置を提供する。【解決手段】ＤＣ−ＤＣコンバータ装置１は、バッテリ２と、インバータ回路４と、リアクトル５と、トランス６と、電流検出回路７と、過電流保護回路８と、ドライブ回路９と、整流回路１２と、平滑回路１３とから構成されている。そして、環流期間判定回路１０と、環流電流の流れる期間電流検出回路７の出力をマスクする電流信号マスク回路１１とを備えたことを特徴とする。【選択図】図１
2004364448.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源と、ダイオード及びコンデンサが並列接続された四つのスイッチング素子をフルブリッジ接続すると共に該直流電源と接続されたインバータ回路と、該インバータ回路の出力の一端に直列接続されたリアクトルと、該リアクトルと該インバータ回路の出力の他端に１次側巻線が接続されたトランスと、該トランスの２次側巻線に接続された整流回路と、該整流回路に接続された平滑回路と、該トランスの１次側巻線に流れる電流を検出する電流検出手段と、該電流検出手段の検出した電流値が所定の電流値を超えた場合に該インバータ回路を停止させる信号を出力する過電流保護手段と、該各スイッチング素子の電圧がほぼゼロ又は電流がほぼゼロの時にスイッチングするように該各スイッチング素子にオン又はオフ信号を出力するインバータ制御手段とを備えたＤＣ−ＤＣコンバータ装置において、該トランスの１次側巻線に環流電流の流れる期間を判定する環流期間判定手段と、該電流検出手段と該過電流保護手段の間に配設されると共に該環流期間判定手段の出力に基づき環流電流の流れる期間、該電流検出手段の出力をマスクする電流信号マスク手段とを備えたことを特徴とするＤＣ−ＤＣコンバータ装置。
【請求項２】
前記電流信号マスク手段が、環流電流の流れはじめから、環流電流の流れる期間の１／２以上前記電流検出手段の出力をマスクすることを特徴とする請求項１記載のＤＣ−ＤＣコンバータ装置。
【請求項３】
前記電流信号マスク手段が、環流電流の流れる全期間前記電流検出手段の出力をマスクすることを特徴とする請求項１記載のＤＣ−ＤＣコンバータ装置。
【請求項４】
前記環流期間判定手段が、前記インバータ回路を構成する、前記直流電源の正極に接続された二つの前記スイッチング素子が共にオフ状態の期間及び前記直流電源の負極に接続された二つの前記スイッチング素子が共にオフ状態の期間を環流期間と判定することを特徴とする請求項記載のＤＣ−ＤＣコンバータ装置。
【請求項５】
前記電流信号マスク手段が、前記電流検出手段の出力に並列接続されたスイッチング素子であることを特徴とする請求項１記載のＤＣ−ＤＣコンバータ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＤＣ−ＤＣコンバータ装置に関し、より詳細には、過電流保護手段を備えたＤＣ−ＤＣコンバータ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、スイッチング素子によるスイッチング損失を低減させて、変換効率を高めたＤＣ−ＤＣコンバータ装置が特開２００３−４７２４５公報に開示されている。このＤＣ−ＤＣコンバータ装置は、フルブリッジ接続された四つのスイッチング素子からなるインバータ回路において、各スイッチング素子の印加電圧又は通電電流がゼロの時に、各スイッチング素子がオン又はオフとなるように制御する。
【０００３】
このような制御をした場合、直流電源の正極に接続された二つのスイッチング素子の一方とそのスイッチング素子に対向する負極に接続されたスイッチング素子とが共にオンの状態から、正極に接続されたスイッチング素子の他方とそのスイッチング素子に対向する負極に接続されたスイッチング素子とが共にオンの状態になるまでの期間、フルブリッジ接続された四つのスイッチング素子が全てオフ状態になることはなく、この間トランスには環流電流が流れる。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００３−４７２４５号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このようなＤＣ−ＤＣコンバータ装置を電気自動車に用いた場合、自動車特有の負荷変動や入力電圧変動により、環流電流が流れはじめる瞬間にトランスが一時的に飽和し、瞬間的に大きな飽和電流が環流電流に重畳される。この飽和電流が環流電流に重畳された電流は、電気自動車において連続的に継続することはないため、スイッチング素子の寿命に影響を与えるものではない。しかし、ＤＣ−ＤＣコンバータ装置に設けられた過電流保護回路を作動させ出力を瞬停させることがある。
【０００６】
これに対し、過電流保護回路を作動させる電流成分のみをフィルタにより除去する方法が考えられるが、変化の緩やかな環流電流を除去するためには、時定数の大きなフィルタが必要となり、急峻な過電流が発生した場合ＤＣ−ＤＣコンバータ装置を保護できなくなる。また、飽和電流を発生させないためには、あらゆる動作条件において、トランスが飽和しないようにしなければならず、トランスの大型化につながる。
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑みて為されたものであり、各スイッチング素子の電圧又は電流がゼロの時に各スイッチング素子がオン又はオフとなるように制御されるＤＣ−ＤＣコンバータ装置において、負荷変動や入力電圧変動が発生しても、過電流保護手段による出力の瞬停が発生せず、また、トランスの小型化を図ることができるＤＣ−ＤＣコンバータ装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
そこで、本発明者はこの課題を解決すべく鋭意研究し、試行錯誤を重ねた結果、ＤＣ−ＤＣコンバータ装置のトランスの１次側巻線に環流電流の流れる期間、電流検出器の出力をマスクすることを思いつき、本発明を完成するに至った。
【０００９】
すなわち、本発明のＤＣ−ＤＣコンバータ装置は、直流電源と、インバータ回路と、リアクトルと、トランスと、整流回路と、平滑回路と、電流検出手段と、過電流保護手段と、インバータ制御手段とを備えている。そして、トランスの１次側巻線に環流電流の流れる期間を判定する環流期間判定手段と、電流検出手段と過電流保護手段の間に配設されると共に環流期間判定手段の出力に基づき環流電流の流れる期間、電流検出手段の出力をマスクする電流信号マスク手段とを備えたことを特徴とする。ここで、インバータ回路は、ダイオード及びコンデンサが並列接続された四つのスイッチング素子をフルブリッジ接続された回路であり直流電源と接続されている。リアクトルは、インバータ回路の出力の一端に直列接続されている。トランスは、リアクトルとインバータ回路の出力の他端に１次側巻線が接続されている。整流回路は、トランスの２次側巻線に接続されている。平滑回路は、整流回路に接続されている。電流検出手段は、トランスの１次側巻線に流れる電流を検出する手段である。過電流保護手段は、電流検出手段の検出した電流値が所定の電流値を超えた場合にインバータ回路を停止させる信号を出力する手段である。インバータ制御手段は、各スイッチング素子の電圧がほぼゼロ又は電流がほぼゼロの時にスイッチングするように各スイッチング素子にオン又はオフ信号を出力する手段である。
【００１０】
従って、環流期間判定手段が、トランスの１次側巻線に環流電流の流れる期間を判定し、電流信号マスク手段が、この環流電流の流れる期間電流検出手段の出力をマスクすることにより、飽和電流が環流電流に重畳された電流は、過電流保護手段に入力されない。その結果、負荷変動や入力電圧変動が発生しても、過電流保護手段は作動せず出力の瞬停を防止できる。また、負荷変動や入力電圧変動の期間は短く、スイッチング素子の寿命への影響はないので、飽和電流が発生してもよいため、トランスを小型化できる。ただし、負荷変動や入力電圧変動がない状態でトランスに過大な電流が流れた場合、環流電流が流れていない期間の電流に基づいて過電流保護手段が作動しＤＣ−ＤＣコンバータ装置を保護できる。
【００１１】
なお、電流信号マスク手段は、環流電流の流れはじめから、環流電流の流れる期間の１／２以上又は全期間電流検出手段の出力をマスクしていてもよい。この場合、飽和電流は環流電流の流れはじめに発生し、環流電流に重畳される。そのため、環流電流の流れはじめから、環流電流の流れる期間の１／２以上マスクすれば十分効果を得られ、負荷変動や入力電圧変動が発生しても、過電流保護手段は作動せず出力の瞬停を防止できる。さらに、環流電流の流れる全期間マスクすればより確実に過電流保護手段は作動せず出力の瞬停を防止できる。
【００１２】
また、環流期間判定手段は、インバータ制御手段の出力に基づき、インバータ回路を構成する、直流電源の正極に接続された二つのスイッチング素子が共にオフ状態の期間、及び、直流電源の負極に接続された二つのスイッチング素子が共にオフ状態の期間を環流期間と判定するものであってもよい。この場合、環流電流が流れる期間は、各スイッチング素子のオン又はオフ状態によって決まる。そのため、各スイッチング素子の電圧がほぼゼロ又は電流がほぼゼロの時にスイッチングするように各スイッチング素子にオン又はオフ信号を出力する手段であるインバータ制御手段の出力に基づいて、環流電流が流れる期間を効率的に判定することができる。その結果、負荷変動や入力電圧変動が発生しても、過電流保護手段は作動せず出力の瞬停を防止できる。
【００１３】
さらに、電流信号マスク手段は、電流検出手段の出力に並列接続されたスイッチング素子であってもよい。この場合、環流電流の流れる期間スイッチング素子をオン状態にすることで電流検出手段の出力をゼロにし、過電流保護手段へ入力される環流電流を確実にマスクできる。その結果、負荷変動や入力電圧変動が発生しても、過電流保護手段は作動せず出力の瞬停を防止できる。
【００１４】
【発明の実施形態】
次に、実施形態を挙げ、本発明をより詳しく説明する。ここで、本実施形態では、電気自動車用のＤＣ−ＤＣコンバータ装置について説明する。電気自動車用のＤＣ−ＤＣコンバータ装置は、高電圧のバッテリから各電装品を駆動するための直流電圧、例えば、ＤＣ１４Ｖを得るための装置である。
【００１５】
（第１実施形態）
第１実施形態におけるＤＣ−ＤＣコンバータ装置の回路図を図１に、インバータ回路のスイッチング素子のオン、オフタイミングとトランスの１次側巻線に流れる電流波形を図２に、環流期間判定回路の構成例を図３に示す。
【００１６】
本実施形態におけるＤＣ−ＤＣコンバータ装置１は、直流電源に当たるバッテリ２と、バッテリ２に並列接続された入力側平滑コンデンサ３と、ダイオード４１ａ〜４１ｄ及びコンデンサ４２ａ〜４２ｄが並列接続された四つのスイッチング素子４０ａ〜４０ｄに当たる電界効果トランジスタをフルブリッジ接続すると共にバッテリ２に並列接続されたインバータ回路４と、インバータ回路４の出力の一端に直列接続されたリアクトル５と、リアクトル５に１次側巻線の一端が直列接続されたトランス６と、トランス６の１次側巻線の他端とインバータの出力の他端の間に接続された電流検出手段に当たる電流検出回路７と、電流検出回路７の出力に並列接続された過電流保護手段に当たる過電流保護回路８と、過電流保護回路８に接続されると共に各電界効果トランジスタ４０ａ〜４０ｄと接続されたインバータ制御手段に当たるドライブ回路９と、ドライブ回路９と接続された環流期間判定手段に当たる環流期間判定回路１０と、環流期間判定回路１０と接続されると共に電流検出回路７の出力に並列接続された電流信号マスク手段に当たる電流信号マスク回路１１と、トランス６の２次側巻線の中間タップを接地すると共に両端に並列接続された整流回路１２と、整流回路１２に接続された平滑回路１３とから構成される。
【００１７】
電流検出回路７は、カレントトランス７ａと、カレントトランス７ａの２次巻線に並列接続されたダイオードブリッジ７ｂと、ダイオードブリッジ７ｂの出力に並列接続されたフィルタ回路７ｃとを備えている。そして、カレントトランス７ａの１次側巻線が、トランス６の１次側巻線の他端とインバータの出力の他端の間に接続され、フィルタ回路７ｃの出力が、過電流保護回路８に並列接続される。
【００１８】
電流信号マスク回路１１は、スイッチング素子にあたるトランジスタ１１ａを備えており、入力が環流期間判定回路１０に接続され、出力が電流検出回路７に並列接続される。
【００１９】
整流回路１２は、二つの整流ダイオード１２ａを備えており、トランス６の２次側巻線の両端にそれぞれアノードが接続されると共に共通接続されたカソードが平滑回路１３と接続される。
【００２０】
平滑回路１３は、チョークコイル１３ａと、チョークコイル１３ａに直列接続されると共に他端を接地された出力側平滑コンデンサ１３ｂとを備えており、この出力側平滑コンデンサ１３ｂの両端からＤＣ１４Ｖが出力される。
【００２１】
そして、図２に示すように、ドライブ回路９から、インバータ回路４の各電界効果トランジスタ４０ａ〜４０ｄに対する駆動信号４００ａ〜４００ｄが出力され、オンと示されている期間各電界効果トランジスタ４０ａ〜４０ｄはオン状態となる。この時環流電流の流れる期間は、Ｔ１〜Ｔ２とＴ３〜Ｔ４である。
【００２２】
環流期間判定回路１０は、図３に示すように、電界効果トランジスタ４０ａの駆動信号４００ａと電界効果トランジスタ４０ｃの駆動信号４００ｃとが入力されたＮＯＲ回路１０ａと、電界効果トランジスタ４０ｂの駆動信号４００ｂと電界効果トランジスタ４０ｄの駆動信号４００ｄとが入力されたＮＯＲ回路１０ｂと、ＮＯＲ回路１０ａの出力とＮＯＲ回路１０ｂの出力とが入力されたＯＲ回路１０ｃとを備えている。そして、このＯＲ回路１０ｃの出力が電流信号マスク回路１１を構成するトランジスタ１１ａの入力に接続される。
【００２３】
ここで、電界効果トランジスタ４０ａ〜４０ｄに並列接続されたダイオード４１ａ〜４１ｄ及びコンデンサ４２ａ〜４２ｄは、電界効果トランジスタ４０ａ〜４０ｄの寄生ダイオード及び寄生コンデンサであってもよい。また、電界効果トランジスタ４０ａ〜４０ｄは、バイポーラトランジスタ又はＩＧＢＴであってもよい。電流検出回路７のカレントトランス７ａは、ホール効果を用いた電流センサであってもよい。さらに、リアクトル５は、トランス６の漏れリアクタンスであってもよい。
【００２４】
なお、上述の実施形態においては、環流電流の流れる全期間電流検出回路７の出力をマスクするが、これに限られるものではない。例えば、環流電流の流れはじめから、環流電流の流れる期間の１／２以上電流検出回路７の出力をマスクしてもよい。
【００２５】
また、論理演算回路１０ａは、二つのＮＯＲ回路１００ａ、１００ｂと、一つのＯＲ回路１００ｃとを備えているが、これに限られるものではない。図３に示す、環流電流が流れる期間Ｔ１〜Ｔ２、Ｔ３〜Ｔ４を判定できる別の論理回路であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態のＤＣ−ＤＣコンバータ装置の回路図を示す。
【図２】第１実施形態のインバータ回路のスイッチング素子のオン、オフタイミングとトランスの１次側巻線に流れる電流波形を示す。
【図３】第１実施形態の環流期間判定回路の構成例を示す。
【符号の説明】
１  ・・・  ＤＣ−ＤＣコンバータ装置
２  ・・・  バッテリ
３  ・・・  入力側平滑コンデンサ
４  ・・・  インバータ回路
４０ａ〜４０ｄ  ・・・  電界効果トランジスタ
４１ａ〜４１ｄ  ・・・  ダイオード
４２ａ〜４２ｄ  ・・・  コンデンサ
５  ・・・  リアクトル
６  ・・・  トランス
７  ・・・    電流検出回路
８  ・・・    過電流保護回路
９    ・・・  ドライブ回路
１０  ・・・  環流期間判定回路
１１  ・・・    電流信号マスク回路
１２    ・・・    整流回路
１３    ・・・    平滑回路
【図１】
2004364448.tif 000003
【図２】
2004364448.tif 000004
【図３】
2004364448.tif 000005