JP2021170934A - DC voltage conversion circuit - Google Patents

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Naoki Ayai
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Abstract

To provide a DC voltage conversion circuit that realizes a current discontinuous mode at low output.SOLUTION: There is provided a DC voltage conversion circuit comprising: a switching element; a reflux diode connected in series with the switching element; a reactor whose one end is connected to the interconnection point in the series of the switching element and the reflux diode; a first port that is connected to the other end of the reactor and one end opposite to the interconnection point of the switching element or the reflux diode, whichever is on the low potential side, to serve as one of the input and output; a second port that is connected to both ends of the series and is the other of the input and output; a current sensor that detects the current flowing in the reactor; and a control unit that corrects the detected value of the current sensor based on the inductance of the reactor, the carrier frequency, and the respective voltages of the first and second ports to switch the switching element.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、直流電圧変換回路に関する。 The present invention relates to a DC voltage conversion circuit.

DC/DCコンバータの一例である周知のチョッパ回路は、例えば、2個1組のスイッチング素子と、リアクトルとによって構成されている。ハイサイドのスイッチング素子と、ローサイドのスイッチング素子とは互いに直列に同じ向きに接続されている。各スイッチング素子には逆並列にダイオードが設けられている。2つのスイッチング素子の制御動作については、電流が流れる方向(昇圧/降圧)に応じて何れか一方のスイッチング素子を選択してスイッチングを行う切替制御と、両方のスイッチング素子の導通、非導通を交互に切り替える相補スイッチング(例えば、特許文献1、図3参照。)を行うシームレス制御と、がある。 A well-known chopper circuit, which is an example of a DC / DC converter, is composed of, for example, a set of two switching elements and a reactor. The high-side switching element and the low-side switching element are connected in series with each other in the same direction. A diode is provided in antiparallel to each switching element. Regarding the control operation of the two switching elements, switching control in which one of the switching elements is selected and switched according to the direction in which the current flows (boost / step-down) and conduction / non-conduction of both switching elements are alternated. There is a seamless control that performs complementary switching (see, for example, Patent Document 1 and FIG. 3) for switching to.

スイッチング素子がIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)などのバイポーラ型の場合には、スイッチング素子には一方向の電流しか流れず、逆方向電流はIGBTと逆並列に配置したダイオードに流れる。ダイオードはIGBT自体よりも通電抵抗が大きい。よって、相補スイッチングを行っても、リアクトルのエネルギー放出期間の導通損失を低減することができないため、切替制御を選択すべきである。 When the switching element is a bipolar type such as an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), only a unidirectional current flows through the switching element, and the reverse current flows through a diode arranged in antiparallel to the IGBT. The diode has a larger conduction resistance than the IGBT itself. Therefore, even if complementary switching is performed, the conduction loss during the energy release period of the reactor cannot be reduced, so switching control should be selected.

一方、スイッチング素子が、双方向導通可能な電界効果トランジスタ(FET:Field Effect Transistor)である場合には、相補スイッチングを行うことによって導通損失を低減することができる。そのためシームレス制御を選択する意義がある。 On the other hand, when the switching element is a field effect transistor (FET) capable of bidirectional conduction, the conduction loss can be reduced by performing complementary switching. Therefore, it is meaningful to select seamless control.

特開2014−192914号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2014-192914

しかしながら、シームレス制御には切替制御と比べて劣る点がある。それは、出力電流が小さいときに、電流不連続モードにならず、常に電流連続モードで動作するためリプル電流の振幅が大きい点である。そのため、低出力時にはスイッチング素子やリアクトルの抵抗によって発生する損失の割合が増え、変換効率が低下する。 However, seamless control is inferior to switching control. That is, when the output current is small, the current discontinuous mode is not set, and the ripple current has a large amplitude because it always operates in the current continuous mode. Therefore, at low output, the rate of loss generated by the resistance of the switching element or reactor increases, and the conversion efficiency decreases.

かかる課題に鑑み、本発明は、低出力時に電流不連続モードを実現する直流電圧変換回路を提供することを目的とする。 In view of these problems, it is an object of the present invention to provide a DC voltage conversion circuit that realizes a current discontinuous mode at low output.

本開示は以下の発明を含む、ただし、本発明は、特許請求の範囲によって定められるものである。
本開示の一表現に係る直流電圧変換回路は、ハイサイドのスイッチング素子と、前記ハイサイドのスイッチング素子と直列に接続されたローサイドのスイッチング素子と、前記ハイサイドのスイッチング素子及び前記ローサイドのスイッチング素子の直列体における相互接続点に、一端が接続されたリアクトルと、前記リアクトルの他端と、前記ローサイドのスイッチング素子の一端とに繋がっていて、入力及び出力の一方となる第1ポートと、前記直列体の両端に繋がっていて、前記入力及び出力の他方となる第2ポートと、前記リアクトルに流れる電流を検出する電流センサと、前記ハイサイド及び前記ローサイドの各スイッチング素子のスイッチングを行う制御部と、を備え、前記ハイサイド及び前記ローサイドの各スイッチング素子のうち、前記リアクトルのエネルギー放出期間に電流が流れる方のスイッチング素子は、オン状態で素子自身が双方向導通性の双方向導通素子であり、前記制御部は、前記双方向導通素子をオンにして前記エネルギー放出期間を開始し、前記リアクトルに流れる電流が0になるとオフにする、直流電圧変換回路である。
The present disclosure includes the following inventions, provided that the present invention is defined by the claims.
The DC voltage conversion circuit according to one expression of the present disclosure includes a high-side switching element, a low-side switching element connected in series with the high-side switching element, the high-side switching element, and the low-side switching element. A reactor having one end connected to an interconnection point in the series, a first port connected to the other end of the reactor and one end of the low-side switching element, and one of an input and an output. A second port connected to both ends of the series and the other of the input and output, a current sensor that detects the current flowing through the reactor, and a control unit that switches between the high-side and low-side switching elements. Of the high-side and low-side switching elements, the switching element on which the current flows during the energy release period of the reactor is a bidirectional conducting element in which the element itself is bidirectionally conductive in the ON state. The control unit is a DC voltage conversion circuit that turns on the bidirectional conductive element, starts the energy release period, and turns it off when the current flowing through the reactor becomes zero.

また、本開示の一表現による制御方法は、ハイサイドのスイッチング素子と、ローサイドのスイッチング素子と、リアクトルとを含む、直流チョッパ回路としての直流電圧変換回路について、そのスイッチングの制御部によって行われる直流電圧変換回路の制御方法であって、前記リアクトルのエネルギー蓄積期間において、前記各スイッチング素子の一方をオン、他方をオフとして、前記リアクトルに電流を流し、前記リアクトルのエネルギー放出期間において、前記各スイッチング素子の前記一方をオフにするとともに、前記他方については、双方向に導通可能として、前記リアクトルに流れる電流が0になるとオフにする、直流電圧変換回路の制御方法である。 Further, the control method according to one expression of the present disclosure is a DC voltage conversion circuit as a DC chopper circuit including a high-side switching element, a low-side switching element, and a reactor, and is performed by a DC switching control unit. A method for controlling a voltage conversion circuit, in which one of the switching elements is turned on and the other is turned off during the energy storage period of the reactor, a current is passed through the reactor, and each switching is performed during the energy release period of the reactor. This is a control method of a DC voltage conversion circuit that turns off the one of the elements and turns off the other when the current flowing through the reactor becomes 0 so that it can conduct in both directions.

本発明によれば、直流電圧変換回路に関して、低出力時に電流不連続モードを実現し、変換効率を向上させることができる。 According to the present invention, with respect to the DC voltage conversion circuit, it is possible to realize a current discontinuous mode at low output and improve the conversion efficiency.

直流電圧変換回路(DC/DCコンバータ、チョッパ回路)の一例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows an example of the DC voltage conversion circuit (DC / DC converter, chopper circuit). 放電時のゲートパルスの生成要領を示すタイミングチャートである。It is a timing chart which shows the generation procedure of a gate pulse at the time of discharge. 充電時のゲートパルスの生成要領を示すタイミングチャートである。It is a timing chart which shows the generation procedure of a gate pulse at the time of charging. シミュレーションモデルとしての、直流電圧変換回路1の回路図である。It is a circuit diagram of the DC voltage conversion circuit 1 as a simulation model. 電流指令値i =+1A、放電、電流不連続モードでのシミュレーション結果を示す波形図である。It is a waveform diagram which shows the simulation result in the current command value i * L = + 1A, discharge, and current discontinuity modes. 電流指令値i =+3A、放電、電流不連続モードでのシミュレーション結果を示す波形図である。It is a waveform diagram which shows the simulation result in the current command value i * L = + 3A, discharge, and current discontinuity modes. 電流指令値i =+5A、放電、電流連続モードでのシミュレーション結果を示す波形図である。It is a waveform diagram which shows the simulation result in the current command value i * L = + 5A, discharge, and current continuous mode. 電流指令値i =−1A、充電、電流不連続モードでのシミュレーション結果を示す波形図である。It is a waveform diagram which shows the simulation result in the current command value i * L = -1A, charge, and current discontinuity modes. 電流指令値i =−4A、充電、電流不連続モードでのシミュレーション結果を示す波形図である。It is a waveform diagram which shows the simulation result in the current command value i * L = -4A, charge, and current discontinuity modes. 電流指令値i =−5A、充電、電流連続モードでのシミュレーション結果を示す波形図である。It is a waveform diagram which shows the simulation result in the current command value i * L = -5A, charge, and current continuous mode. 電流指令値i を、−10Aと10Aとに交互に変える場合でのシミュレーション結果を示す波形図である。It is a waveform diagram which shows the simulation result at the time of changing the current command value i * L alternately to -10A and 10A.

[実施形態の要旨]
本発明の実施形態の要旨としては、少なくとも以下のものが含まれる。
[Summary of Embodiment]
The gist of the embodiment of the present invention includes at least the following.

(1)この直流電圧変換回路は、ハイサイドのスイッチング素子と、前記ハイサイドのスイッチング素子と直列に接続されたローサイドのスイッチング素子と、前記ハイサイドのスイッチング素子及び前記ローサイドのスイッチング素子の直列体における相互接続点に、一端が接続されたリアクトルと、前記リアクトルの他端と、前記ローサイドのスイッチング素子の一端とに繋がっていて、入力及び出力の一方となる第1ポートと、前記直列体の両端に繋がっていて、前記入力及び出力の他方となる第2ポートと、前記リアクトルに流れる電流を検出する電流センサと、前記ハイサイド及び前記ローサイドの各スイッチング素子のスイッチングを行う制御部と、を備え、前記ハイサイド及び前記ローサイドの各スイッチング素子のうち、前記リアクトルのエネルギー放出期間に電流が流れる方のスイッチング素子は、オン状態で素子自身が双方向導通性の双方向導通素子であり、前記制御部は、前記双方向導通素子をオンにして前記エネルギー放出期間を開始し、前記リアクトルに流れる電流が0になるとオフにする、直流電圧変換回路である。 (1) This DC voltage conversion circuit is a series of a high-side switching element, a low-side switching element connected in series with the high-side switching element, the high-side switching element, and the low-side switching element. A reactor having one end connected to the interconnection point in the above, a first port connected to the other end of the reactor and one end of the low-side switching element, and one of an input and an output, and the series. A second port, which is connected to both ends and is the other of the input and output, a current sensor that detects the current flowing through the reactor, and a control unit that switches between the high-side and low-side switching elements. Among the high-side and low-side switching elements, the switching element on which the current flows during the energy release period of the reactor is a bidirectional conducting element in which the element itself is bidirectionally conductive in the ON state. The control unit is a DC voltage conversion circuit that turns on the bidirectional conductive element, starts the energy release period, and turns it off when the current flowing through the reactor becomes zero.

このように構成された直流電圧変換回路では、制御部が、リアクトルのエネルギー放出期間においてエネルギー放出の開始から電流が0になるまでの期間、双方向導通素子をオンにする。電流が0になれば制御部は当該スイッチング素子をオフにして、逆方向へ流れようとする電流を阻止する。従って、エネルギー放出期間にリアクトルに流れる電流の絶対値は、ピーク値から0までに制限される。この結果、低出力時に、エネルギー放出期間の電流の不連続モードが実現され、変換効率を向上させることができる。 In the DC voltage conversion circuit configured in this way, the control unit turns on the bidirectional conductive element during the period from the start of energy release to the time when the current becomes 0 in the energy release period of the reactor. When the current becomes 0, the control unit turns off the switching element and blocks the current that tries to flow in the opposite direction. Therefore, the absolute value of the current flowing through the reactor during the energy release period is limited from the peak value to zero. As a result, when the output is low, the discontinuous mode of the current during the energy release period is realized, and the conversion efficiency can be improved.

(2)また、(1)の直流電圧変換回路において、例えば、前記第1ポートは入力、前記第2ポートは出力であり、前記ハイサイドのスイッチング素子が前記双方向導通素子である。
この場合、昇圧チョッパとしての直流電流変換回路において、制御部が、リアクトルのエネルギー放出期間においてエネルギー放出の開始から電流が0になるまでの期間、ハイサイドのスイッチング素子をオンにする。電流が0になれば制御部は当該スイッチング素子をオフにして、逆方向へ流れようとする電流を阻止する。従って、エネルギー放出期間にリアクトルに流れる電流の絶対値は、ピーク値から0までに制限される。この結果、エネルギー放出期間の電流の不連続モードが実現される。
(2) Further, in the DC voltage conversion circuit of (1), for example, the first port is an input, the second port is an output, and the high-side switching element is the bidirectional conducting element.
In this case, in the DC current conversion circuit as the step-up chopper, the control unit turns on the high-side switching element during the period from the start of energy release to the time when the current becomes 0 in the energy release period of the reactor. When the current becomes 0, the control unit turns off the switching element and blocks the current that tries to flow in the opposite direction. Therefore, the absolute value of the current flowing through the reactor during the energy release period is limited from the peak value to zero. As a result, a discontinuous mode of current during the energy release period is realized.

(3)また、(1)の直流電圧変換回路において、例えば、前記第1ポートは出力、前記第2ポートは入力であり、前記ローサイドのスイッチング素子が前記双方向導通素子である。
この場合、降圧チョッパとしての直流電流変換回路において、制御部が、リアクトルのエネルギー放出期間においてエネルギー放出の開始から電流が0になるまでの期間、ローサイドのスイッチング素子をオンにする。電流が0になれば制御部は当該スイッチング素子をオフにして、逆方向へ流れようとする電流を阻止する。従って、エネルギー放出期間にリアクトルに流れる電流の絶対値は、ピーク値から0までに制限される。この結果、エネルギー放出期間の電流の不連続モードが実現される。
(3) Further, in the DC voltage conversion circuit of (1), for example, the first port is an output, the second port is an input, and the low-side switching element is the bidirectional conducting element.
In this case, in the DC current conversion circuit as the step-down chopper, the control unit turns on the low-side switching element during the period from the start of energy release to the time when the current becomes 0 in the energy release period of the reactor. When the current becomes 0, the control unit turns off the switching element and blocks the current that tries to flow in the opposite direction. Therefore, the absolute value of the current flowing through the reactor during the energy release period is limited from the peak value to zero. As a result, a discontinuous mode of current during the energy release period is realized.

(4)また、(1)〜(3)のいずれかの直流電圧変換回路において、前記双方向導通素子の制御信号を得るために参照値と比較されるキャリアは、他方のスイッチング素子の制御信号を得るための三角波のキャリアと同期し、かつ、振幅が2倍の鋸歯状の三角波であってもよい。
この場合、鋸歯状の三角波と参照値とを互いに比較することで容易に、他方のスイッチング素子をオフにするタイミングを得ることができる。
(4) Further, in the DC voltage conversion circuit according to any one of (1) to (3), the carrier to be compared with the reference value in order to obtain the control signal of the bidirectional conducting element is the control signal of the other switching element. It may be a serrated triangular wave that is synchronized with the carrier of the triangular wave for obtaining the above and has twice the amplitude.
In this case, the timing for turning off the other switching element can be easily obtained by comparing the serrated triangular wave and the reference value with each other.

(5)また、(1)〜(4)のいずれかの直流電圧変換回路において、例えば、2つの前記スイッチング素子は電界効果トランジスタであり、前記制御部は、前記エネルギー放出期間に前記リアクトルに流れる電流の向きが変わらない場合には、2つの前記スイッチング素子に相補スイッチングを行わせることができる。
この場合、代表的なスイッチング素子である電界効果トランジスタ(FET)を一対用いて、高出力時は相補スイッチングを行うことにより、ダイオードを通す場合よりも導通損失を低減し、かつ、低出力時には制御により不連続モードを実現することができる。なお、他の素子によって同様のことを実現することもできるが、単一素子で双方向性を有する電界効果トランジスタが好適である。
(5) Further, in the DC voltage conversion circuit according to any one of (1) to (4), for example, the two switching elements are field effect transistors, and the control unit flows to the reactor during the energy release period. If the direction of the current does not change, the two switching elements can be made to perform complementary switching.
In this case, by using a pair of field effect transistors (FETs), which are typical switching elements, and performing complementary switching at high output, conduction loss is reduced as compared with the case of passing through a diode, and control is performed at low output. Therefore, a discontinuous mode can be realized. Although the same thing can be achieved by other elements, a field effect transistor having bidirectionality with a single element is preferable.

(6)制御方法としての観点からは、これは、ハイサイドのスイッチング素子と、ローサイドのスイッチング素子と、リアクトルとを含む、直流チョッパ回路としての直流電圧変換回路について、そのスイッチングの制御部によって行われる直流電圧変換回路の制御方法であって、前記リアクトルのエネルギー蓄積期間において、前記各スイッチング素子の一方をオン、他方をオフとして、前記リアクトルに電流を流し、前記リアクトルのエネルギー放出期間において、前記各スイッチング素子の前記一方をオフにするとともに、前記他方については、双方向に導通可能として、前記リアクトルに流れる電流が0になるとオフにする、直流電圧変換回路の制御方法である。 (6) From the viewpoint as a control method, this is performed by the switching control unit for a DC voltage conversion circuit as a DC chopper circuit including a high-side switching element, a low-side switching element, and a reactor. This is a method of controlling a DC voltage conversion circuit, wherein a current is passed through the reactor with one of the switching elements turned on and the other turned off during the energy storage period of the reactor, and the above-mentioned is performed during the energy release period of the reactor. This is a control method for a DC voltage conversion circuit that turns off one of the switching elements and turns off the other when the current flowing through the reactor becomes 0 so that it can conduct in both directions.

このような直流電圧変換回路の制御方法によれば、他方のスイッチング素子は、リアクトルのエネルギー放出期間においてエネルギー放出の開始から電流が0になるまでの期間、オンになる。電流が0になれば当該スイッチング素子をオフにして、逆方向へ流れようとする電流を阻止する。従って、エネルギー放出期間にリアクトルに流れる電流の絶対値は、ピーク値から0までに制限される。この結果、低出力時に、エネルギー放出期間の電流の不連続モードが実現され、変換効率を向上させることができる。 According to the control method of such a DC voltage conversion circuit, the other switching element is turned on during the period from the start of energy release to the time when the current becomes 0 in the energy release period of the reactor. When the current becomes 0, the switching element is turned off to block the current that tries to flow in the opposite direction. Therefore, the absolute value of the current flowing through the reactor during the energy release period is limited from the peak value to zero. As a result, when the output is low, the discontinuous mode of the current during the energy release period is realized, and the conversion efficiency can be improved.

[実施形態の詳細]
以下、本発明の一実施形態に係る直流電圧変換回路(その制御方法を含む。)について、図面を参照して説明する。
[Details of Embodiment]
Hereinafter, a DC voltage conversion circuit (including a control method thereof) according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

《回路構成例》
図1は、直流電圧変換回路(DC/DCコンバータ、チョッパ回路)の一例を示す回路図である。図において、直流電圧変換回路1は、第1ポートP1の直流電圧vを、第2ポートP2の直流電圧vに変換するか、又は、その逆の変換をする双方向変換が可能な回路となっている。相対的に、vの方が低電圧、vの方が高電圧の関係となる。
<< Circuit configuration example >>
FIG. 1 is a circuit diagram showing an example of a DC voltage conversion circuit (DC / DC converter, chopper circuit). In the figure, the DC voltage conversion circuit 1, the DC voltage v i of the first port P1, to convert the DC voltage v o of the second port P2, or bidirectional conversion circuit capable of converting the reverse It has become. Relatively, v low voltage towards the i, people of v o is the relationship between the high voltage.

直流電圧変換回路1は、主回路要素として、コンデンサ11と、リアクトル12と、ハイサイドのスイッチング素子Q、ローサイドのスイッチング素子Q、及び、コンデンサ13を備えている。スイッチング素子Q,Qは同じ向きに直列に互いに接続されて直列体を成し、その相互接続点にリアクトル12の一端が接続されている。リアクトル12の他端及びスイッチング素子Qの一端(ソース)が、第1ポートP1に繋がっている。直列体の両端(スイッチング素子Qのドレイン、スイッチング素子Qのソース)は第2ポートに繋がっている。スイッチング素子Q,QはFETであり、それぞれ、ボディダイオードd,dを有している。スイッチング素子Q,Qの各々は、オンのときは、素子自身(ボディダイオードを含まず)が双方向に通電可能である。 DC voltage converter 1 includes, as main circuit element, a capacitor 11, a reactor 12, switching elements of the high-side Q H, low-side switching element Q L, and includes a capacitor 13. The switching element Q H, Q L forms a serial body are connected to each other in series in the same direction, one end of the reactor 12 is connected to the interconnection point. One end of the other end and the switching element Q L of the reactor 12 (source), is connected to the first port P1. Both ends of the series body (the drain of the switching element Q H, the source of the switching element Q L) is connected to the second port. The switching element Q H, Q L is the FET, respectively, have a body diode d H, and d L. Each of the switching elements Q H, Q L is when on, (not including a body diode) element itself can be energized in both directions.

スイッチング素子Q,Qのオン/オフ制御は、制御部10によって行われる。制御部10は例えば、コンピュータを含み、ソフトウェア(コンピュータプログラム)をコンピュータが実行することで、必要な制御機能を実現する。ソフトウェアは、制御部10の記憶装置(図示せず。)に格納される。 The switching element Q H, ON / OFF control of Q L is performed by the control unit 10. The control unit 10 includes, for example, a computer, and the computer executes software (computer program) to realize a necessary control function. The software is stored in a storage device (not shown) of the control unit 10.

計測用の回路要素としては、電圧v又はコンデンサ11の両端電圧を検出する電圧センサ14が設けられている。電圧センサ14の検出出力は制御部10に送られる。リアクトル12に流れる電流は、電流センサ15によって検出される。電流センサ15の検出出力は制御部10に送られる。また、電圧v又はコンデンサ13の両端電圧を検出する電圧センサ16が設けられている。電圧センサ16の検出出力は制御部10に送られる。 The circuitry for measuring a voltage sensor 14 for detecting a voltage across the voltage v i or capacitor 11 is provided. The detection output of the voltage sensor 14 is sent to the control unit 10. The current flowing through the reactor 12 is detected by the current sensor 15. The detection output of the current sensor 15 is sent to the control unit 10. Further, a voltage sensor 16 for detecting the voltage vo or the voltage across the capacitor 13 is provided. The detection output of the voltage sensor 16 is sent to the control unit 10.

ここで、例えば、直流電圧変換回路1の両端の第1ポートP1及び第2ポートP2にはそれぞれ定電圧の直流電源が接続されていると考える。実際の直流電源の例としては、vには、蓄電池、太陽光発電パネル等、vには、大容量のコンデンサが接続されたDCバス等がある。これらの直流電源の電圧は、充電状態や、流れる電流によって生ずる電圧降下によって変化するが、コンデンサ11,13によってインピーダンスが低減されており、スイッチング周期程度の短時間では電圧は一定と考えてよい。よって、低電圧側、高電圧側はそれぞれ、電圧v、電圧vの電圧源とみなすことができる。リアクトル12のインダクタンスをL、リアクトルに流れる電流はi、電流iのリプルの中点における検出値をi、キャリア周波数をfとする。以下の説明では便宜上、低電圧側から高電圧側に電流が流れる場合を放電、その逆を充電と呼び、電流の符号は放電方向を「+」、充電方向を「−」と定義する。 Here, for example, it is considered that a constant voltage DC power supply is connected to the first port P1 and the second port P2 at both ends of the DC voltage conversion circuit 1. As a practical example of the DC power source, the v i, battery, solar panels, etc., the v o, there is DC bus such as a large-capacity capacitor is connected. The voltage of these DC power supplies changes depending on the state of charge and the voltage drop caused by the flowing current, but the impedance is reduced by the capacitors 11 and 13, and the voltage can be considered to be constant in a short time such as the switching cycle. Therefore, the low voltage side, the high voltage side, respectively, can be regarded as a voltage source of the voltage v i, voltage v o. The inductance of the reactor 12 L, the current flowing through the reactor i L, the current i L detection values i d at the midpoint of the ripple, the carrier frequency and f s. In the following description, for convenience, the case where a current flows from the low voltage side to the high voltage side is called discharge, and the reverse is called charge, and the sign of the current defines the discharge direction as "+" and the charge direction as "-".

《使用する記号の一覧》
:低電圧側の電圧
:高電圧側の電圧
L:リアクトルのインダクタンス
:リアクトル電流(リアクトルに流れる電流)
:リアクトル電流指令値(制御の指令値)
:リアクトル電流のセンサ検出値(キャリアの谷で検出)
Lx:電流不連続モードにおけるリアクトル電流換算値
<i>:リアクトル電流の平均値(連続モードではiと一致)
:キャリア周波数
:キャリア周期
D:ローサイドのスイッチング素子QのPWM(Pulse Width Modulation)参照値
:ハイサイドのスイッチング素子QのPWM参照値
cd:フィードバック制御のゲイン(放電時、電流連続モード)
dd:フィードバック制御のゲイン(放電時、電流不連続モード)
cc:フィードバック制御のゲイン(充電時、電流連続モード)
dc:フィードバック制御のゲイン(充電時、電流不連続モード)
<< List of symbols used >>
v i : Low voltage side voltage v o : High voltage side voltage L: Reactor inductance i L : Reactor current (current flowing through the reactor)
i * L : Reactor current command value (control command value)
id : Reactor current sensor detection value (detected in the valley of the carrier)
i Lx : Reactor current conversion value in current discontinuous mode <i L >: Average value of reactor current (matches id in continuous mode)
f s: Carrier frequency T s: carrier cycle D: low-side switching element Q L of PWM (Pulse Width Modulation) the reference value D 2: PWM reference value of the high-side switching element Q H K cd: gain of the feedback control (discharge When, current continuous mode)
K dd : Feedback control gain (current discontinuous mode during discharge)
K cc : Feedback control gain (during charging, current continuous mode)
K dc : Feedback control gain (current discontinuous mode when charging)

《制御理論》
上記ハイサイドのスイッチング素子Qと、ローサイドのスイッチング素子Qとは、交互にオンになるよう制御部10により、切替制御される。
切替制御のうち、リアクトル12をチャージ(エネルギー蓄積)する期間をエネルギー蓄積期間、ディスチャージ(エネルギー放出)する期間をエネルギー放出期間と称する。
《Control theory》
A switching element Q H of the high side, low side and the switching element Q L, the control unit 10 so as to be alternately turned on, the switching control.
Of the switching control, the period for charging (energy storage) the reactor 12 is referred to as an energy storage period, and the period for discharging (energy release) is referred to as an energy release period.

エネルギー蓄積期間に導通するFETのゲート制御パルスを生成するためのPWM参照値は以下のようにして得られる。
放電時、電流不連続モードにおけるリアクトル電流換算値は、i ≧0のとき、以下の式(1)により表される。
Lx=2Lf [(1/v)+{1/(v−v)}] ・・・(1)
The PWM reference value for generating the gate control pulse of the FET conducting during the energy storage period is obtained as follows.
The reactor current conversion value in the current discontinuity mode during discharge is expressed by the following equation (1) when i * L ≥ 0.
i Lx = 2Lf s i d 2 [(1 / v i) + {1 / (v o -v i)}] ··· (1)

また、放電時、電流連続モードにおけるローサイドのスイッチング素子QのPWM参照値Dは、i ≧0、かつ、iLx≧iの場合、以下の式(2)により表される。
D={(v−v)/v}+{KcdLf(i −i)/v
・・・(2)
Also, during discharge, PWM reference value D of the low side switching element Q L in the continuous current mode, i * L ≧ 0 and, in the case of i Lxi d, as represented by the following equation (2).
D = {(v o -v i ) / v o} + {K cd Lf s (i * L -i d) / v o}
... (2)

放電時、電流不連続モードにおけるローサイドのスイッチング素子のPWM参照値Dは、i >0、かつ、iLx<iの場合、以下の式(3)により表される。
D={2Lf(v−v)/(v)}1/2
{Lf(v−v)/(2i )}1/2 dd(i −iLx
・・・(3)
During discharge, PWM reference value D of the low side switching element in the current discontinuous mode, i * L> 0 and, in the case of i Lx <i d, as represented by the following equation (3).
D = {2Lf s (v o -v i) / (v i v o)} 1/2 +
{Lf s ( vo − v i ) / (2i * L v i v o )} 1/2 K dd (i * L − i Lx )
... (3)

充電時、電流不連続モードにおけるリアクトル電流換算値は、i <0の場合、以下の式(4)により表される。
Lx=2Lf [{1/(v−v)}−(1/v)] ・・・(4)
充電時、電流連続モードにおけるハイサイドのスイッチング素子QのPWM参照値Dは、i <0、かつ、iLx≧iの場合、以下の式(5)により表される。
=(v/v)−{KccLf(i −i)/v} ・・・(5)
When charging, the reactor current conversion value in the current discontinuous mode is expressed by the following equation (4) when i * L <0.
i Lx = 2Lf s i d 2 [{1 / (v i -v o)} - (1 / v i)] ··· (4)
Charging, PWM reference value D 2 of the switching element Q H of the high-side in the continuous current mode, i * L <0 and, in the case of i Lxi d, as represented by the following equation (5).
D 2 = (v i / v o) - {K cc Lf s (i * L -i d) / v o} ··· (5)

充電時、電流不連続モードにおけるハイサイドのスイッチング素子QのPWM参照値Dは、i <0、かつ、iLx<iの場合、以下の式(6)により表される。
={2Lf /(v(v-v))}1/2
{Lf/(2v(v−v)i )}1/2 dc(i −iLx
・・・(6)
Charging, PWM reference value D 2 of the switching element Q H of the high-side in discontinuous current mode, i * L <0 and, in the case of i Lx <i d, as represented by the following equation (6).
D 2 = {2Lf s i * L v i / (v o (v i -v o))} 1/2 +
{Lf s v i / (2v i (v i -v o) i * L)} 1/2 K dc (i * L -i Lx)
... (6)

上記式のうち、(2)、(5)は電流連続モードにおける演算式で、これらの式で得た参照値を用いたパルスを逆変換してデッドタイムを設ければ、他方のエネルギー放出期間に導通するスイッチング素子のゲート制御パルスを得ることができる。電流不連続モードにおけるエネルギー蓄積期間に導通するスイッチング素子のPWM参照値は(3)、(6)で得られるが、エネルギー放出期間に導通するスイッチング素子のゲート制御パルスは、電流連続モードと同じ単純な逆変換処理ではエネルギー放出電流が0になると同時にターンオフするようなパルスを得ることはできない。そこで、これらの数式の導出プロセスに遡って、エネルギー放出期間に導通するスイッチング素子のゲート制御パルスについて検討する。 Of the above equations, (2) and (5) are arithmetic expressions in the current continuous mode, and if a dead time is provided by inversely transforming the pulse using the reference values obtained by these equations, the other energy release period It is possible to obtain a gate control pulse of a switching element that conducts to. The PWM reference values of the switching element conducting during the energy storage period in the current discontinuous mode are obtained in (3) and (6), but the gate control pulse of the switching element conducting during the energy release period is as simple as the current continuous mode. In the reverse conversion process, it is not possible to obtain a pulse that turns off at the same time when the energy emission current becomes zero. Therefore, going back to the process of deriving these mathematical formulas, the gate control pulse of the switching element that conducts during the energy release period will be examined.

(放電時)
モードI(スイッチング素子Qオンで、スイッチング素子Qオフの期間)における連続方程式より、以下の式(7)が得られる。
=L(di/dt)=Lfpeak/D=2Lfi/D ・・・(7)
モードII(スイッチング素子Qオフで、スイッチング素子Qオンの期間)における連続方程式より、以下の式(8)が得られる。
−v=L(di/dt)=−(Lfpeak/D
=2Lf/D ・・・(8)
(At the time of discharge)
The following equation (7) is obtained from the continuity equation in mode I ( the period when the switching element Q L is on and the switching element Q H is off).
v i = L (di L / dt) = Lf s i peak / D = 2 Lfi d / D ... (7)
The following equation (8) is obtained from the continuity equation in mode II ( the period when the switching element Q L is off and the switching element Q H is on).
v i −v o = L (di L / dt) =-(Lf s i peak / D 2 )
= 2Lf s i d / D 2 ··· (8)

全期間の平均電流が電流指令値に一致する条件より以下の式(9)となる。
=(D+D)(ipeak/2) ・・・(9)
上記式(7)、式(9)式よりDを消去して、以下の式(10)が得られる。
={(Lfpeak/v)+D}(ipeak/2) ・・・(10)
式(8)よりipeakを消去して、以下の式(11)が得られる。
=D (v−v)/(2Lf) ・・・(11)
From the condition that the average current for the entire period matches the current command value, the following equation (9) is obtained.
i * L = (D + D 2 ) (i peak / 2) ・ ・ ・ (9)
By eliminating D from the above equations (7) and (9), the following equation (10) is obtained.
i * L = {(Lf s i peak / v i) + D 2} (i peak / 2) ··· (10)
By eliminating ipake from equation (8), the following equation (11) is obtained.
i * L = D 2 2 v o ( vo − v i ) / (2 Lf s v i ) ・ ・ ・ (11)

式(11)を整理して、Dのフィードフォワード項である式(12)を得る。
={2Lf /(v(v−v))}1/2 ・・・(12)
式(12)をi で偏微分して、以下の式(13)が得られる。
∂D/∂i ={Lf/(2i (v−v))}1/2
・・・(13)
式(12)に式(13)を加算して、以下の式(14)が得られる。
+∂D={2Lf /v(v−v)}1/2
{Lf/2i (v−v)}1/2 ∂i
・・・(14)
Organize the formula (11) to obtain equation (12) is a feed-forward term of D 2.
D 2 = {2Lf s i * L v i / ( vo ( vo − v i ))} 1/2 ... (12)
The following equation (13) is obtained by partially differentiating the equation (12) with respect to i * L.
∂D 2 / ∂i * L = {Lf s v i / (2i * L v o ( vo − v i ))} 1/2
... (13)
The following equation (14) is obtained by adding the equation (13) to the equation (12).
D 2 + ∂D 2 = {2Lf s i * L v i / v o ( vo − v i )} 1/2 +
{Lf s v i / 2i * L v o ( vo − v i )} 1/2 ∂i * L
... (14)

式(14)の∂i を指令値と検出値の偏差に置き換えて、フィードバック制御を組込んだPWM参照値の演算式(15)を得る。ここで、Kddは0から1の範囲をとる調整係数である。式(15)は式(3)の右辺にv/(v−v)を掛けたものとなっている。すなわち、i >0、かつ、iLx<iの場合、以下の式(15)が得られる。
={2Lf /(v(v−v))}1/2
{Lf/(2i (v−v))}1/2 dd(i −i
・・・(15)
式(15)でハイサイドのスイッチング素子Qのオン時間率は決まるが、ローサイドのスイッチング素子Qのオン/オフのタイミングとの同期を考えなければならない。
By replacing ∂i * L in the equation (14) with the deviation between the command value and the detected value, the calculation equation (15) of the PWM reference value incorporating the feedback control is obtained. Here, K dd is an adjustment coefficient in the range of 0 to 1. Equation (15) is made with those obtained by multiplying the right-hand side to v i / (v o -v i ) of the formula (3). That, i * L> 0 and, in the case of i Lx <i d, the equation (15) below is obtained.
D 2 = {2Lf s i * L v i / ( vo ( vo − v i ))} 1/2 +
{Lf s v i / (2i * L v o ( vo − v i ))} 1/2 K dd (i * L − i L )
... (15)
Although dependent on-time ratio of the switching element Q H of the high-side in equation (15), must be considered in sync with the timing of the low-side switching element Q L on / off.

図2は、放電時のゲートパルスの生成要領を示すタイミングチャートである。
図2において、まず、(a)に示すように、式(3)の参照値Dを、ピーク幅1、デューティ0.5、バイアスなしの三角波キャリアと比較して、参照値がキャリア以上となる範囲をオン期間とすることによって、(c)に示す、目的のスイッチング素子Qのゲート制御パルスGが得られる。なお、(c)のゲート信号は1組のみ示し、他の図示は省略している。
FIG. 2 is a timing chart showing a procedure for generating a gate pulse during discharge.
In FIG. 2, first, as shown in (a), the reference value D of the equation (3) is compared with the triangular wave carrier having a peak width of 1, a duty of 0.5, and no bias, and the reference value is equal to or larger than the carrier. by range and oN period, (c), the gating pulse G L of the switching element Q L object is obtained. Note that only one set of gate signals in (c) is shown, and the other illustrations are omitted.

一方、スイッチング素子Qのゲート制御パルス生成に用いるキャリアとしては、(b)に示すように、ピーク幅2、デューティ1、バイアスなしの鋸歯状の三角波キャリアを用いる。この鋸歯状の三角波は、(a)に示す三角波キャリアの前半位相0°から180°まではそのままで、位相180°から360°の間はさらに直線を延長した形状となっている。このキャリアを、下記の式(16)で得られる参照値Dと比較して、Dがキャリア以上の値をとる範囲Aを選択し、スイッチング素子Qをオフにするタイミングを得ることができる。すなわち、鋸歯状の三角波と参照値Dとを互いに比較することで容易に、スイッチング素子Qをオフにするタイミングを得ることができる。
さらにこの範囲Aからスイッチング素子Qがオンになる期間とデッドタイムを除外することにより、スイッチング素子Qのゲート制御パルスGを得ることができる。
=D+2D ・・・(16)
On the other hand, as the carrier used for the gate control pulses generated in the switching element Q H, (b), the peak width 2, duty 1, using serrated triangular wave carrier without bias. The serrated triangular wave has a shape in which the first half phase of the triangular wave carrier shown in (a) is unchanged from 0 ° to 180 °, and a straight line is further extended from the phase of 180 ° to 360 °. By comparing this carrier with the reference value D 3 obtained by the following equation (16), it is possible to select a range A in which D 3 takes a value equal to or higher than the carrier and obtain a timing to turn off the switching element Q H. can. That is, it is possible to easily by comparing with each other the reference value D 3 and serrated triangular wave to obtain a timing to turn off the switching element Q H.
Further, by excluding the time and the dead time of the switching element Q L is turned from the range A, it is possible to obtain a gate control pulse G H of the switching element Q H.
D 3 = D + 2D 2 ... (16)

デッドタイムは以下の手順で設けることができる。参照値Dにバイアス値E(図示省略)を加算して、ピーク幅1の三角波キャリアと比較して、D+Eがキャリア以上となる範囲Bを選択する。参照値Dにバイアス値Eを加算したことにより範囲B(図示省略)にはデッドタイムが含まれるため、範囲Aから範囲Bを除外することによってデッドタイムを考慮したゲート制御パルスGとなる。なおデッドタイムM、キャリアの周波数f及びバイアス値Eの関係は以下の式(17)で表すことができる。例えば、キャリア周波数20kHz(周期50マイクロ秒)に対して、1マイクロ秒のデッドタイムをつくるのであればバイアス値は0.04とする。
E=2fM ・・・(17)
The dead time can be set by the following procedure. A bias value E (not shown) is added to the reference value D, and the range B in which D + E is equal to or greater than the carrier is selected in comparison with the triangular wave carrier having a peak width of 1. Since the range B (not shown) includes the dead time by adding the bias value E to the reference value D, the gate control pulse GH in consideration of the dead time is obtained by excluding the range B from the range A. Note the relationship of the dead time M, the carrier frequency f s and the bias value E can be expressed by the following equation (17). For example, if a dead time of 1 microsecond is created for a carrier frequency of 20 kHz (cycle of 50 microseconds), the bias value is 0.04.
E = 2f s M ··· (17 )

図2の(d)に示すように、スイッチング素子Qがオンとなるエネルギー蓄積期間DTのときリアクトル電流が0からipeakまで上昇し、リアクトル12にはエネルギーが蓄えられる。その後のエネルギー放出期間Dでは、スイッチング素子Qがオフ、スイッチング素子Qがオンとなって、リアクトル電流は下降し、0になる。0になった瞬間から次のエネルギー蓄積期間までの期間Dは、リアクトル電流が0のままの不連続な期間となる。このような動作の繰り返しとなる。(d)における<i>の点線は、不連続なリアクトル電流の平均値を表している。 As shown in FIG. 2 (d), rises from the reactor current is zero when the energy storage period DT S of the switching element Q L is turned on until i peak, energy is stored in the reactor 12. In subsequent energy emission period D 2 T S, the switching element Q L is off, the switching element Q H is turned on, the reactor current is lowered, it becomes zero. Period D 3 T S from the moment it becomes 0 until the next energy storage period, the reactor current becomes discontinuous period remains zero. Such an operation is repeated. The dotted line of <i L > in (d) represents the average value of the discontinuous reactor currents.

(充電時)
モードI(スイッチング素子Qオフで、スイッチング素子Qオンの期間)における連続方程式より、以下の式(18)が得られる。
−v=L(di/dt)=Lfpeak/D
=2Lf/D ・・・(18)
モードII(スイッチング素子Qオフで、スイッチング素子Qオンの期間)における連続方程式より、以下の式(19)が得られる。
=L(di/dt)=Lfpeak/D=2Lfi/D ・・・(19)
(When charging)
The following equation (18) is obtained from the continuity equation in mode I ( the period when the switching element Q L is off and the switching element Q H is on).
v i −v o = L (di L / dt) = Lf s i peak / D 2
= 2Lf s i d / D 2 ··· (18)
The following equation (19) is obtained from the continuity equation in mode II ( the period when the switching element Q L is off and the switching element Q H is on).
v i = L (di L / dt) = Lf s i peak / D = 2 Lfi d / D ... (19)

全期間の平均電流が電流指令値に一致する条件より以下の式(20)となる。
=(D+D)(ipeak/2) ・・・(20)
上記式(18)、式(20)式よりDを消去して、以下の式(21)が得られる。
=[D+{Lfpeak/(v−v)}](ipeak/2)
・・・(21)
式(19)よりipeakを消去して、以下の式(22)が得られる。
=D/{2Lf(v−v)} ・・・(22)
From the condition that the average current for the entire period matches the current command value, the following equation (20) is obtained.
i * L = (D + D 2 ) (i peak / 2) ・ ・ ・ (20)
By eliminating D 2 from the above equations (18) and (20), the following equation (21) is obtained.
i * L = [D + { Lf s i peak / (v i -v o)}] (i peak / 2)
... (21)
By eliminating ipake from equation (19), the following equation (22) is obtained.
i * L = D 2 v o v i / {2 Lf s (v o − v i )} ・ ・ ・ (22)

式(22)を整理して、Dのフィードフォワード項である式(23)を得る。
D={2Lf (v−v)/(v)}1/2 ・・・(23)
式(23)をi で偏微分して、以下の式(24)が得られる。
∂D/∂i ={Lf(v−v)/(2i )}1/2
・・・(24)
式(23)に式(24)を加算して、以下の式(25)が得られる。
+∂D={2Lf (v−v)/(v)}1/2
{Lf(v−v)/(2i )}1/2 ∂i
・・・(25)
The equation (22) is rearranged to obtain the equation (23) which is a feedforward term of D.
D = {2Lf s i * L ( vo − v i ) / (v o v i )} 1/2 ... (23)
The following equation (24) is obtained by partially differentiating the equation (23) with respect to i * L.
∂D / ∂i * L = {Lf s (v o -v i) / (2i * L v o v i)} 1/2
... (24)
The following equation (25) is obtained by adding the equation (24) to the equation (23).
D 2 + ∂D = {2Lf s i * L ( vo − v i ) / (v o v i )} 1/2 +
{Lf s ( vo − v i ) / (2i * L v o v i )} 1/2 ∂i * L
... (25)

式(25)の∂i を指令値と検出値の偏差に置き換えて、フィードバック制御を組込んだPWM参照値の演算式(26)を得る。ここでKcdは0から1の範囲をとる調整係数である。式(26)は式(6)の右辺に(v−v)/vを掛けたものとなっている。すなわち、i <0、かつ、iLx>iの場合、以下の式(26)が得られる。
D={2Lf (v−v)/(v)}1/2
{Lf(v−v)/(2i )}1/2 cd(i −i
・・・(26)
式(26)でローサイドのスイッチング素子Qのオン時間率は決まるが、ハイサイドのスイッチング素子Qのオン/オフのタイミングとの同期を考えなければならない。
By replacing ∂i * L in the equation (25) with the deviation between the command value and the detected value, the calculation equation (26) of the PWM reference value incorporating the feedback control is obtained. Here, K cd is an adjustment coefficient in the range of 0 to 1. Equation (26) is made as that applied to the right-hand side of equation (6) (v o -v i) / v i. That, i * L <0 and,, i Lx> For i d, the equation (26) below is obtained.
D = {2Lf s i * L ( vo − v i ) / (v o v i )} 1/2 +
{Lf s (v o -v i ) / (2i * L v o v i)} 1/2 K cd (i * L -i L)
... (26)
The on-time rate of the low-side switching element Q L is determined by the equation (26), but synchronization with the on / off timing of the high-side switching element Q H must be considered.

図3は、充電時のゲートパルスの生成要領を示すタイミングチャートである。
図3において、(a)に示すように、式(6)の参照値Dを、ピーク幅1、デューティ0.5、バイアスなしの三角波キャリアと比較して、参照値がキャリア以上となる範囲をオン期間とすることによって、(c)に示す目的のスイッチング素子Qのゲート制御パルスGが得られる。なお、(c)のゲート信号は1組のみ示し、他の図示は省略している。
FIG. 3 is a timing chart showing a procedure for generating a gate pulse during charging.
3, (a), the reference value D 2 of formula (6), peak width 1, as compared duty 0.5, a triangular wave carrier without bias, range reference value is greater than or equal to the carrier the by the on period is obtained gating pulse G H of the switching element Q H objects shown in (c). Note that only one set of gate signals in (c) is shown, and the other illustrations are omitted.

一方、スイッチング素子Qのゲート制御パルス生成には、(b)に示すように、ピーク幅2、デューティ1、バイアスなしの鋸歯状の三角波をキャリアに用いる。この鋸歯状の三角波は、スイッチング素子Q用の三角波キャリアの前半位相0°から180°まではそのままで、位相180°から360°の間は直線を延長した形状となっている。このキャリアを下記の式(27)で得られる参照値Dと比較して、Dがキャリア以上の値をとる範囲Cを選択し、スイッチング素子Qをオフにするタイミングを得ることができる。すなわち、鋸歯状の三角波と参照値Dとを互いに比較することで容易に、スイッチング素子Qをオフにするタイミングを得ることができる。
さらにこの範囲Cからスイッチング素子Qがオンになる期間とデッドタイムを除外することによりスイッチング素子Qのゲート制御パルスGを得ることができる。
=2D+D ・・・(27)
On the other hand, the gating pulse generation of the switching element Q L, (b), the used peak width 2, duty 1, the serrated triangular wave without bias to the carrier. The serrated triangular wave, the first half phase 0 ° of the triangular wave carrier for the switching element Q H to 180 ° is intact, between 360 ° from the phase 180 ° has a shape obtained by extending the straight line. The carrier as compared to the reference value D 4 obtained by the following equation (27), can be obtained the timing of D 4 selects a range C which takes a value more than the carrier, to turn off the switching element Q L .. That is, it is possible to easily by comparing each other with serrated triangular wave and the reference value D 4, to obtain the timing of turning off the switching element Q L.
Can be obtained gating pulse G L of the switching element Q L by further exclude period and dead time of the switching element Q H is turned on from this range C.
D 4 = 2D + D 2 ... (27)

デッドタイムは以下の手順で設けることができる。参照値Dにバイアス値E(図示省略)を加算して、ピーク幅1の三角波キャリアと比較して、D+Eがキャリア以上となる範囲F(図示省略)を選択する。参照値Dにバイアス値Eを加算したことにより範囲Fにはデッドタイムが含まれるため、範囲Cから範囲Fを除外することによってデッドタイムを考慮したゲート制御パルスGとなる。なおデッドタイムM、キャリアの周波数f及びバイアス値Eの関係は放電時と同じく式(17)で表すことができる。 The dead time can be set by the following procedure. A bias value E (not shown) is added to the reference value D 2 to select a range F (not shown) in which D 2 + E is greater than or equal to the carrier in comparison with the triangular wave carrier having a peak width of 1. Because it contains a dead time in the range F by the reference value D 2 by adding a bias value E, the gating pulse G L considering the dead time by excluding the range F in the range C. Incidentally dead time M, the relationship of the frequency f s and a bias value E of the carrier can be expressed by the same formula as when discharge (17).

図3の(d)に示すように、充電のために、スイッチング素子Qがオンとなるエネルギー蓄積期間Dのときリアクトル電流が、絶対値で考えると、0からipeakまで上昇し、リアクトル12にはエネルギーが蓄えられる。その後のエネルギー放出期間DTでは、スイッチング素子Qがオン、スイッチング素子Qがオフとなって、リアクトル電流は下降し、0になる。0になった瞬間から次のエネルギー蓄積期間までの期間Dは、リアクトル電流が0のままの不連続な期間となる。このような動作の繰り返しとなる。(d)における<i>の点線は、不連続なリアクトル電流の平均値を表している。 As shown in FIG. 3 (d), for charging, the reactor current when the energy storage period D 2 T S of the switching element Q H is turned on, given in absolute values, increases from 0 to i peak , Energy is stored in the reactor 12. In subsequent energy release period DT S, on the switching element Q L is, the switching element Q H is turned off, the reactor current is lowered, becomes zero. Period D 3 T S from the moment it becomes 0 until the next energy storage period, the reactor current becomes discontinuous period remains zero. Such an operation is repeated. The dotted line of <i L > in (d) represents the average value of the discontinuous reactor currents.

《検証》
図4は、シミュレーションモデルとしての、直流電圧変換回路1の回路図である。
図において、第1ポートP1には200Vの直流電源2が接続されている。第2ポートP2には、350Vの直流電源3が接続されている。コンデンサ11のキャパシタンスは200μF、リアクトル12のインダクタンスは500μH、コンデンサ13のキャパシタンスは2.2mF、そして、制御部10の制御周波数は20kHzとする。デッドタイムは1マイクロ秒とした。電流が低電圧の直流電源2から高電圧の直流電源に流れる状態を、直流電源2の放電と定義し、その逆方向を充電と定義する。この状態で、制御部10は、電圧センサ14の検出出力に基づいて電圧vを取得する。また、制御部10は、電流センサ15の検出出力に基づいて、リアクトル12に流れる電流iのセンサ検出値iを取得する。また、制御部10は、電圧センサ16の検出出力に基づいて、電圧vを取得する。
"inspection"
FIG. 4 is a circuit diagram of the DC voltage conversion circuit 1 as a simulation model.
In the figure, a 200V DC power supply 2 is connected to the first port P1. A 350V DC power supply 3 is connected to the second port P2. The capacitance of the capacitor 11 is 200 μF, the inductance of the reactor 12 is 500 μH, the capacitance of the capacitor 13 is 2.2 mF, and the control frequency of the control unit 10 is 20 kHz. The dead time was 1 microsecond. The state in which the current flows from the low-voltage DC power supply 2 to the high-voltage DC power supply is defined as the discharge of the DC power supply 2, and the opposite direction is defined as the charge. In this state, the control unit 10 acquires the voltage v i based on the detection output of the voltage sensor 14. The control unit 10 based on a detection output of the current sensor 15 to obtain a sensor detection value i d of the current i L flowing through the reactor 12. Further, the control unit 10 acquires the voltage vo based on the detection output of the voltage sensor 16.

図5から図11は、シミュレーション結果を示す波形図である。各図の条件は以下の通りである。
図5:電流指令値i =+1A、放電、電流不連続モード
図6:電流指令値i =+3A、放電、電流不連続モード
図7:電流指令値i =+5A、放電、電流連続モード
図8:電流指令値i =−1A、充電、電流不連続モード
図9:電流指令値i =−4A、充電、電流不連続モード
図10:電流指令値i =−5A、充電、電流連続モード
図11:電流指令値i を、−10Aと10Aとの間で連続的に変化させる。
5 to 11 are waveform diagrams showing simulation results. The conditions in each figure are as follows.
Fig. 5: Current command value i * L = + 1A, discharge, current discontinuity mode Fig. 6: Current command value i * L = + 3A, discharge, current discontinuity mode Fig. 7: Current command value i * L = + 5A, discharge, Current continuous mode Fig. 8: Current command value i * L = -1A, charging, current discontinuous mode Fig. 9: Current command value i * L = -4A, charging, current discontinuous mode Fig. 10: Current command value i * L = -5A, charge, current continuous mode FIG. 11: The current command value i * L is continuously changed between -10A and 10A.

図5〜図10の各図においては、上段の波形図は、凡例に示す線種を用いて、参照値D,D,D,D、キャリアcw1,cw2,cw3を示している。中段の波形図は、凡例に示す線種を用いて、ケート制御パルスG,Gを示している。下段の波形図は、凡例に示す線種を用いて、リアクトル電流i(上下動している実線)、並びに、リアクトル電流に関する平均値<i>、換算値iLx、指令値i 、及び、検出値iを表している。 In each of FIGS. 5 to 10, the upper waveform diagram shows reference values D, D 2 , D 3 , D 4 , carriers cw 1, cw 2, cw 3 using the line type shown in the legend. The waveform diagram in the middle shows the Kate control pulses GL and GH using the line type shown in the legend. In the lower waveform diagram, using the line type shown in the legend, the reactor current i L (solid line moving up and down), the average value <i L >, the converted value i Lx , and the command value i * L regarding the reactor current. , and represent the detected values i d.

放電時の電流不連続モード(図5、図6)では、狙いどおりエネルギー放出期間にスイッチング素子Qにゲート制御信号が出力され、不連続なリアクトル電流iとなっている。また、エネルギー放出期間内に1マイクロ秒のデッドタイムが設けられている。リアクトル電流の平均値<i>、換算値iLxは指令値i と一致しており、検出値iはこれらより高い値を示している。 Discontinuous current mode at the time of discharging (5, 6), the gate control signal is outputted to the switching element Q H as intended energy release period has a discontinuous reactor current i L. In addition, a dead time of 1 microsecond is provided within the energy release period. The average value <i L > and the converted value i Lx of the reactor current are in agreement with the command value i * L , and the detected value id is higher than these.

電流連続モード(図7)ではシームレス制御と同じく相補スイッチングが行われているが、エネルギー蓄積からエネルギー放出への遷移、エネルギー放出からエネルギー蓄積への遷移のいずれもがエネルギー放出期間内でそれぞれ1マイクロ秒のデッドタイムが設けられている。リアクトル電流の平均値、検出値iは指令値i と一致しており、これらよりも換算値iLxの方が大きくなっている。
充電時も同様に電流不連続モード(図8、図9)、電流連続モード(図10)、共に狙い通りの制御が行われている。
In the current continuous mode (Fig. 7), complementary switching is performed as in seamless control, but the transition from energy storage to energy release and the transition from energy release to energy storage are each 1 microsecond within the energy release period. There is a dead time of seconds. The average value of the reactor current and the detected value id are in agreement with the command value i * L, and the converted value i Lx is larger than these.
Similarly, during charging, both the current discontinuous mode (FIGS. 8 and 9) and the current continuous mode (FIG. 10) are controlled as intended.

図11は電流指令値i を−10Aから+10Aの間で変化させた場合の各種の状態を示している。上から順に、第1段は、状態フラグを示しており、0は待機、1は放電不連続、2は放電連続、3は充電不連続、4は充電連続を、それぞれ表している。第2段は、リアクトル電流指令値i 及び平均値<i>が重なっている波形図である。第3段は、細い二点鎖線で描いた上下に幅のある部分が、リアクトル電流iで、その中央付近にある点線が検出値iである。残りの一点鎖線は、換算値iLxである。第4段は、凡例に示す線種により、参照値D,D,D,Dを表している。 FIG. 11 shows various states when the current command value i * L is changed between -10A and + 10A. In order from the top, the first stage indicates a state flag, where 0 is standby, 1 is discontinuous discharge, 2 is continuous discharge, 3 is discontinuous charge, and 4 is continuous charge. The second stage is a waveform diagram in which the reactor current command value i * L and the average value <i L> overlap. Third stage, part of the width in the vertical drawn by a thin two-dot chain line in reactor current i L, the dotted line in the vicinity the center is detected values i d. The remaining alternate long and short dash line is the converted value i Lx. The fourth row represents the reference values D, D 2 , D 3 , and D 4 according to the line type shown in the legend.

図11において、i が±0.1A以下の範囲は2つのスイッチング素子Q,Qを両方ともゲートブロックする待機モード(第1段の0)が設けられている。放電時も充電時も電流不連続モードから電流連続モードへの遷移、電流連続モードから電流不連続モードへの遷移はいずれも問題なく行われており、リアクトル電流のキャリア1周期平均値は指令値と一致している。 In Figure 11, i * L in the range of less than ± 0.1 A two switching elements Q H, (0 of the first stage) standby mode to the gate block both Q L is provided. The transition from the current discontinuous mode to the current continuous mode and the transition from the current continuous mode to the current discontinuous mode are all performed without any problem during both discharging and charging, and the average value of the reactor current in one carrier cycle is the command value. Is consistent with.

《まとめ》
以上、総括すると、本実施形態の直流電圧変換回路1は、まず、スイッチング素子にFETを用いたチョッパ型DC/DCコンバータである。当該直流電圧変換回路1は、基本構成として、ハイサイドのスイッチング素子Qと、このスイッチング素子Qと直列に接続されたローサイドのスイッチング素子Qと、スイッチング素子Q及びスイッチング素子Qの直列体における相互接続点に、リアクトル12の一端が接続されている。また、リアクトル12の他端と、スイッチング素子Qの一端とに繋がっていて、入力及び出力の一方となる第1ポートP1と、直列体の両端に繋がっていて、入力及び出力の他方となる第2ポートP2と、各スイッチング素子Q,Qを制御してチョッパ制御を行う制御部10と、を備えている。
"summary"
To summarize the above, the DC voltage conversion circuit 1 of the present embodiment is first a chopper type DC / DC converter using an FET as a switching element. The DC voltage converter 1, as a basic configuration, a switching element Q H of the high-side, of the connected low side to the switching element Q H series with the switching element Q L, the switching element Q H and the switching element Q L One end of the reactor 12 is connected to the interconnection point in the series. Further, the other end of the reactor 12, have led to one end of the switching element Q L, a first port P1 which serves as one input and output, have led to both ends of the series body, the other input and output a second port P2, and a control unit 10 which performs chopper control, the controls each of the switching elements Q H, a Q L.

そして、少なくとも、ハイサイド及びローサイドの各スイッチング素子Q,Qのうち、リアクトル12のエネルギー放出期間に電流が流れる方のスイッチング素子はオン状態で素子自身が双方向導通性の、双方向導通素子であることが前提となる。つまり、双方向導通素子であるからこそ連続性を断つことに意義がある制御であると言える。仮に、図1において、第1ポートP1から第2ポートP2への昇圧のみを行うのであれば、リアクトル12のエネルギー放出期間に電流が流れる方のスイッチング素子Qはオン状態で素子自身が双方向導通性の双方向導通素子、例えばFETである。また、図1において、第2ポートP2から第1ポートP1への降圧のみを行うのであれば、リアクトル12のエネルギー放出期間に電流が流れる方のスイッチング素子Qはオン状態で素子自身が双方向導通性の双方向導通素子、例えばFETである。昇圧/降圧を双方向に行う場合は、2つのスイッチング素子Q,Qは共に双方向導通素子である、ということになる。 At least, the high-side and low-side switching elements Q H, of Q L, the switching element towards the current flows to the energy release period of the reactor 12 element itself in the ON state is bidirectional conducting bidirectional conduction It is assumed that it is an element. In other words, it can be said that it is a control that is meaningful to break the continuity because it is a bidirectional conductive element. If, in FIG. 1, if performing only step-up from the first port P1 to the second port P2, the switching element Q H of the direction which current flows to the energy release period in the reactor 12 is the element itself in the ON state bidirectional A conductive bidirectional conductive element, such as an FET. Further, in FIG. 1, if performing only step-down from the second port P2 to the first port P1, the switching element Q L towards the current flows to the energy release period in the reactor 12 is the element itself in the ON state bidirectional A conductive bidirectional conductive element, such as an FET. When performing step-up / step-down in both directions, the two switching elements Q H, Q L will be referred to as a two-way conduction element together.

そして、制御部10は、双方向導通素子に、リアクトル12のエネルギー放出による電流が流れるようオンにして、その電流が0になると素子自体をオフにする。すなわち、エネルギー放出による電流を双方向導通素子であるスイッチング素子本体(FET)に逆方向導通(ソースからドレインへ)してスイッチング素子全体(ボディダイオードも含む。)の通電抵抗は低減しながら、エネルギー放出による電流が0になるとスイッチング素子本体をターンオフして不連続モードを実現する。 Then, the control unit 10 turns on the bidirectional conducting element so that a current due to the energy release of the reactor 12 flows, and turns off the element itself when the current becomes zero. That is, the current due to the energy release is conducted in the reverse direction (from the source to the drain) to the switching element main body (FET) which is a bidirectional conducting element, and the energizing resistance of the entire switching element (including the body diode) is reduced while the energy is reduced. When the current due to emission becomes 0, the switching element main body is turned off to realize the discontinuous mode.

このように構成された直流電圧変換回路1では、エネルギー放出期間にリアクトル12に流れる電流の絶対値は、ピーク値から0までに制限され、直前までと逆向きに電流が流れるということは起きない。この結果、エネルギー放出期間の電流の不連続モードが実現される。また、シミュレーションによって、この狙い通りの動作が得られることが確認された。 In the DC voltage conversion circuit 1 configured in this way, the absolute value of the current flowing through the reactor 12 during the energy release period is limited from the peak value to 0, and the current does not flow in the opposite direction to that immediately before. .. As a result, a discontinuous mode of current during the energy release period is realized. In addition, it was confirmed by simulation that the desired operation can be obtained.

この電流不連続モードとエネルギー放出による電流の逆方向導通を両立した直流電圧変換回路1は、常に相補スイッチングを行い電流連続モードのみで動作するシームレス制御方式のFETチョッパ等と比べて低出力時のリプル率を低減することができる。そのため、高効率化と低ノイズ化が期待できる。定格よりも低い出力で運用することが多い蓄電池や太陽光発電の制御に特に有効と考えられる。 The DC voltage conversion circuit 1 that achieves both the current discontinuity mode and the reverse conduction of the current due to energy release performs complementary switching at all times and operates only in the current continuous mode when the output is low compared to a seamless control type FET chopper or the like. The ripple rate can be reduced. Therefore, high efficiency and low noise can be expected. It is considered to be particularly effective for controlling storage batteries and photovoltaic power generation, which are often operated with outputs lower than the rating.

《その他》
なお、上記実施形態ではスイッチング素子としてFETを用いたが、エミッタ同士を接続した2個1組のIGBTを代わりに用いることも可能である。このようなスイッチング素子も、双方向導通素子となる。但し、単一素子で双方向性を有するFETが最も好適であると考えられる。
"others"
In the above embodiment, the FET is used as the switching element, but it is also possible to use a set of two IGBTs in which the emitters are connected to each other instead. Such a switching element is also a bidirectional conducting element. However, a single element and bidirectional FET is considered to be the most suitable.

《補記》
なお、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
<< Supplement >>
It should be noted that the embodiments disclosed this time are exemplary in all respects and are not considered to be restrictive. The scope of the present invention is indicated by the scope of claims, and it is intended to include all modifications within the meaning and scope equivalent to the scope of claims.

1 直流電圧変換回路
2 直流電源
3 直流電源
10 制御部
11 コンデンサ
12 リアクトル
13 コンデンサ
14 電圧センサ
15 電流センサ
16 電圧センサ
ボディダイオード
ボディダイオード
P1 第1ポート
P2 第2ポート
スイッチング素子
スイッチング素子
1 DC voltage converter second DC power source 3 DC power supply 10 controller 11 condenser 12 reactor 13 capacitor 14 voltage sensor 15 a current sensor 16 voltage sensor d H body diode d L body diode P1 first port P2 second port Q H switching element Q L switching element

しかしながら、シームレス制御には切替制御と比べて劣る点がある。それは、出力電流が小さいときに、電流不連続モードにならず、常に電流連続モードで動作するためリプル電流の振幅が大きい点である。そのため、低出力時にはスイッチング素子やリアクトルの抵抗によって発生する損失の割合が増え、変換効率が低下する。
一方、切替制御を採用した場合には、低出力時には、電流不連続モードが発生し得るが、電流不連続モードにおいて電流を目的の値どおりに正確に制御することは困難である。
However, seamless control is inferior to switching control. That is, when the output current is small, the current discontinuous mode is not set, and the ripple current has a large amplitude because it always operates in the current continuous mode. Therefore, at low output, the rate of loss generated by the resistance of the switching element or reactor increases, and the conversion efficiency decreases.
On the other hand, when the switching control is adopted, the current discontinuous mode may occur at the time of low output, but it is difficult to accurately control the current according to the target value in the current discontinuous mode.

本開示は、低出力時にも電流を、より正確に制御できる直流電圧変換回路を提供することを目的とする。 An object of the present disclosure is to provide a DC voltage conversion circuit capable of more accurately controlling a current even at a low output.

本開示は以下の発明を含む、ただし、本発明は、特許請求の範囲によって定められるものである The present disclosure includes the following inventions, provided that the present invention is defined by the claims .

本開示の一表現に係る直流電圧変換回路は、スイッチング素子と、前記スイッチング素子と直列に接続された還流ダイオードと、前記スイッチング素子及び還流ダイオードの直列体における相互接続点に、一端が接続されたリアクトルと、前記リアクトルの他端と、前記スイッチング素子または前記還流ダイオードの何れか低電位側の素子の、前記相互接続点とは反対側の一端とに繋がっていて、入力及び出力の一方となる第1ポートと、前記直列体の両端に繋がっていて、前記入力及び出力の他方となる第2ポートと、前記リアクトルに流れる電流を検出する電流センサと、前記スイッチング素子のスイッチングを行う制御部と、を備え、
前記制御部は、前記電流センサの検出値を、前記リアクトルのインダクタンス、キャリア周波数、前記第1ポート及び前記第2ポートのそれぞれの電圧に基づいて補正して、前記リアクトルに流れる電流の換算値を求め、前記換算値に基づいて、電流連続モードと電流不連続モードとを識別し、かつ、前記スイッチング素子のパルス幅変調制御における参照値を求める、直流電圧変換回路である。
One end of the DC voltage conversion circuit according to one expression of the present disclosure is connected to a switching element, a freewheeling diode connected in series with the switching element, and an interconnection point in a series of the switching element and the freewheeling diode. It is connected to the reactor, the other end of the reactor, and one end of the switching element or the element on the low potential side of the freewheeling diode, which is opposite to the interconnection point, and becomes one of an input and an output. A first port, a second port connected to both ends of the series and the other of the input and the output, a current sensor for detecting the current flowing through the reactor, and a control unit for switching the switching element. With,
The control unit corrects the detected value of the current sensor based on the inductance of the reactor, the carrier frequency, and the respective voltages of the first port and the second port, and calculates the converted value of the current flowing through the reactor. It is a DC voltage conversion circuit that obtains and discriminates between the current continuous mode and the current discontinuous mode based on the converted value, and obtains a reference value in pulse width modulation control of the switching element.

本開示によれば、低出力時にも電流を、より正確に制御できる直流電圧変換回路を提供することができる。According to the present disclosure, it is possible to provide a DC voltage conversion circuit capable of more accurately controlling a current even at a low output.

Claims (2)

スイッチング素子と、
前記スイッチング素子と直列に接続された還流ダイオードと、
前記スイッチング素子及び還流ダイオードの直列体における相互接続点に、一端が接続されたリアクトルと、
前記リアクトルの他端と、前記スイッチング素子または前記還流ダイオードの何れか低電位側の素子の、前記相互接続点とは反対側の一端とに繋がっていて、入力及び出力の一方となる第1ポートと、
前記直列体の両端に繋がっていて、前記入力及び出力の他方となる第2ポートと、
前記リアクトルに流れる電流を検出する電流センサと、
前記電流センサの検出値を前記リアクトルのインダクタンス、キャリア周波数、前記第1ポートおよび前記第2ポートのそれぞれの電圧に基づいて補正し、前記スイッチング素子のスイッチングを行う制御部と、を備えた直流電圧変換回路。
Switching element and
A freewheeling diode connected in series with the switching element,
A reactor having one end connected to the interconnection point in the series of the switching element and the freewheeling diode,
A first port connected to the other end of the reactor and one end of the switching element or the element on the low potential side of the freewheeling diode on the opposite side of the interconnection point, which is one of an input and an output. When,
A second port connected to both ends of the series and the other of the input and output,
A current sensor that detects the current flowing through the reactor, and
A DC voltage including a control unit that corrects the detection value of the current sensor based on the inductance of the reactor, the carrier frequency, and the respective voltages of the first port and the second port, and switches the switching element. Conversion circuit.
前記還流ダイオードに並列に、還流ダイオードの電流方向と逆方向の電流を開閉するスイッチング素子を追加した直流電圧変換回路。 A DC voltage conversion circuit in which a switching element that opens and closes a current in the direction opposite to the current direction of the freewheeling diode is added in parallel with the freewheeling diode.
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