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JP4274364B2 - DC-DC converter - Google Patents

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JP4274364B2
JP4274364B2 JP2004029358A JP2004029358A JP4274364B2 JP 4274364 B2 JP4274364 B2 JP 4274364B2 JP 2004029358 A JP2004029358 A JP 2004029358A JP 2004029358 A JP2004029358 A JP 2004029358A JP 4274364 B2 JP4274364 B2 JP 4274364B2
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Description

本発明は、DC−DCコンバータに関し、特に、電圧変換用トランスの1次側巻線と2次側巻線の巻線比にとらわれない昇圧/降圧を可能にした絶縁型のDC−DCコンバータに関する。   The present invention relates to a DC-DC converter, and more particularly, to an insulated DC-DC converter that enables step-up / step-down that is not limited by the winding ratio of a primary side winding and a secondary side winding of a voltage conversion transformer. .

電圧変換用トランスを介在させる絶縁型のDC−DCコンバータにおいては、電圧変換用トランスの1次側に設けられたスイッチング手段をオン・オフ制御することにより電圧変換が行われる。その際に出力可能な出力電圧は電圧変換用トランスの1次側巻線と2次側巻線の巻線比により支配される。   In an insulation type DC-DC converter that interposes a voltage conversion transformer, voltage conversion is performed by on / off control of switching means provided on the primary side of the voltage conversion transformer. The output voltage that can be output at that time is governed by the turn ratio of the primary side winding and the secondary side winding of the voltage converting transformer.

図6は、本出願人が先に提案したDC−DCコンバータを示す回路図である。このDC−DCコンバータは、1次側巻線1−1と2次側巻線1−2を含む電圧変換用トランス(以下、単にトランスと称す。)1を有する。   FIG. 6 is a circuit diagram showing a DC-DC converter previously proposed by the present applicant. This DC-DC converter has a voltage conversion transformer (hereinafter simply referred to as a transformer) 1 including a primary winding 1-1 and a secondary winding 1-2.

トランス1の1次側にはスイッチング素子2−1〜2−4をブリッジ接続して構成したスイッチング手段2を設け、2次側には整流素子3−1〜3−4をブリッジ接続して構成したブリッジ型整流回路3を設ける。トランス1の2次側にはさらに、共振用リアクトルと共振用コンデンサからなる共振回路4を設ける。   The switching means 2 configured by connecting the switching elements 2-1 to 2-4 in a bridge manner is provided on the primary side of the transformer 1, and the rectifying elements 3-1 to 3-4 are configured in a bridge connection on the secondary side. The bridge type rectifier circuit 3 is provided. A secondary side of the transformer 1 is further provided with a resonance circuit 4 including a resonance reactor and a resonance capacitor.

スイッチング素子2−1〜2−4は例えばFETからなり、それぞれのスイッチング素子2−1〜2−4には寄生ダイオードなどの整流素子5−1〜5−4が付属している。なお、コンデンサ6、7は入力端子および出力取り出し端子に接続された平滑用コンデンサである。   The switching elements 2-1 to 2-4 are composed of, for example, FETs, and rectifying elements 5-1 to 5-4 such as parasitic diodes are attached to the switching elements 2-1 to 2-4. Capacitors 6 and 7 are smoothing capacitors connected to the input terminal and the output extraction terminal.

スイッチング素子2−1と2−3、2−2と2−4の対を共振回路4の共振周波数で交互にオン・オフ駆動すると、入力電圧は、そのオン・オフ駆動周波数に従った周波数でトランス1を介して昇圧あるいは降圧される。   When the pair of switching elements 2-1, 2-3, 2-2 and 2-4 are alternately turned on / off at the resonance frequency of the resonance circuit 4, the input voltage is at a frequency according to the on / off drive frequency. The voltage is increased or decreased via the transformer 1.

共振回路4の共振周波数fは、共振回路4におけるリアクトルのインダクタンスをLとし、コンデンサのキャパシタンスをCとすると、f=1/2π√LCで表され、例えばL=130μH、C=0.47μFであると、f≒20.4KHzとなる。   The resonance frequency f of the resonance circuit 4 is expressed by f = 1 / 2π√LC, where L is the inductance of the reactor in the resonance circuit 4 and C is the capacitance of the capacitor. For example, L = 130 μH and C = 0.47 μF. Then, f≈20.4 KHz.

ここで、入力電圧をV1、電圧変換用トランスの1次側巻線1−1と2次側巻線1−2との巻線比をN1:N2とすれば、スイッチング手段2をオン・オフ制御することで出力可能な出力電圧V2は下記式で表される。ただし、スイッチング損失などの損失は無視している。
V2≦(N2/N1)V1
Here, if the input voltage is V1, and the winding ratio of the primary side winding 1-1 and the secondary side winding 1-2 of the voltage converting transformer is N1: N2, the switching means 2 is turned on / off. The output voltage V2 that can be output by controlling is expressed by the following equation. However, losses such as switching loss are ignored.
V2 ≦ (N2 / N1) V1

また、電圧変換用トランスの1次側巻線と2次側巻線の巻線比以上の昇圧を可能にした双方向DC−DCコンバータが下記特許文献1で提案されている。これは、順送電の降圧時は整流回路として作用する2次側スイッチング回路の4つのスイッチング素子を、逆送電の昇圧時にはまず全てオンし、続いて一部スイッチング素子をオフし、以下このようなオン・オフ制御を繰り返してチョークコイルへの磁気エネルギ蓄積と放出が繰り返されるようにして電圧変換用トランスの巻線比以上の大きな電圧変換比を得ようとするものである。
特開2002−165448号公報
Patent Document 1 below proposes a bidirectional DC-DC converter capable of boosting a voltage more than the winding ratio of the primary side winding and the secondary side winding of the voltage conversion transformer. This is because the four switching elements of the secondary side switching circuit that acts as a rectifier circuit during step-down of forward power transmission are all turned on first at the time of step-up of reverse power transmission, and then part of the switching elements are turned off. The on / off control is repeated to repeatedly store and release the magnetic energy in the choke coil so as to obtain a voltage conversion ratio larger than the winding ratio of the voltage conversion transformer.
JP 2002-165448 A

上記従来技術のように、電圧変換用トランスの1次側巻線と2次側巻線の巻線比で電圧変換比が制約されると、要求される出力電圧の下限(あるいは上限)に制約がある場合にはそれに伴い入力電圧の下限(あるいは上限)も制約される。このため、入力電圧が大きく変動することが想定される場合には電圧変換用トランスの巻線比を十分に大きくとっておかざるを得ないという課題がある。   When the voltage conversion ratio is restricted by the turn ratio of the primary side winding and the secondary side winding of the voltage conversion transformer as in the above-described conventional technology, the lower limit (or upper limit) of the required output voltage is restricted. If there is, the lower limit (or upper limit) of the input voltage is restricted accordingly. For this reason, when it is assumed that the input voltage fluctuates greatly, there is a problem that the winding ratio of the voltage conversion transformer must be set sufficiently large.

例えば、電源装置として使用するエンジン駆動発電機において、エンジン発電機により負荷に給電する共にバッテリを充電する場合、通常負荷の運転時にエンジン回転数が4000rpm、発電出力電圧が260Vとすると、この時の発電出力電圧260Vを降圧して12Vバッテリを充電するには巻線比20:1の電圧変換用トランスを用いて13V程度の充電電圧確保することが必要である。   For example, in an engine-driven generator used as a power supply device, when the engine generator supplies power to the load and charges the battery, if the engine speed is 4000 rpm and the power generation output voltage is 260 V during normal load operation, In order to charge the 12V battery by stepping down the generated output voltage 260V, it is necessary to secure a charging voltage of about 13V using a voltage conversion transformer having a winding ratio of 20: 1.

ここで負荷量に応じてエンジン回転数が制御され、軽負荷の運転時にエンジン回転数が2500rpm、発電出力電圧が180Vになったとすると、この時にバッテリに与えられる電圧は9Vになって、バッテリを充電する電圧としては不十分なものとなる。この例では、バッテリの充電だけを考えれば電圧変換用トランスの巻線比を例えば14:1に設定して発電出力電圧が180Vになってもバッテリに12.8Vの電圧が与えられるようにすることが考えられるが、こうすると、通常負荷運転時に18.6Vの過電圧がバッテリに印加されることになり、印加電圧を制限することが必要となる。   Here, if the engine speed is controlled according to the load amount, and the engine speed is 2500 rpm and the power generation output voltage is 180 V during light load operation, the voltage applied to the battery at this time is 9 V, The voltage to be charged is insufficient. In this example, considering only the charging of the battery, the winding ratio of the voltage conversion transformer is set to 14: 1, for example, so that the voltage of 12.8V can be given to the battery even if the power generation output voltage becomes 180V. In this case, however, an overvoltage of 18.6 V is applied to the battery during normal load operation, and it is necessary to limit the applied voltage.

また、DC−DCコンバータを双方向DC−DCインバータとして構成し、負荷への給電のアシストにバッテリを使用することを考えると、バッテリ電圧の昇圧によって得られる電圧は128V(12V×14)となり、発電出力電圧180Vにとどかないため、昇圧を行ってもバッテリから負荷へ給電することはできなくなくなってしまう。   In addition, when the DC-DC converter is configured as a bidirectional DC-DC inverter and a battery is used for assisting power supply to the load, the voltage obtained by boosting the battery voltage is 128 V (12 V × 14). Since the power generation output voltage is not limited to 180V, power cannot be supplied from the battery to the load even if the voltage is boosted.

また、上記特許文献1で提案されている双方向DC−DCコンバータではスイッチング回路の4つのスイッチング素子をまず全てオンにし、続いて一対のスイッチング素子をオフにするというオン・オフ制御を繰り返すことで電圧変換を行うものであり、全てあるいは一対のスイッチング素子を同時にオン・オフさせる構成であるため、オン・オフのタイミングのずれによるスイッチング損失が発生しやすいという課題がある。また、電圧変換比を種々に可変することが困難である。さらに、オン・オフのタイミングを電流値が零付近に設定することが困難であり、そのタイミングのずれによりスイッチング損失が発生するという課題もある。   Further, in the bidirectional DC-DC converter proposed in Patent Document 1, on / off control is repeated by first turning on all four switching elements of the switching circuit and then turning off the pair of switching elements. Since voltage conversion is performed and all or a pair of switching elements are turned on / off at the same time, there is a problem in that switching loss is likely to occur due to a difference in on / off timing. In addition, it is difficult to vary the voltage conversion ratio in various ways. Furthermore, it is difficult to set the on / off timing to a current value near zero, and there is a problem in that switching loss occurs due to a deviation in the timing.

本発明は、上記課題を解決し、電圧変換用トランスの1次側巻線と2次側巻線の巻線比にとらわれず、高い変換効率で昇圧/降圧が可能なDC−DCコンバータを提供することを目的とする。   The present invention solves the above-described problems and provides a DC-DC converter capable of step-up / step-down with high conversion efficiency regardless of the winding ratio of the primary side winding and the secondary side winding of the voltage conversion transformer. The purpose is to do.

上記課題を解決するために、本発明は、電圧変換用トランスと、前記電圧変換用トランスの1次側に設けられ、入力電圧をオン・オフするスイッチング手段と、前記電圧変換用トランスの2次側に設けられた整流回路および出力取り出し端子と、前記スイッチング手段をオン・オフさせる駆動手段を有するDC−DCコンバータにおいて、前記スイッチング手段をブリッジ型スイッチング回路で構成し、前記電圧変換用トランスの2次側巻線と直列にリアクトルを設け、前記整流回路をブリッジ型整流回路として構成すると共に前記ブリッジ型整流回路を構成する整流素子と並列に短絡スイッチを設け、前記短絡スイッチのオンデューティを前記スイッチング手段のオンタイミングに同期させて制御し、前記ブリッジ型整流回路に流れる電流の一部を前記短絡スイッチのオン動作で前記リアクトルへ環流させることにより昇圧比を変更可能に構成した点に第1の特徴がある。 In order to solve the above problems, the present invention includes a transformer voltage conversion, provided on the primary side of the voltage conversion transformer, and a switching means for turning on and off the input voltage, the prior SL-voltage conversion transformer 2 In a DC-DC converter having a rectifier circuit and an output extraction terminal provided on the secondary side, and a driving means for turning on and off the switching means, the switching means is constituted by a bridge type switching circuit, and the voltage conversion transformer A reactor is provided in series with the secondary winding, the rectifier circuit is configured as a bridge-type rectifier circuit , a short-circuit switch is provided in parallel with the rectifier element forming the bridge-type rectifier circuit, and the on-duty of the short-circuit switch is The current flowing in the bridge type rectifier circuit controlled in synchronization with the ON timing of the switching means There is first characterized in that the changeable constructed up ratio by causing a portion on-operation of the short-circuit switch ring flowed to the reactor.

また、本発明は、前記電圧変換用トランスの2次側出力電圧を検出し、該2次側出力電圧が所定値になるように前記短絡スイッチのオンデューティを制御する点に第2の特徴がある。   The second feature of the present invention is that the secondary output voltage of the voltage conversion transformer is detected and the on-duty of the short-circuit switch is controlled so that the secondary output voltage becomes a predetermined value. is there.

また、本発明は、前記リアクトルと共にLC共振回路を構成する共振用コンデンサを備え、前記駆動手段は前記スイッチング手段を前記LC共振回路の共振周波数でオン・オフさせる点に第3の特徴がある。   Further, the present invention has a third feature in that a resonance capacitor that constitutes an LC resonance circuit together with the reactor is provided, and the driving means turns on and off the switching means at a resonance frequency of the LC resonance circuit.

さらに、本発明は、前記スイッチング手段を構成するスイッチング素子に並列にそれぞれ整流素子を設けることにより、双方向性のDC−DCコンバータ機能が具備された点に第4の特徴がある。 Furthermore, the present invention, by a Turkey respectively provided rectifying elements in parallel to the switching elements constituting the switching means, there is a fourth feature in that the DC-DC converter function of the bi-directional is provided.

本発明の第1の特徴によれば、1次側のスイッチング手段と同期して2次側の短絡スイッチを駆動し、その駆動の際のオンデューティを制御することによって電圧変換用トランスの巻線比による制約を超えて昇圧された種々の出力電圧を得ることができる。また、短絡スイッチの駆動は一対でなく1個でよいため、スイッチング損失の発生を抑制できる。   According to the first aspect of the present invention, the winding of the voltage converting transformer is driven by driving the secondary short-circuit switch in synchronization with the primary-side switching means and controlling the on-duty during the driving. Various output voltages boosted exceeding the ratio limitation can be obtained. Further, since the short-circuit switch may be driven by one instead of a pair, occurrence of switching loss can be suppressed.

また、第2の特徴によれば、電圧変換用トランスの巻線比により制約を超えて昇圧された出力電圧を目標電圧に容易に設定できる。   Further, according to the second feature, the output voltage boosted beyond the limitation by the winding ratio of the voltage converting transformer can be easily set as the target voltage.

また、第3の特徴によれば、スイッチングによる電流波形を正弦波状にすることができるため、スイッチング素子がオフするタイミングを電流値の零クロス点付近に設定することが容易になる。また、トランスの伝達遅れなどに起因するスイッチング素子の短絡防止のために、デッドタイムを大きくとったり、駆動時間を短くしたりする必要がない。これにより変換効率を高めることが可能になる。   Further, according to the third feature, since the current waveform by switching can be made sinusoidal, it is easy to set the timing at which the switching element is turned off near the zero cross point of the current value. Further, it is not necessary to increase the dead time or shorten the driving time in order to prevent a short circuit of the switching element due to a transmission delay of the transformer. This makes it possible to increase the conversion efficiency.

さらに、第4の特徴によれば、高圧側からのバッテリの充電やこのバッテリを利用しての負荷への給電アシストを簡単に行うことができ、その際の昇圧比や降圧比を自在かつ容易に制御できる。   Furthermore, according to the fourth feature, it is possible to easily charge the battery from the high voltage side and to assist the power supply to the load using this battery, and the step-up ratio and step-down ratio at that time can be freely and easily set. Can be controlled.

以下、図面を参照して本発明を説明する。図1は、本発明に係るDC−DCコンバータの実施形態を示す回路図であり、図6と同一あるいは同等部分には同一符号を付してある。図1が図6と異なるのは、トランス1の2次側に設けたブリッジ型整流回路3の整流素子3−1〜3−4のそれぞれに並列に、短絡スイッチとして機能するスイッチング素子8−1〜8−4を接続し、これらの短絡スイッチ8−1〜8−4のオンデューティをスイッチング手段2のスイッチング素子2−1〜2−4のオンタイミングに同期させて制御する点である。スイッチング素子8−1〜8−4は、例えばFETからなる。   The present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a circuit diagram showing an embodiment of a DC-DC converter according to the present invention, and the same or equivalent parts as in FIG. FIG. 1 differs from FIG. 6 in that a switching element 8-1 that functions as a short-circuit switch in parallel with each of the rectifying elements 3-1 to 3-4 of the bridge type rectifier circuit 3 provided on the secondary side of the transformer 1. 8-4 are connected, and the on-duty of these short-circuit switches 8-1 to 8-4 is controlled in synchronization with the on-timing of the switching elements 2-1 to 2-4 of the switching means 2. The switching elements 8-1 to 8-4 are made of FETs, for example.

次に、本実施形態の動作を説明する。まず、トランス1の巻線比N1:N2以下の比で電圧変換を行う通常動作を図1を参照して説明する。通常動作の場合、共振回路4の回路素子の素子定数に基づく共振周波数でスイッチング手段2をオン・オフ駆動する。すなわちスイッチング素子2−1と2−3、2−2と2−4の対を交互にオン・オフ駆動する。このとき、2次側スイッチング素子8−1〜8−4はオフのままとする。   Next, the operation of this embodiment will be described. First, a normal operation for performing voltage conversion at a winding ratio N1: N2 or less of the transformer 1 will be described with reference to FIG. In the normal operation, the switching means 2 is driven on / off at a resonance frequency based on the element constant of the circuit element of the resonance circuit 4. That is, the pairs of switching elements 2-1 and 2-3, 2-2 and 2-4 are alternately turned on / off. At this time, the secondary side switching elements 8-1 to 8-4 are kept off.

図3(a)のタイムチャートは、スイッチング素子2−1と2−3のオン・オフタイミングSW1、スイッチング素子2−2と2−4のオン・オフタイミングSW2、スイッチング素子8−1〜8−4のオン・オフタイミングSW3を示す。SW1およびSW2は交互にオン・オフを繰り返し、SW3はオフのままである。なお、SW1およびSW2のオンデューティは、巻線比以下であれば、要求される出力電圧に応じて変えられる。   The time chart of FIG. 3A shows the on / off timing SW1 of the switching elements 2-1 and 2-3, the on / off timing SW2 of the switching elements 2-2 and 2-4, and the switching elements 8-1 to 8--. 4 shows the on / off timing SW3. SW1 and SW2 alternately turn on and off, and SW3 remains off. Note that the on-duty of SW1 and SW2 can be changed according to the required output voltage as long as it is less than the winding ratio.

トランス1の1次側には図1に実線で示す電流I−1と破線で示す電流I−2が交互に流れ、これによりトランス1の2次側に電流I−3と電流I−4が流れる。電流I−3、I−4はそれぞれ整流素子3−1と3−3、3−2と3−4の対で整流される。これによりトランス1の巻線比N1:N2以下の比で1次側から2次側へのDC−DC変換が行われる。   A current I-1 indicated by a solid line and a current I-2 indicated by a broken line in FIG. 1 alternately flow on the primary side of the transformer 1, and thereby, a current I-3 and a current I-4 flow on the secondary side of the transformer 1. Flowing. The currents I-3 and I-4 are rectified by pairs of rectifying elements 3-1 and 3-3, 3-2 and 3-4, respectively. As a result, DC-DC conversion from the primary side to the secondary side is performed at a winding ratio N1: N2 or less of the transformer 1.

次に、トランス1の巻線比N1:N2を超える比で電圧変換を行う場合の動作を図2を参照して説明する。共振回路4の回路素子の素子定数に基づく共振周波数でスイッチング手段2をオン・オフ駆動する点は上記と同じである。   Next, an operation when voltage conversion is performed at a ratio exceeding the winding ratio N1: N2 of the transformer 1 will be described with reference to FIG. The point that the switching means 2 is driven on and off at the resonance frequency based on the element constant of the circuit element of the resonance circuit 4 is the same as described above.

この場合にはスイッチング素子2−1と2−3のオン期間の一部でスイッチング素子8−2または8−4をオンさせ、スイッチング素子2−2と2−4のオン期間の一部でスイッチング素子8−1または8−3をオンさせる。   In this case, the switching element 8-2 or 8-4 is turned on during a part of the ON period of the switching elements 2-1 and 2-3, and the switching is performed during a part of the ON period of the switching elements 2-2 and 2-4. The element 8-1 or 8-3 is turned on.

図2は、このときの動作を示す図であり、スイッチング素子2−1と2−3のオン期間の一部でスイッチング素子8−2をオンさせた時にトランス1の1次側に流れる電流I−1および2次側に流れる電流I−5の経路を示している。   FIG. 2 is a diagram showing the operation at this time, and the current I flowing to the primary side of the transformer 1 when the switching element 8-2 is turned on during a part of the ON period of the switching elements 2-1 and 2-3. -1 and the path of the current I-5 flowing to the secondary side is shown.

2次側に流れる電流I−5の経路から明らかなように、スイッチング素子8−4をオンさせた時、入力側からみると出力側はトランス1を挟んで短絡状態になる。この短絡状態の期間中は共振回路4のリアクトルにエネルギが貯えられる。   As apparent from the path of the current I-5 flowing on the secondary side, when the switching element 8-4 is turned on, the output side is short-circuited across the transformer 1 when viewed from the input side. Energy is stored in the reactor of the resonance circuit 4 during this short-circuit state.

次にスイッチング素子8−4をオフして短絡状態を開放すると、短絡状態時にリアクトルに貯えられたエネルギがトランス1の巻線比で昇圧された電圧に加算されて出力に現れる。これによりトランス1の巻線比N1:N2以上の比での電圧変換が可能になる。   Next, when the switching element 8-4 is turned off to open the short circuit state, the energy stored in the reactor in the short circuit state is added to the voltage boosted by the winding ratio of the transformer 1 and appears in the output. As a result, voltage conversion at a winding ratio N1: N2 or more of the transformer 1 becomes possible.

図3(b)のタイムチャートは、スイッチング素子2−1と2−3のオン・オフタイミングSW1、スイッチング素子2−2と2−4のオン・オフタイミングSW2、スイッチング素子8−2または8−4のオン・オフタイミングSW3-1、スイッチング素子8−1または8−3のオン・オフタイミングSW3-2を示す。図3(b)は、スイッチング素子2−1と2−3のオン期間の一部(短絡期間)t1でスイッチング素子8−2または8−4のオンさせ、スイッチング素子2−2と2−4のオン期間の一部(短絡期間)t2でスイッチング素子8−1または8−3のオンさせる例を示している。短絡期間t1と短絡期間t2は通常、同一に設定される。また短絡期間t1、t2を変えることにより電圧変換比を変化させて種々の出力電圧を出力させることができる。   The time chart of FIG. 3B shows the on / off timing SW1 of the switching elements 2-1 and 2-3, the on / off timing SW2 of the switching elements 2-2 and 2-4, the switching element 8-2 or 8- 4 shows an on / off timing SW3-1, and an on / off timing SW3-2 of the switching element 8-1 or 8-3. In FIG. 3B, the switching elements 8-2 or 8-4 are turned on during a part (short circuit period) t1 of the ON periods of the switching elements 2-1 and 2-3, and the switching elements 2-2 and 2-4 are turned on. In this example, the switching element 8-1 or 8-3 is turned on during part of the on-period (short-circuit period) t2. The short circuit period t1 and the short circuit period t2 are normally set to be the same. Further, by changing the short-circuit period t1, t2, various output voltages can be output by changing the voltage conversion ratio.

図4は、制御系をも含めた本発明の実施形態を示すブロック図である。本実施形態では、トランス1の2次側出力電圧を検出し、この2次側出力電圧が目標電圧値になるようにスイッチング素子2−1〜2−4、8−1〜8−4をオン・オフ制御する。例えば目標電圧値がトランス1の巻線比で十分に変換可能な値であれば1次側のスイッチング素子2−1〜2−4をオン・オフ制御して目標電圧を達成し、目標電圧値がトランス1の巻線比で得ることができない高い値であればさらにスイッチング素子8−1〜8−4を上記のようにオン・オフ制御して目標電圧を達成する。   FIG. 4 is a block diagram showing an embodiment of the present invention including a control system. In this embodiment, the secondary output voltage of the transformer 1 is detected, and the switching elements 2-1 to 2-4 and 8-1 to 8-4 are turned on so that the secondary output voltage becomes the target voltage value.・ Control off. For example, if the target voltage value is a value that can be sufficiently converted by the winding ratio of the transformer 1, the target voltage value is achieved by controlling on / off the switching elements 2-1 to 2-4 on the primary side. Is a high value that cannot be obtained by the winding ratio of the transformer 1, the switching elements 8-1 to 8-4 are further turned on / off as described above to achieve the target voltage.

具体的には、制御系はトランス1の2次側出力電圧を検出する出力電圧検出手段9を有する。出力電圧検出手段9は検出出力を制御部10に与える。制御部10はCPUなどからなり、目標電圧値がトランス1の巻線比で十分に変換可能な値であればスイッチング手段2のドライバ11にのみ制御信号を与え、スイッチング素子2−1と2−3、2−2と2−4の対を交互にオンデューティ50%以内で設定出力電圧となるようにオンデューティを制御する。   Specifically, the control system includes output voltage detection means 9 that detects the secondary output voltage of the transformer 1. The output voltage detection means 9 gives a detection output to the control unit 10. If the target voltage value is a value that can be sufficiently converted by the winding ratio of the transformer 1, the control unit 10 gives a control signal only to the driver 11 of the switching means 2, and the switching elements 2-1 and 2- 3. The on-duty is controlled so that the pair of 2-2, 2-4 alternately becomes the set output voltage within 50% of the on-duty.

また、目標電圧値がトランス1の巻線比で得ることができない高い値であれば、さらにスイッチング素子8−1〜8−4のドライバ12に制御信号を与える。このとき、ドライバ11はスイッチング手段2のスイッチング素子2−1と2−3、2−2と2−4の対を交互に例えばオンデューティ50%で駆動し、ドライバ12は、目標電圧と出力電圧検出手段9の検出出力の差がなくなるようにスイッチング素子8−2または8−4、スイッチング素子8−1または8−3のオン期間(短絡期間t1、t2)を50%以内で制御する。   Further, if the target voltage value is a high value that cannot be obtained by the winding ratio of the transformer 1, a control signal is further given to the drivers 12 of the switching elements 8-1 to 8-4. At this time, the driver 11 alternately drives the pair of switching elements 2-1, 2-3, 2-2 and 2-4 of the switching means 2, for example, with an on-duty of 50%. The ON period (short-circuit period t1, t2) of the switching element 8-2 or 8-4 and the switching element 8-1 or 8-3 is controlled within 50% so that the difference in the detection output of the detection means 9 is eliminated.

図5は、本発明の適用例を示す回路図である。本適用例は、発電機13を含む直流電源とバッテリ14で電力を融通し合って負荷に電力を供給するシステムに、図1のDC−DCコンバータを適用した例である。発電機13は、例えばエンジン駆動式の3相の多極磁石発電機である。   FIG. 5 is a circuit diagram showing an application example of the present invention. This application example is an example in which the DC-DC converter of FIG. 1 is applied to a system in which electric power is interchanged by a DC power source including a generator 13 and a battery 14 to supply electric power to a load. The generator 13 is, for example, an engine-driven three-phase multipolar magnet generator.

まず、エンジンの始動時には、DC−DCコンバータ100の低圧側スイッチング手段8のスイッチング素子8−1と8−3、8−2と8−4の対を交互にオンし、これにより昇圧したバッテリ14のDC電圧を駆動用インバータ(整流回路)15に印加する。駆動用インバータ15は、印加されたDC電圧を3相のAC電圧に変換して発電機13に印加し、これをエンジン始動用電動機として起動する。   First, when the engine is started, the pair of switching elements 8-1 and 8-3 and 8-2 and 8-4 of the low-voltage side switching means 8 of the DC-DC converter 100 are alternately turned on, and the battery 14 boosted thereby. Is applied to the drive inverter (rectifier circuit) 15. The drive inverter 15 converts the applied DC voltage into a three-phase AC voltage and applies it to the generator 13 to start it as an engine starting motor.

エンジンが始動すると、発電機13はエンジンにより駆動され、駆動用インバータ15のスイッチング動作は停止される。発電機13の出力は、整流回路(駆動用インバータ)15で整流され、レギュレータ16で調整され、さらにインバータ17で所定周波数の交流電力に変換されて負荷へ供給される。   When the engine is started, the generator 13 is driven by the engine, and the switching operation of the drive inverter 15 is stopped. The output of the generator 13 is rectified by a rectifier circuit (drive inverter) 15, adjusted by a regulator 16, further converted into AC power having a predetermined frequency by an inverter 17, and supplied to a load.

バッテリ14の電圧が低下した時、DC−DCコンバータ100の高圧側スイッチング手段2のスイッチング素子2−1と2−3、2−2と2−4の対を交互にオンすれば、整流回路15の出力をDC−DCコンバータ100により降圧し、降圧した電圧でバッテリ14を充電することができる。   When the voltage of the battery 14 drops, the rectifier circuit 15 can be obtained by alternately turning on the pair of switching elements 2-1, 2-3, 2-2 and 2-4 of the high-voltage side switching means 2 of the DC-DC converter 100. Can be stepped down by the DC-DC converter 100 and the battery 14 can be charged with the stepped down voltage.

発電機13の出力が低下して十分なバッテリ充電電圧が得られなくなった時には低圧側スイッチング手段8のスイッチング素子8−1〜8−4を上記のようにオン・オフ駆動して短絡期間を生成することにより十分なバッテリ充電電圧が得られるようにする。   When the output of the generator 13 decreases and a sufficient battery charge voltage cannot be obtained, the switching elements 8-1 to 8-4 of the low-voltage side switching means 8 are turned on / off as described above to generate a short-circuit period. By doing so, a sufficient battery charging voltage can be obtained.

また、バッテリ14を負荷への給電アシストに利用する場合には、高圧側スイッチング手段2のスイッチング素子2−1〜2−4を同様にオン・オフ駆動して短絡期間を生成することにより十分な昇圧比で負荷への給電が行われるようにすることができる。   Further, when the battery 14 is used for assisting power supply to the load, it is sufficient to drive the switching elements 2-1 to 2-4 of the high voltage side switching means 2 in the same manner to generate a short circuit period. Power can be supplied to the load at the boost ratio.

なお、本適用例は、エンジン駆動式発電機からなる直流電源をバッテリでアシストする例であるが、本発明は、これに限らず、バッテリ、通常の発電機、太陽光発電、風力発電、燃料電池などの適宜の直流電源系でを組合せる場合にも適用でき、例えば、ハイブリッド車両などでの走行電力系と保安電装系とで電力のやり取りを行わせる場合にも適用できる。   In addition, although this application example is an example which assists the direct-current power source which consists of an engine drive type generator with a battery, this invention is not restricted to this, A battery, a normal generator, solar power generation, wind power generation, fuel The present invention can also be applied when combining with an appropriate DC power supply system such as a battery. For example, it can also be applied when power is exchanged between a traveling power system and a safety electrical system in a hybrid vehicle.

本発明に係るDC−DCコンバータの実施形態を示す回路図である。1 is a circuit diagram showing an embodiment of a DC-DC converter according to the present invention. トランスの巻線比以上の電圧変換比で昇圧を行う場合の動作説明図である。It is operation | movement explanatory drawing in the case of performing pressure | voltage rise with the voltage conversion ratio more than the winding ratio of a transformer. DC−DCコンバータの動作説明のためのタイムチャートである。It is a time chart for operation | movement description of a DC-DC converter. 本発明の実施形態を制御系をも含めて示すブロック図である。It is a block diagram which shows embodiment of this invention also including a control system. 本発明の適用例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the example of application of this invention. 先に提案のDC−DCコンバータを示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the DC-DC converter proposed previously.

符号の説明Explanation of symbols

1・・・トランス、1−1・・・低圧側巻線、1−2・・・高圧側巻線、2・・・スイッチング手段、2−1〜2−4,8−1〜8−4・・・スイッチング素子、3・・・ブリッジ型整流回路、3−1〜3−4,5−1〜5−4・・・整流素子、4・・・LC共振回路、6,7・・・平滑用コンデンサ、9・・・出力電圧検出手段、10・・・制御部(CPU)、11,12・・・ドライバ、13・・・発電機、14・・・バッテリ、15・・・駆動用インバータ(整流回路)、16・・・レギュレータ、17・・・インバータ、100・・・DC−DCコンバータ DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Transformer, 1-1 ... Low voltage side winding, 1-2 ... High voltage side winding, 2 ... Switching means, 2-1 to 2-4, 8-1 to 8-4 ... Switching element, 3 ... Bridge type rectifier circuit, 3-1 to 3-4, 5-1 to 5-4 ... Rectifier element, 4 ... LC resonance circuit, 6,7 ... Smoothing capacitor, 9 ... output voltage detecting means, 10 ... control unit (CPU), 11, 12 ... driver, 13 ... generator, 14 ... battery, 15 ... for driving Inverter (rectifier circuit), 16 ... regulator, 17 ... inverter, 100 ... DC-DC converter

Claims (4)

電圧変換用トランスと、前記電圧変換用トランスの1次側に設けられ、入力電圧をオン・オフするスイッチング手段と、前記電圧変換用トランスの2次側に設けられた整流回路および出力取り出し端子と、前記スイッチング手段をオン・オフさせる駆動手段を有するDC−DCコンバータにおいて、
前記スイッチング手段をブリッジ型スイッチング回路で構成し、前記電圧変換用トランスの2次側巻線と直列にリアクトルを設け、前記整流回路をブリッジ型整流回路として構成すると共に前記ブリッジ型整流回路を構成する整流素子と並列に短絡スイッチを設け、
前記短絡スイッチのオンデューティを前記スイッチング手段のオンタイミングに同期させて制御し、前記ブリッジ型整流回路に流れる電流の一部を前記短絡スイッチのオン動作で前記リアクトルへ環流させることにより昇圧比を変更可能に構成したことを特徴とするDC−DCコンバータ。
A transformer voltage conversion, the provided on the primary side of the voltage conversion transformer, and a switching means for turning on and off the input voltage, the rectifier circuit provided on the secondary side of the front SL voltage conversion transformer and the output extraction terminals And a DC-DC converter having driving means for turning on and off the switching means,
The switching means is constituted by a bridge type switching circuit, a reactor is provided in series with the secondary winding of the voltage conversion transformer, the rectifier circuit is constituted as a bridge type rectifier circuit, and the bridge type rectifier circuit is constituted. Provide a short-circuit switch in parallel with the rectifier element,
The step-up ratio is changed by controlling the on-duty of the short-circuit switch in synchronization with the on-timing of the switching means, and circulating a part of the current flowing through the bridge type rectifier circuit to the reactor by the on-operation of the short-circuit switch. A DC-DC converter characterized by being configured.
前記電圧変換用トランスの2次側出力電圧を検出し、該2次側出力電圧が所定値になるように前記短絡スイッチのオンデューティを制御することを特徴とする請求項1に記載のDC−DCコンバータ。 2. The DC− according to claim 1, wherein a secondary output voltage of the voltage conversion transformer is detected, and an on-duty of the short-circuit switch is controlled so that the secondary output voltage becomes a predetermined value. DC converter. 前記リアクトルと共にLC共振回路を構成する共振用コンデンサを備え、前記駆動手段は前記スイッチング手段を前記LC共振回路の共振周波数でオン・オフさせることを特徴とする請求項1に記載のDC−DCコンバータ。 2. The DC-DC converter according to claim 1, further comprising a resonance capacitor that forms an LC resonance circuit together with the reactor, wherein the driving unit turns on and off the switching unit at a resonance frequency of the LC resonance circuit. . 前記スイッチング手段を構成するスイッチング素子に並列にそれぞれ整流素子を設けることにより、双方向性のDC−DCコンバータ機能が具備されたことを特徴とする請求項1に記載のDC−DCコンバータ。 Wherein the a Turkey respectively provided rectifying elements in parallel to the switching elements constituting the switching means, a DC-DC converter according to claim 1, characterized in that the DC-DC converter function bidirectional is provided.
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