(57)【要約】【課題】アクティブクランプ方式のフォワード型ＤＣＤＣコンバータにおいて、ドライバの温度が変化したり、アクティブクランプ方式のフォワード型ＤＣＤＣコンバータの出力電流が変化したりしても、メインスイッチング素子をオンするときに生じる損失を低減する。【解決手段】制御信号Ｓｃ１、Ｓｃ２に応じてメインスイッチング素子ＳＷ１及びクランプ用スイッチング素子ＳＷ２を駆動させるドライバ３の周囲温度または、アクティブクランプ方式のフォワード型ＤＣＤＣコンバータ１の出力電流に基づいて、クランプ用スイッチング素子ＳＷ２がオフしてメインスイッチング素子ＳＷ１の電圧がゼロまたは略ゼロまで低下したとき、メインスイッチング素子ＳＷ１がオンするように、クランプ用スイッチング素子ＳＷ２がオフしてからメインスイッチング素子ＳＷ１がオンするまでのデッドタイムを調整する。【選択図】図１
2017051045.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高圧バッテリの電圧を降圧して低圧バッテリに出力するアクティブクランプ方式のフォワード型ＤＣＤＣコンバータであって、
一次巻線の一方端が前記高圧バッテリの高電位側に接続されるトランスと、
前記一次巻線の他方端と前記高圧バッテリの低電位側との間に接続されるメインスイッチング素子と、
クランプ用コンデンサと、
前記一次巻線と前記メインスイッチング素子との接続点と前記クランプ用コンデンサとの間に接続されるクランプ用スイッチング素子と、
前記トランスのニ次巻線に接続される整流回路と、
前記整流回路に接続される平滑回路と、
前記メインスイッチング素子及び前記クランプ用スイッチング素子を交互にオン、オフさせる制御信号を出力する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記制御信号に応じて前記メインスイッチング素子及び前記クランプ用スイッチング素子を駆動させるドライバの周囲温度または、当該アクティブクランプ方式のフォワード型ＤＣＤＣコンバータの出力電流に基づいて、前記クランプ用スイッチング素子がオフして前記メインスイッチング素子の電圧がゼロまたは略ゼロまで低下したとき、前記メインスイッチング素子がオンするように、前記クランプ用スイッチング素子がオフしてから前記メインスイッチング素子がオンするまでのデッドタイムを調整する
ことを特徴とするアクティブクランプ方式のフォワード型ＤＣＤＣコンバータ。
【請求項２】
請求項１に記載のアクティブクランプ方式のフォワード型ＤＣＤＣコンバータであって、
前記制御部から出力される制御信号に応じて前記メインスイッチング素子及び前記クランプ用スイッチング素子を駆動させるドライバと、
前記制御部と前記ドライバとを絶縁する絶縁回路と、
前記ドライバの周囲温度を測定する温度測定部と、
を備え、
前記制御部は、前記温度測定部により測定される前記ドライバの周囲温度に対応する前記ドライバの動作遅延時間を求め、その求めた動作遅延時間により前記クランプ用スイッチング素子がオフしてから前記メインスイッチング素子がオンするまでのデッドタイムを調整する
ことを特徴とするアクティブクランプ方式のフォワード型ＤＣＤＣコンバータ。
【請求項３】
請求項１に記載のアクティブクランプ方式のフォワード型ＤＣＤＣコンバータであって、
前記一次巻線に流れる電流を測定する電流測定部を備え、
前記制御部は、前記電流測定部により測定される電流と、前記高圧バッテリの電圧と、前記メインスイッチング素子のデューティ比とにより、当該アクティブクランプ方式のフォワード型ＤＣＤＣコンバータの出力電流を算出し、その算出した出力電流に対応するデッドタイムを求め、その求めたデッドタイムにより前記クランプ用スイッチング素子がオフしてから前記メインスイッチング素子がオンするまでのデッドタイムを調整する
ことを特徴とするアクティブクランプ方式のフォワード型ＤＣＤＣコンバータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アクティブクランプ方式のフォワード型ＤＣＤＣコンバータに関する。
【背景技術】
【０００２】
アクティブクランプ方式のフォワード型ＤＣＤＣコンバータとして、例えば、トランスの一次巻線に接続されるメインスイッチング素子のオン時にトランスの二次巻線からインダクタを介して負荷へ電流が流れ、メインスイッチング素子のオフ時にトランス二次側のインダクタに蓄積されたエネルギーにより負荷へ電流が流れ、一次巻線とメインスイッチング素子との接続点とクランプ用コンデンサとの間に接続されるクランプ用スイッチング素子のオン時にトランスの磁化がリセットされるものがある。例えば、特許文献１参照。
【０００３】
このように構成されるアクティブクランプ方式のフォワード型ＤＣ−ＤＣコンバータでは、クランプ用スイッチング素子がオフした後、メインスイッチング素子にかかる電圧が十分に低下したときに、メインスイッチング素子をオンさせることができるため、メインスイッチング素子がオンするときに生じる損失を低減することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第２７４３８６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述したアクティブクランプ方式のフォワード型ＤＣＤＣコンバータにおいて、メインスイッチング素子やクランプ用スイッチング素子を駆動するドライバの周囲温度が変化したり、アクティブクランプ方式のフォワード型ＤＣＤＣコンバータの出力電流が変化したりして、メインスイッチング素子がオフするタイミングやクランプ用スイッチング素子がオンするタイミングが変わってしまうと、クランプ用スイッチング素子がオフしてメインスイッチング素子にかかる電圧が十分に低下したときに、メインスイッチング素子をオンさせることができなくなり、メインスイッチング素子をオンするときに生じる損失を低減することができないおそれがある。
【０００６】
本発明の一側面に係る目的は、メインスイッチング素子やクランプ用スイッチング素子を駆動するドライバの周囲温度が変化したり、アクティブクランプ方式のフォワード型ＤＣＤＣコンバータの出力電流が変化したりしても、メインスイッチング素子をオンするときに生じる損失を低減することが可能なアクティブクランプ方式のフォワード型ＤＣＤＣコンバータを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る一つの形態であるアクティブクランプ方式のフォワード型ＤＣＤＣコンバータは、高圧バッテリの電圧を降圧して低圧バッテリに出力するアクティブクランプ方式のフォワード型ＤＣＤＣコンバータであって、一次巻線の一方端が高圧バッテリの高電位側に接続されるトランスと、一次巻線の他方端と高圧バッテリの低電位側との間に接続されるメインスイッチング素子と、クランプ用コンデンサと、一次巻線とメインスイッチング素子との接続点とクランプ用コンデンサとの間に接続されるクランプ用スイッチング素子と、トランスの二次巻線に接続される整流回路と、整流回路に接続される平滑回路と、メインスイッチング素子及びクランプ用スイッチング素子を交互にオン、オフさせる制御信号を出力する制御部とを備える。制御部は、制御信号に応じてメインスイッチング素子及びクランプ用スイッチング素子を駆動させるドライバの周囲温度または、アクティブクランプ方式のフォワード型ＤＣＤＣコンバータの出力電流に基づいて、クランプ用スイッチング素子がオフしてメインスイッチング素子の電圧がゼロまたは略ゼロまで低下したとき、メインスイッチング素子がオンするように、クランプ用スイッチング素子がオフしてからメインスイッチング素子がオンするまでのデッドタイムを調整する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、高圧バッテリの電圧を降圧して低圧バッテリに出力するアクティブクランプ方式のフォワード型ＤＣＤＣコンバータにおいて、メインスイッチング素子やクランプ用スイッチング素子を駆動するドライバの周囲温度が変化したり、アクティブクランプ方式のフォワード型ＤＣＤＣコンバータの出力電流が変化したりしても、メインスイッチング素子をオンするときに生じる損失を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施形態のアクティブクランプ方式のフォワード型ＤＣＤＣコンバータの一例を示す図である。
【図２】（ａ）ドライバの周囲温度と、ドライバの動作遅延時間との対応関係を示す情報の一例を示す図である。（ｂ）デッドタイムの調整方法の一例を示す図である。
【図３】（ａ）アクティブクランプ方式のフォワード型ＤＣＤＣコンバータの出力電流と、デッドタイムとの対応関係を示す情報の一例を示す図である。（ｂ）デッドタイムの調整方法の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下図面に基づいて実施形態について詳細を説明する。
図１は、実施形態のアクティブクランプ方式のフォワード型ＤＣＤＣコンバータの一例を示す図である。
【００１１】
図１に示すアクティブクランプ方式のフォワード型ＤＣＤＣコンバータ１（ＡＣＦ回路）は、ハイブリッドカーや電気自動車などの車両に搭載され、走行用モータなどの走行系負荷Ｌｏが接続される高圧バッテリＢｈｉの電圧を降圧して低圧バッテリＢｌｏに出力する。
【００１２】
また、アクティブクランプ方式のフォワード型ＤＣＤＣコンバータ１は、平滑用コンデンサＣ１、Ｃ２と、トランスＴと、メインスイッチング素子ＳＷ１と、クランプ用スイッチング素子ＳＷ２と、クランプ用コンデンサＣ３と、整流用ダイオードＤ１、Ｄ２と、インダクタＬと、制御部２と、ドライバ３と、絶縁回路４と、温度測定部５と、電流測定部６と、記憶部７とを備える。
【００１３】
なお、高圧バッテリＢｈｉは、例えば、直列接続される複数のリチウムイオン電池とする。また、低圧バッテリＢｌｏは、例えば、鉛電池、リチウムイオン電池（ＬｉＢ（Lithium-ion rechargeable Battery））、ニッケル水素（ＮｉＭＨ）電池、または電気二重層コンデンサ（ＥＤＬＣ（Electrical Double Layer Capacitor））などとする。また、メインスイッチング素子ＳＷ１及びクランプ用スイッチング素子ＳＷ２は、それぞれ、例えば、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）とする。また、制御部２は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、マルチコアＣＰＵ、またはプログラマブルなデバイス（ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）やＰＬＤ（Programmable Logic Device）など）とする。また、ドライバ３は、例えば、複数のトランジスタからなる増幅回路（プッシュプル回路）により構成される。また、絶縁回路４は、例えば、フォトカプラとする。また、温度測定部５は、例えば、サーミスタとする。また、電流測定部６は、例えば、カレントトランスとする。また、記憶部７は、例えば、ＲＯＭ（Read Only Memory）やＲＡＭ（Random Access Memory）とする。
【００１４】
平滑用コンデンサＣ１は高圧バッテリＢｈｉに並列接続され、平滑用コンデンサＣ２は低圧バッテリＢｌｏに並列接続される。また、トランスＴの一次巻線Ｌ１の一方端は高圧バッテリＢｈｉの高電位側に接続される。メインスイッチング素子ＳＷ１は一次巻線Ｌ１の他方端と高圧バッテリＢｈｉの低電位側との間に接続される。クランプ用スイッチング素子ＳＷ２は一次巻線Ｌ１の他方端とメインスイッチング素子ＳＷ１との接続点と、クランプ用コンデンサＣ３との間に接続される。整流用ダイオードＤ１のアノード端子はトランスＴの二次巻線Ｌ２の一方端に接続され、整流用ダイオードＤ２のアノード端子は二次巻線Ｌ２の他方端に接続される。インダクタＬの一方端は整流用ダイオードＤ１、Ｄ２のそれぞれのカソード端子に接続され、インダクタＬの他方端は低圧バッテリＢｌｏの高電位側に接続される。
【００１５】
なお、整流用ダイオードＤ１、Ｄ２により整流回路が構成され、インダクタＬ及び平滑用コンデンサＣ２により平滑回路が構成され、整流回路がトランスＴの二次巻線Ｌ２に接続され、平滑回路が整流回路に接続されるものとする。
【００１６】
ドライバ３は、制御部２から出力される制御信号Ｓｃ１に対応する駆動信号Ｓｄ１をメインスイッチング素子ＳＷ１の制御端子に出力することによりメインスイッチング素子ＳＷ１を駆動させる。また、ドライバ３は、制御部２から出力される制御信号Ｓｃ２に対応する駆動信号Ｓｄ２をクランプ用スイッチング素子ＳＷ２の制御端子に出力することによりクランプ用スイッチング素子ＳＷ２を駆動させる。
【００１７】
絶縁回路４は、制御部２とドライバ３とを絶縁しつつ、制御部２から出力される制御信号Ｓｃ１をドライバ３に出力するとともに、制御部２から出力される制御信号Ｓｃ２をドライバ３に出力する。
【００１８】
温度測定部５は、ドライバ３の周囲温度を測定する。
電流測定部６は、トランスＴに流れる電流を測定する。
記憶部７は、例えば、図２（ａ）に示すように、ドライバ３の周囲温度（Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４、・・・）と、ドライバ３の動作遅延時間（ｔ１１、ｔ１２、ｔ１３、ｔ１４、・・・）との対応関係を示す情報ＤＡＴＡ１を記憶する。また、記憶部７は、例えば、図３（ａ）に示すように、アクティブクランプ方式のフォワード型ＤＣＤＣコンバータ１の出力電流Ｉｏ（Ｉｏ１、Ｉｏ２、Ｉｏ３、Ｉｏ４、・・・）と、クランプ用スイッチング素子ＳＷ２がオフしてからメインスイッチング素子ＳＷ１がオンするまでのデッドタイム（ｔ２１、ｔ２２、ｔ２３、ｔ２４、・・・）との対応関係を示す情報ＤＡＴＡ２を記憶する。なお、情報ＤＡＴＡ１、ＤＡＴＡ２は、予め実験などにより求められているものとする。また、情報ＤＡＴＡ２に示されるデッドタイムは、メインスイッチング素子ＳＷ１の電圧がゼロまたは略ゼロのときにメインスイッチング素子ＳＷ１がオンする場合において、クランプ用スイッチング素子ＳＷ２がオフしてからメインスイッチング素子ＳＷ１がオンするまでの時間に等しいものとする。
【００１９】
制御部２は、制御信号Ｓｃ１、Ｓｃ２を出力して、メインスイッチング素子ＳＷ１及びクランプ用スイッチング素子ＳＷ２を交互にオン、オフさせることで、アクティブクランプ方式のフォワード型ＤＣＤＣコンバータ１の出力電圧を目標の出力電圧にさせる。メインスイッチング素子ＳＷ１がオンして高圧バッテリＢｈｉからトランスＴの一次巻線Ｌ１へ電流が流れると、トランスＴの二次巻線Ｌ２から整流用ダイオードＤ１、インダクタＬ、及び平滑用コンデンサＣ２を介して低圧バッテリＢｌｏへ電流が流れる。また、メインスイッチング素子ＳＷ１がオフすると、インダクタＬに蓄積されたエネルギーにより整流用ダイオードＤ２からインダクタＬ及び平滑用コンデンサＣ２を介して低圧バッテリＢｌｏへ電流が流れる。また、メインスイッチング素子ＳＷ１がオフして一次巻線Ｌ１からクランプ用スイッチング素子ＳＷ２のボディダイオードを介してクランプ用コンデンサＣ３へ電流が流れた後、クランプ用スイッチング素子ＳＷ２がオンしてクランプ用コンデンサＣ３からクランプ用スイッチング素子ＳＷ２を介して一次巻線Ｌ１へ電流が流れると、トランスＴの磁化がリセットされる。また、クランプ用スイッチング素子ＳＷ２のボディダイオードに電流が流れているとき、クランプ用スイッチング素子ＳＷ２がオンするため、クランプ用スイッチング素子ＳＷ２がオンするときに生じる損失を低減することができる。また、クランプ用スイッチング素子ＳＷ２がオフすると、メインスイッチング素子ＳＷ１のボディダイオードに電流が流れ、メインスイッチング素子ＳＷ１にかかる電圧が低下する。
【００２０】
また、制御部２は、制御信号Ｓｃ１、Ｓｃ２に応じてメインスイッチング素子ＳＷ１及びクランプ用スイッチング素子ＳＷ２を駆動させるドライバ３の周囲温度または、アクティブクランプ方式のフォワード型ＤＣＤＣコンバータ１の出力電流に基づいて、クランプ用スイッチング素子ＳＷ２がオフしてメインスイッチング素子ＳＷ１の電圧がゼロまたは略ゼロまで低下したとき、メインスイッチング素子ＳＷ１がオンするように、クランプ用スイッチング素子ＳＷ２がオフしてからメインスイッチング素子ＳＷ１がオンするまでのデッドタイムを調整する。
【００２１】
例えば、制御部２は、記憶部７に予め記憶されている情報ＤＡＴＡ１を参照して、温度測定部５により測定されるドライバ３の周囲温度に対応するドライバ３の動作遅延時間を求め、その求めた動作遅延時間によりクランプ用スイッチング素子ＳＷ２がオフしてからメインスイッチング素子ＳＷ１がオンするまでのデッドタイムを調整する。すなわち、制御部２は、図２（ａ）に示す情報ＤＡＴＡ１を参照して、温度測定部５により測定されるドライバ３の周囲温度に対応するドライバ３の動作遅延時間を求め、図２（ｂ）に示すように、その求めた動作遅延時間分、制御信号Ｓｃ１のローレベルからハイレベルに切り替わるタイミングを早める。なお、制御部２で求められるデッドタイムは、クランプ用スイッチング素子ＳＷ２がオフしてメインスイッチング素子ＳＷ１の電圧が低下し始めてからメインスイッチング素子ＳＷ１の電圧がゼロまたは略ゼロになるまでの時間に等しいものとする。また、制御信号Ｓｃ２がハイレベルからローレベルになるタイミングと、駆動信号Ｓｄ２がハイレベルからローレベルになるタイミングとの間には遅延が生じないものとする。また、制御信号Ｓｃ１がローレベルからハイレベルになってから、ドライバ３の動作遅延時間経過後、駆動信号Ｓｄ１がローレベルからハイレベルになるものとする。また、駆動信号Ｓｄ２がハイレベルからローレベルになると、クランプ用スイッチング素子ＳＷ２がオンからオフになり、駆動信号Ｓｄ１がローレベルからハイレベルになると、メインスイッチング素子ＳＷ１がオフからオンになるものとする。これにより、図２（ｂ）に示すように、メインスイッチング素子ＳＷ１にかかる電圧がゼロまたは略ゼロになるときにメインスイッチング素子ＳＷ１をオンさせることができる。
【００２２】
また、例えば、制御部２は、電流測定部６により測定される電流の最大値と、高圧バッテリＢｈｉの電圧と、メインスイッチング素子ＳＷ１のデューティ比とにより、アクティブクランプ方式のフォワード型ＤＣＤＣコンバータ１の出力電流を算出し、その算出した出力電流に対応するデッドタイムを求め、その求めたデッドタイムによりクランプ用スイッチング素子ＳＷ２がオフしてからメインスイッチング素子ＳＷ１がオンするまでのデッドタイムを調整する。すなわち、制御部２は、「アクティブクランプ方式のフォワード型ＤＣＤＣコンバータ１の出力電圧」＝「高圧バッテリＢｈｉの電圧」／（１−「メインスイッチング素子ＳＷ１のデューティ比」）を計算するとともに、「アクティブクランプ方式のフォワード型ＤＣＤＣコンバータ１の出力電流」＝「電流測定部６により測定される電流の最大値」×「高圧バッテリＢｈｉの電圧」／「アクティブクランプ方式のフォワード型ＤＣＤＣコンバータ１の出力電圧」を計算することにより、「アクティブクランプ方式のフォワード型ＤＣＤＣコンバータ１の出力電流」を算出する。次に、制御部２は、図３（ａ）に示す情報ＤＡＴＡ２を参照して、算出した「アクティブクランプ方式のフォワード型ＤＣＤＣコンバータ１の出力電流」に対応するデッドタイムを求め、図３（ｂ）に示すように、クランプ用スイッチング素子ＳＷ２がオフした後、その求めたデッドタイムの経過後に、メインスイッチング素子ＳＷ１がオンするように、制御信号Ｓｃ２のハイレベルからローレベルに切り替わるタイミングや制御信号Ｓｃ１のローレベルからハイレベルに切り替わるタイミングを調整する。なお、図３（ｂ）に示す例では、ドライバ３の動作遅延時間はないものとする。これにより、図３（ｂ）に示すように、メインスイッチング素子ＳＷ１にかかる電圧がゼロまたは略ゼロになるときにメインスイッチング素子ＳＷ１をオンさせることができる。
【００２３】
このように、実施形態のアクティブクランプ方式のフォワード型ＤＣＤＣコンバータ１では、制御信号Ｓｃ１、Ｓｃ２に応じてメインスイッチング素子ＳＷ１及びクランプ用スイッチング素子ＳＷ２を駆動させるドライバ３の周囲温度または、アクティブクランプ方式のフォワード型ＤＣＤＣコンバータ１の出力電流に基づいて、クランプ用スイッチング素子ＳＷ２がオフしてメインスイッチング素子ＳＷ１の電圧がゼロまたは略ゼロまで低下したとき、メインスイッチング素子ＳＷ１がオンするように、クランプ用スイッチング素子ＳＷ２がオフしてからメインスイッチング素子ＳＷ１がオンするまでのデッドタイムを調整しているため、ドライバ３の温度が変化したり、アクティブクランプ方式のフォワード型ＤＣＤＣコンバータ１の出力電流が変化したりして、メインスイッチング素子ＳＷ１をオフするタイミングやクランプ用スイッチング素子ＳＷ２をオンするタイミングが変化しても、クランプ用スイッチング素子ＳＷ２がオフしてメインスイッチング素子ＳＷ１にかかる電圧が十分に低下しているときに、メインスイッチング素子ＳＷ１をオンさせることができ、メインスイッチング素子ＳＷ１をオンするときに生じる損失を低減することができる。
【００２４】
また、本発明は、以上の実施の形態に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変更が可能である。
例えば、制御部２は、電流測定部６により測定される電流の最大値と、高圧バッテリＢｈｉの電圧と、メインスイッチング素子ＳＷ１のデューティ比とにより算出したアクティブクランプ方式のフォワード型ＤＣＤＣコンバータ１の出力電流が閾値Ｉｔｈ以下になると、または、その出力電流が閾値Ｉｔｈ以上になると、クランプ用スイッチング素子ＳＷ２がオフしてからメインスイッチング素子ＳＷ１がオンするまでのデッドタイムを、予め記憶部７に記憶されている所定のデッドタイムに切り替えることで調整するように構成してもよい。
【００２５】
また、例えば、制御部２は、電流測定部６により測定される電流の最大値と、高圧バッテリＢｈｉの電圧と、メインスイッチング素子ＳＷ１のデューティ比とにより算出したアクティブクランプ方式のフォワード型ＤＣＤＣコンバータ１の出力電流が閾値Ｉｔｈ以下になると、または、その出力電流が閾値Ｉｔｈ以上になると、温度測定部５により測定されるドライバ３の周囲温度に対応するドライバ３の動作遅延時間（例えば、情報ＤＡＴＡ１）により、クランプ用スイッチング素子ＳＷ２がオフしてからメインスイッチング素子ＳＷ１がオンするまでのデッドタイムを調整するように構成してもよい。
【符号の説明】
【００２６】
１  アクティブクランプ方式のフォワード型ＤＣＤＣコンバータ
２  制御部
３  ドライバ
４  絶縁回路
５  温度測定部
６  電流測定部
７  記憶部
Ｂｈｉ  高圧バッテリ
Ｂｌｏ  低圧バッテリ
Ｃ１  平滑用コンデンサ
Ｃ２  平滑用コンデンサ
Ｔ  トランス
Ｌ１  一次巻線
Ｌ２  二次巻線
Ｃ３  クランプ用コンデンサ
ＳＷ１  メインスイッチング素子
ＳＷ２  クランプ用スイッチング素子
Ｄ１  整流用ダイオード
Ｄ２  整流用ダイオード
Ｌ  インダクタ
Ｌｏ  走行系負荷
【図１】
2017051045.tif 000003
【図２】
2017051045.tif 000004
【図３】
2017051045.tif 000005