(57)【要約】【課題】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、高圧バッテリの電圧が低下しても、メインスイッチング素子にかかる電圧がメインスイッチング素子の耐電圧を超えないようにする。【解決手段】出力電圧が目標の出力電圧になるように、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のそれぞれの動作を制御する制御部２を備えて、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を構成し、高圧バッテリＢｈｉの電圧ｖｉの低下時、メインスイッチング素子ＳＷ１にかかる電圧がメインスイッチング素子ＳＷ１の耐電圧を超えないように、目標の出力電圧を低下させる。【選択図】図１
2017051044.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
走行系負荷が接続される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、
前記トランスの二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、
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圧が目標の出力電圧になるように、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のそれぞれの動作を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記高圧バッテリの電圧の低下時、前記メインスイッチング素子にかかる電圧が前記メインスイッチング素子の耐電圧を超えないように、前記目標の出力電圧を低下させる
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、
前記制御部は、前記高圧バッテリの電圧の低下時、前記メインスイッチング素子にかかる電圧が前記メインスイッチング素子の耐電圧を超えないように、前記目標の出力電圧を段階的に低下させる
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、
前記制御部は、前記高圧バッテリの電圧の低下時、前記メインスイッチング素子にかかる電圧が前記メインスイッチング素子の耐電圧を超えないように、前記目標の出力電圧を連続的に低下させる
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コンバータは、例えば、車両に搭載される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ために使用される。
【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一定の電圧が出力される場合、高圧バッテリに接続される走行系負荷が駆動して、高圧バッテリの電圧が低下すると、その分メインスイッチング素子のデューティ比が大きくなり、図４に示すように、メインスイッチング素子にかかる電圧がメインスイッチング素子の耐電圧を超えるおそれがある。
【０００６】
本発明の一側面に係る目的は、高圧バッテリの電圧が低下しても、メインスイッチング素子にかかる電圧がメインスイッチング素子の耐電圧を超えないように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、走行系負荷が接続される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、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圧が目標の出力電圧になるように、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のそれぞれの動作を制御する制御部とを備える。そして、制御部は、高圧バッテリの電圧の低下時、メインスイッチング素子にかかる電圧がメインスイッチング素子の耐電圧を超えないように、目標の出力電圧を低下させる。
【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、高圧バッテリの電圧が低下しても、メインスイッチング素子にかかる電圧がメインスイッチング素子の耐電圧を超えないようにすることができる。
【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】実施形態のアクティブクランプ方式のフォワード型ＤＣＤＣコンバータにおける、高圧バッテリの電圧と、メインスイッチング素子にかかる電圧と、目標の出力電圧との関係の一例を示す図である。
【図３】実施形態のアクティブクランプ方式のフォワード型ＤＣＤＣコンバータにおける、高圧バッテリの電圧と、メインスイッチング素子にかかる電圧と、目標の出力電圧との関係の他の例を示す図である。
【図４】既存のアクティブクランプ方式のフォワード型ＤＣＤＣコンバータにおける、高圧バッテリの電圧と、メインスイッチング素子にかかる電圧との関係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。
【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】
制御部２は、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。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、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ているとき、メインスイッチング素子ＳＷ１がオンするため、メインスイッチング素子ＳＷ１がオンするときに生じる損失を低減することができる。
【００１７】
また、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の出力電圧が目標の出力電圧になるように、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のそれぞれの動作を制御する。すなわち、制御部２は、一次巻線Ｌ１にかかる電圧が所定電圧Ｖｏになるように、メインスイッチング素子ＳＷ１のデューティ比を制御することで、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する。例えば、制御部２は、「メインスイッチング素子ＳＷ１のデューティ比」＝（「所定電圧Ｖｏ」−「高圧バッテリＢｈｉの電圧Ｖｉ」）／「所定電圧Ｖｏ」を計算することにより、メインスイッチング素子ＳＷ１のデューティ比を求める。そして、この求めたデューティ比でメインスイッチング素子ＳＷ１の動作を制御すると、一次巻線Ｌ１にかかる電圧が所定電圧Ｖｏになり、その一次巻線Ｌ１にかかる電圧がトランスＴにより降圧され、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の出力電圧が目標の出力電圧になる。
【００１８】
また、制御部２は、高圧バッテリＢｈｉの電圧Ｖｉの低下時、メインスイッチング素子ＳＷ１にかかる電圧がメインスイッチング素子ＳＷ１の耐電圧を超えないように、目標の出力電圧を低下させる。
【００１９】
例えば、制御部２は、高圧バッテリＢｈｉの電圧Ｖｉの低下時、メインスイッチング素子ＳＷ１にかかる電圧がメインスイッチング素子ＳＷ１の耐電圧を超えないように、目標の出力電圧を段階的に低下させる。すなわち、制御部２は、図２に示すように、高圧バッテリＢｈｉの電圧Ｖｉの低下時、メインスイッチング素子ＳＷ１にかかる電圧（一次巻線Ｌ１にかかる電圧）が閾値Ｖｔｈ以上になったときに目標の出力電圧が一定電圧分低下するように、所定電圧Ｖｏを低下させる。なお、閾値Ｖｔｈは、メインスイッチング素子ＳＷ１の耐電圧よりも低い値とする。所定電圧Ｖｏの低下に伴って、上記「メインスイッチング素子ＳＷ１のデューティ比」が小さくなるため、その分、一次巻線Ｌ１に蓄積されるエネルギーが小さくなり、メインスイッチング素子ＳＷ１にかかる電圧が低くなり、メインスイッチング素子ＳＷ１にかかる電圧がメインスイッチング素子ＳＷ１の耐電圧を超えないようにすることができる。
【００２０】
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は、高圧バッテリＢｈｉの電圧Ｖｉが低下しても、メインスイッチング素子ＳＷ１にかかる電圧がメインスイッチング素子ＳＷ１の耐電圧を超えないようにすることができる。
【００２１】
また、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は、既存のアクティブクランプ方式のフォワード型ＤＣＤＣコンバータに比べて、高圧バッテリＢｈｉの電圧Ｖｉの使用可能範囲を広げることができる。
【００２２】
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、高圧バッテリＢｈｉの電圧Ｖｉの低下時、メインスイッチング素子ＳＷ１にかかる電圧がメインスイッチング素子ＳＷ１の耐電圧を超えないように、目標の出力電圧を連続的に低下させるように構成してもよい。すなわち、図３に示すように、メインスイッチング素子ＳＷ１にかかる電圧がメインスイッチング素子ＳＷ１の耐電圧を超えないようにしたときの高圧バッテリＢｈｉの電圧Ｖｉと所定電圧Ｖｏとの関係を示す情報を予め不図示の記憶部に記憶しておき、制御部２は、制御タイミング毎に、記憶部に記憶される情報を参照して、高圧バッテリＢｈｉの電圧Ｖｉに対応する所定電圧Ｖｏを取得し、その取得した所定電圧Ｖｏに基づいて、メインスイッチング素子ＳＷ１のデューティ比を求める。
【００２３】
また、例えば、制御部２は、メインスイッチング素子ＳＷ１にかかる電圧がメインスイッチング素子ＳＷ１の耐電圧を超えないように、高圧バッテリＢｈｉの電圧Ｖｉの低下に応じて、メインスイッチング素子ＳＷ１のデューティ比の最大値を低下させるように構成してもよい。
【符号の説明】
【００２４】
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
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】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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