专利名称：Dc-dc转换器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种在变压器的一次侧对输入电压进行开关并对在变压器的二次侧产生的交流电压进行整流而输出的DC-DC转换器。
背景技术：
例如，在电动汽车或混合动力汽车中，安装有用于驱动行驶用电动机的高电压电池，并且安装有对该电池的电压进行降压而提供给各种车载部件的电源装置。作为该电源装置，一般使用如下DC-DC转换器，该DC-DC转换器具有开关电路，其通过基于PWM(PulseWidth Modulation :脉冲宽度调制)信号的开关动作将直流电压转换为交流电压；整流电路，其对交流电压进行整流；变压器，其设置在开关电路与整流电路之间；以及平滑电路，其使整流电路整流后的电压平滑。专利文献I中记载了典型的DC-DC转换器。 在DC-DC转换器中，为了始终监视电路的状态，需要检测输入电压、输入电流、输出电压以及输出电流。输入电流可以通过电流传感器或电流变换器(currenttransformer)等直接进行检测。输出电流可按照与输入电流同样的方式直接进行检测，但也可以是使用输入电流的值通过计算求出。专利文献2中记载了通过计算求出输出电流的方法。输出电压可通过分压电阻直接进行检测。该情况下，由于变压器的二次侧的电压为低电压，因此分压电阻为容许功率值较小的电阻即可。另一方面，关于输入电压，如果想通过分压电阻直接对其进行检测，则由于变压器的一次侧的电压为高电压，因此需要容许功率值较大的电阻。因此，导致成本上升，并且阻碍小型化。因此，如专利文献2 4中记载的那样，公知有根据驱动开关电路的脉冲信号(PWM信号)的占空比来估计输入电压的方法。图11示出电动汽车或混合动力汽车中安装的以往的DC-DC转换器的一例。DC-DC转换器50对高电压电池52的直流电压进行开关，转换为低电压的直流，对低电压电池64进行充电。高电压电池52的直流电压经由滤波器电路51被提供给开关电路53。开关电路53具有利用从驱动电路60提供的PWM信号进行导通/截止动作的开关元件。开关电路53的输出被提供给变压器54的一次侧。变压器54的二次侧连接有由二极管D1、D2构成的整流电路55。整流电路55的输出侧连接有由线圈L和电容器C构成的平滑电路56。平滑电路56的输出是降压后的直流电压，由该直流电压对低电压电池64进行充电。在开关电路53的输入侧设置有辅助电源57和输入电流检测电路58。辅助电源57是控制部59的驱动用电源。输入电流检测电路58通过电流传感器63检测输入电流Ii。该检测值被提供给控制部59。温度检测电路62是为了温度补偿而设置的，其检测值被提供给控制部59。平滑电路56的输出侧设置有输出电压检测电路61。该输出电压检测电路61检测平滑电路56的输出电压Vo。该检测值被提供给控制部59以用于反馈控制。
控制部59由微型计算机构成。控制部59将从输出电压检测电路61反馈的输出电压Vo的检测值与目标值进行比较，根据检测值与目标值的偏差，生成用于使输出电压Vo成为目标值的指令值。该指令值被提供给驱动电路60。驱动电路60生成具有与来自控制部59的指令值对应的占空比的PWM信号，通过该PWM信号驱动开关电路53的开关元件。此外，驱动电路60还将生成的PWM信号输出到控制部59。控制部59对从驱动电路60输入的PWM信号进行解析，计算该信号的占空比。占空比是PWM信号的I个周期中的导通时间的比率。而且，使用计算出的占空比D和输出电压Vo，根据下式求出输入电压Vi。Vi=Vo (N1/N2) /D…(I)·
此处，NI是变压器54的一次侧线圈的匝数，N2是变压器54的二次侧线圈的匝数。进而，控制部59使用由输入电流检测电路58检测出的输入电流I i，根据下式求出输出电流Io。Io=Ii (N1/N2)…(2)如上所述，分别通过输入电流检测电路58和输出电压检测电路61直接检测输入电流Ii和输出电压Vo。此外，使用输出电压Vo和PWM信号的占空比D，根据式(I)通过计算求出输入电压Vi，使用输入电流Ii，根据式(2)通过计算求出输出电流Io。然而，在上述现有技术中，存在由于占空比D随着输出电流Io变动而无法正确计算输入电压Vi这样的问题。下面，參照图12对此进行说明。在图12中，(a)表示由驱动电路60中生成的PWM信号的波形，(b)表示用于计算正确的占空比的理想信号的波形，(c)表示变压器54的一次侧电压的波形，(d)表示变压器54的一次侧电流的波形。变压器54的一次侧中流动的电流的方向根据开关电路53的开关动作而切换，但由于变压器54的漏感的影响，电流方向的切换需要图12(d)所示的换相时间(commutationtime period) T。该换相时间T与输出电流Io的大小成比例，输出电流Io越増大，换相时间T越延长。而且，控制部59生成考虑了该换相时间T的占空比的指令值，因此，如图12Ca)所示，由驱动电路60生成的PWM信号具有包含了相当于换相时间T的时间(斜线部分)的占空比。結果，PWM信号的占空比根据输出电流Io而变动，因此在使用了该占空比的式
(I)的输入电压Vi的计算结果中产生误差，无法正确地求出输入电压Vi。为了正确地计算输入电压Vi，需要使用与图12 (C)所示的变压器54的一次侧电压同步的、图12 (b)那样的理想信号的占空比。然而，在根据变压器54的一次侧的PWM信号取得占空比的现有装置中，这是无法实现的。 专利文献I :日本再表2007/000830号公报专利文献2 :日本再表2009/011374号公报专利文献3 日本特开2009-205299号公报专利文献4 日本特开平9-135574号公报
发明内容
本发明的课题在于提供ー种DC-DC转换器，该DC-DC转换器能够不受变压器的一次侧电流的换相时间影响，正确地计算输入电压。本发明的DC-DC转换器具有变压器，其具有一次绕组和二次绕组；开关电路，其与该变压器的一次绕组连接，对输入电压进行开关；驱动电路，其驱动该开关电路；整流电路，其对与根据开关电路的开关动作相应地在变压器的二次绕组中产生的交流电压进行整流；以及控制部，其求出输入电压的值，并且根据该电压值执行规定的处理。控制部检测在整流电路的输入侧或输出侧出现的脉冲信号，计算该脉冲信号的占空比，根据计算出的占空比求出输入电压的值。由此，根据变压器的二次侧中的整流电路的输入侧或输出侧的脉冲信号计算占空t匕，因此，该占空比不受变压器的一次侧电流的换相时间的左右。因此，使用该占空比计算出的输入电压是不受换相时间的影响的正确的值。
在本发明中，控制部可以构成为包括以下部分脉冲信号检测部，其检测在整流电路的输入侧或输出侧出现的脉冲信号；占空比运算部，其计算由该脉冲信号检测部检测到的脉冲信号的占空比；以及输入电压运算部，其根据由该占空比运算部计算出的占空比，计算输入电压的值。该情况下，还可以设置使整流电路的输出平滑的平滑电路以及检测该平滑电路的输出电压的输出电压检测电路，输入电压运算部可以根据由占空比运算部计算出的占空比和由输出电压检测电路检测到的输出电压的检测值，计算输入电压的值。此外，在本发明中，还可以设置存储部，该存储部具有相关联地存储了占空比与输入电压的值的表，控制部可以构成为包括脉冲信号检测部，其检测在整流电路的输入侧或输出侧出现的脉冲信号；占空比运算部，其计算由该脉冲信号检测部检测到的脉冲信号的占空比；以及输入电压判定部，其根据由该占空比运算部计算出的占空比，参照上述表，提取对应于该占空比的输入电压的值。根据本发明，从变压器的二次侧中的脉冲信号取得占空比，因此能够正确地计算输入电压而不受变压器的一次侧电流的换相时间的影响。
图I是第I实施方式的DC-DC转换器的电路图。图2是示出了第I实施方式中的输入电压的计算步骤的流程图。图3是图I的电路中的信号的波形图。图4是第2实施方式的DC-DC转换器的电路图。图5是整流电路的输出侧和输入侧的脉冲信号的波形图。图6是第3实施方式的DC-DC转换器的电路图。图7是将占空比和输入电压对应关联的表的图。图8是示出了第3实施方式中的输入电压的计算步骤的流程图。图9是第4实施方式的DC-DC转换器的电路图。图10是第5实施方式的DC-DC转换器的电路图。图11是现有的DC-DC转换器的电路图。图12是图11的电路中的信号的波形图。标号说明
I :DC_DC转换器；13 :开关电路；15 :整流电路；16 :平滑电路；19 :控制部21 :输出电压检测电路；23 :存储部；23a :表；31 :脉冲信号检测部；32 占空比运算部；33 :输入电压运算部；34 :输入电压判定部；D1、D2 :ニ极管；Vi :输入电压；Vo :输出电压
具体实施例方式參照附图对本发明的实施方式进行说明。下面，以电动汽车或混合动カ汽车中安装的DC-DC转换器为例进行说明。(第I实施方式)图I示出本发明的第I实施方式。DC-DC转换器I对高电压电池2的直流电压进行开关，转换为低电压的直流，对低电压电池3进行充电。高电压电池2是驱动车辆行驶用电动机等的电源。低电压电池3是驱动各种车载部件(辅助设备)的电源。
DC-DC转换器I的输入端子Tl、T2连接高电压电池2。高电压电池2的电压为例如直流220V 400V。由高电压电池2施加到输入端子Tl、T2的输入电压Vi经由滤波器电路11被输入到开关电路13。开关电路13由如专利文献1、2中记载的那样的、桥接了 MOS-FET等开关元件的公知电路构成。开关元件通过由驱动电路20提供的PWM信号进行导通/截止的开关动作。在开关电路13的输入侧设置有辅助电源17和输入电流检测电路18。辅助电源17是控制部19的驱动用电源。输入电流检测电路18利用电流传感器12检测输入电流Ii。该检测值被提供给控制部19。温度检测电路22是为了温度补偿而设置的，其检测值被提供给控制部19。此外，点火信号IG经由端子T5被输入到控制部19。该点火信号IG还被提供给辅助电源17。进而，控制部19经由端子T6与未图示的上位装置进行通信。开关电路13的输出侧连接有变压器14的一次侧线圏。变压器14的二次侧线圈与由ニ极管D1、D2构成的整流电路15的输入侧连接。整流电路15的输出侧连接有由线圈L和电容器C构成的平滑电路16。平滑电路16的输出侧与输出端子T3、T4连接。输出端子T3、T4连接低电压电池3。平滑电路16的输出是降压后的直流电压，低电压电池3通过从输出端子T3、T4输出的输出电压Vo充电至例如直流12V。平滑电路16的输出侧设置有输出电压检测电路21。该输出电压检测电路21检测平滑电路16的输出电压Vo。该检测值被提供给控制部19以用于反馈控制。控制部19由微型计算机构成。控制部19将从输出电压检测电路21反馈来的输出电压Vo的检测值与目标值进行比较，根据检测值与目标值的偏差，生成用于使输出电压Vo成为目标值的指令值。该指令值被提供给驱动电路20。驱动电路20生成具有与来自控制部19的指令值对应的占空比的PWM信号，通过该PWM信号驱动开关电路13的开关元件。开关电路13通过开关元件的导通/截止动作，将直流电压转换为高频的交流电压。结果，在变压器14的二次侧产生脉冲电压。该电压被整流电路15整流，并且被平滑电路16平滑。整流电路15的输出侧、即ニ极管Dl的阴极与ニ极管D2的阴极的连接点和控制部19连接。在该连接点处出现的电压是如图5 (a)所示那样的被全波整流后的脉冲信号。控制部19接收该脉冲信号并取得占空比信息。控制部19包括脉冲信号检测部31、占空比运算部32以及输入电压运算部33。脉冲信号检测部31检测从整流电路15输出的脉冲信号。占空比运算部32对由脉冲信号检测部31检测到的脉冲信号进行解析，计算该信号的占空比。占空比是脉冲信号的I个周期中的导通时间的比率。输入电压运算部33使用占空比运算部32计算出的占空比D’和输出电压Vo，根据下式求出输入电压Vi。Vi=Vo · (N1/N2)/D， …(3)式(3)与前述的式(I)对应。另外，NI是变压器14的一次侧线圈的匝数，N2是变压器14的二次侧线圈的匝数。进而，控制部19通过未图示的输入电流运算部，使用由输入电流检测电路18检测至IJ的输入电流Ii，根据下式求出输出电流10。Io=Ii · (N1/N2)…(4)式(4)与前述的式(2)相同。由此，分别通过输入电流检测电路18和输出电压检测电路21直接检测输入电流Ii和输出电压Vo。此外，使用输出电压Vo和脉冲信号的占空比D’，根据式(3)通过运算求出输入电压Vi，使用输入电流Ii，根据式(4)通过计算求出输出电流Ιο。图2是表示上述输入电压Vi的计算步骤的流程图。通过控制部19执行各步骤。在步骤SI中，脉冲信号检测部31检测变压器14的二次侧(在本实施方式中，整流电路15的输出侧)的脉冲信号。在步骤S2中，占空比运算部32根据在步骤SI中检测到的脉冲信号，计算该脉冲信号的占空比D’。在步骤S3中，输入电压运算部33根据在步骤SI中计算出的占空比D ’和由输出电压检测电路21检测到的输出电压Vo，利用式(3 )计算输入电压Vi0在步骤S4中，控制部19根据在步骤S3中计算出的输入电压Vi，执行规定的处理。例如，控制部19始终监视输入电压Vi，在其电压值超过上限基准值或低于下限基准值时，判断为高电压电池2异常，经由端子T6将异常通知给上位装置。根据第I实施方式，根据变压器14的二次侧中的整流电路15的输出侧的脉冲信号计算占空比，因此该占空比不依赖于变压器14的一次侧电流的换相时间。对此通过图3进行说明。在图3中，(a)表示由驱动电路20生成的PWM信号的波形，(b)表示用于计算正确的占空比的理想信号的波形，(c)表示变压器14的一次侧电压的波形，Cd)表示整流电路15的输出电压的波形，(e)表示变压器14的一次侧电流的波形。在第I实施方式中，使用图3 (d)的脉冲信号的占空比，计算输入电压Vi。由图可知，该脉冲信号的占空比不依赖于换相时间T，与图3 (b)的理想信号的波形的占空比相同。因此，使用该占空比计算出的输入电压Vi是不受换相时间T影响的正确的值。由此，根据第I实施方式，可以得到能够正确地计算输入电压而不受变压器14的一次侧电流的换相时间的影响的DC-DC转换器。此外，不必追加特别的部件或电路，因此可以避免结构复杂化或成本上升。(第2实施方式)图4示出本发明的第2实施方式。在图4中，对与图I相同或对应的部分标注与图I相同的标号。在图I的第I实施方式中，整流电路15的输出侧与控制部19连接，但在图4的第2实施方式中，整流电路15的输入侧、即二极管D2的阳极与控制部19连接。其他的结构与图I相同，因此省略重复部分的说明。在第2实施方式中，在ニ极管D2的阳极处出现的电压是如图5 (b)所示那样的被半波整流过的脉冲信号。控制部19根据该脉冲信号以与第I实施方式相同的方式计算占空比，使用计算出的占空比和输出电压，求出输入电压(參照图2)。但是，脉冲信号是半波，因此为了计算占空比，需要进行将计算结果变为原来的2倍的处理。在这点上，第I实施方式的处理更为简単。根据第2实施方式，根据变压器14的二次侧中的整流电路15的输入侧的脉冲信号计算占空比，因此，该占空比受变压器14的一次侧电流的换相时间的左右。因此，能够得到与第I实施方式同样的效果。(第3实施方式)图6示出本发明的第3实施方式。在图6中，对与图I相同或对应的部分标注与 图I相同的标号。图6中，在第I实施方式(图I)的结构中追加了存储部23。此外，在控制部19中，代替图I的输入电压运算部33，设置有输入电压判定部34。存储部23具有图7所示那样的表23a。在表23a中相关联地存储了占空比和输入电压的值。其他的结构与图I相同，因此省略重复部分的说明。在第I实施方式中，根据由整流电路15的输出侧的脉冲信号计算出的占空比和输出电压，通过基于式(3)的计算求出了输入电压。与此相对，在第3实施方式中，根据由整流电路15的输出侧的脉冲信号计算出的占空比，參照表23a，求出与该占空比对应的输入电压值。因此，在第3实施方式的中不需要基于式(3)的计算。图8是表示求出第3实施方式中的输入电压的步骤的流程图。通过控制部19执行各步骤。在步骤Sll中，脉冲信号检测部31检测变压器14的二次侧(在本实施方式中，整流电路15的输出侦D的脉冲信号。在步骤S12中，占空比运算部32根据在步骤Sll中检测到的脉冲信号，计算该脉冲信号的占空比。在步骤S13中，输入电压判定部34參照表23a，提取与在步骤S12中计算出的占空比对应的输入电压。在步骤S14中，控制部19根据在步骤S13中提取出的输入电压，执行规定的处理。处理的内容与图2的步骤S4的情况相同。根据第3实施方式，根据变压器14的二次侧中的、整流电路15的输出侧的脉冲信号计算占空比，因此，该占空比不受变压器14的一次侧电流的换相时间的左右。因此，使用该占空比从表23a提取输入电压，由此能够正确地求出输入电压。此外，不需要输入电压的计算处理，减轻了控制部19的负担。(第4实施方式)图9不出本发明的第4实施方式。在图9中,对与图6相同或对应的部分标注与图6相同的标号。图9中，在第2实施方式(图4)的结构中追加了存储部23。此外，在控制部19中，代替图4的输入电压运算部33，设置有输入电压判定部34。存储部23具有图7所示的表23a。其他的结构与图4相同，因此省略重复部分的说明。在第4实施方式中，除了检测整流电路15的输入侧的脉冲信号这点外，以与图8相同的方式计算占空比，根据计算出的占空比，从表23a提取输入电压。因此，能够得到与第3实施方式同样的效果。(第5实施方式)图10示出本发明的第5实施方式。在图10中，对与图I相同或对应的部分标注与图I相同的标号。在图10中，在第I实施方式(图I)的结构中追加了电流传感器24和输出电流检测电路25。其他的结构与图I相同，因此省略重复部分的说明。在第I实施方式中，使用由输入电流检测电路18检测到的输入电流Ii，根据式
(4)通过计算求出输出电流Ιο。与此相对，在第5实施方式中，输出电流检测电路25通过 电流传感器24直接检测输出电流Ιο。该检测值被提供给控制部19。另外，虽然省略图示，但在第2实施方式(图4)中，也可以设置图10的电流传感器24和输出电流检测电路25。此外，在第3实施方式(图6)和第4实施方式(图9)中，也可以设置图10的电流传感器24和输出电流检测电路25。在本发明中，可以采用上述以外的各种实施方式。例如，在所述实施方式中，将存储部23设置在控制部19的外部(图6、图9)，但也可以将存储部23设置在控制部19的内部。此外，在所述实施方式中，通过I个控制部19进行输出电压Vo的反馈控制和输入电压Vi等的计算，但也可以将进行反馈控制的控制部与进行输入电压Vi等计算的控制部分离。此外，在所述实施方式中，根据求出的输入电压Vi，监视高电压电池2有无异常，但也可以根据输入电压Vi，例如通过计算求出输出电流10。该情况下，输出电流Io可以根据下式计算，Io=Ii · Vi · η/Vo …(5)此处，η是转换效率。此外，在所述实施方式中，通过从DC-DC转换器I输出的直流电压对低电压电池3进行了充电，但也可以将DC-DC转换器I的输出直接提供给负载。进而，在所述实施方式中，列举了将DC-DC转换器I安装于电动汽车或混合动力汽车的例子，但也可以将本发明的DC-DC转换器应用于车载以外的用途。
权利要求
1.一种DC-DC转换器，该DC-DC转换器具有 变压器，其具有一次绕组和二次绕组； 开关电路，其与所述变压器的一次绕组连接，对输入电压进行开关； 驱动电路，其驱动所述开关电路； 整流电路，其对与所述开关电路的开关动作相应地在所述变压器的二次绕组中产生的交流电压进行整流；以及 控制部，其求出所述输入电压的值，并根据该电压值执行规定的处理， 所述DC-DC转换器的特征在于， 所述控制部检测在所述整流电路的输入侧或输出侧出现的脉冲信号，计算该脉冲信号的占空比，根据计算出的占空比求出所述输入电压的值。
2.根据权利要求I所述的DC-DC转换器，其特征在于， 所述控制部包括 脉冲信号检测部，其检测在所述整流电路的输入侧或输出侧出现的脉冲信号； 占空比运算部，其计算由所述脉冲信号检测部检测到的脉冲信号的占空比；以及 输入电压运算部，其根据由所述占空比运算部计算出的占空比，计算所述输入电压的值。
3.根据权利要求2所述的DC-DC转换器，其特征在于，所述DC-DC转换器还具有 平滑电路，其使所述整流电路的输出平滑；以及 输出电压检测电路，其检测所述平滑电路的输出电压， 所述输入电压运算部根据由所述占空比运算部计算出的占空比和由所述输出电压检测电路检测到的输出电压的检测值，计算所述输入电压的值。
4.根据权利要求I所述的DC-DC转换器，其特征在于， 所述DC-DC转换器还具有存储部，该存储部具有相关联地存储了所述占空比与所述输入电压的值的表， 所述控制部包括 脉冲信号检测部，其检测在所述整流电路的输入侧或输出侧出现的脉冲信号； 占空比运算部，其计算由所述脉冲信号检测部检测到的脉冲信号的占空比；以及输入电压判定部，其根据由所述占空比运算部计算出的占空比，参照所述表，提取对应于该占空比的输入电压的值。
全文摘要
提供一种DC-DC转换器，其能够正确地计算输入电压而不受变压器一次侧电流的换相时间的影响。DC-DC转换器(1)具有变压器(14)，其具有一次绕组和二次绕组；开关电路(13)，其与变压器(14)的一次绕组连接，对输入电压进行开关；驱动电路(20)，其驱动开关电路(13)；整流电路(15)，其根据开关电路(13)的开关动作，对在变压器(14)的二次绕组中产生的交流电压进行整流；以及控制部(19)，其求出输入电压的值，并根据该电压值执行规定的处理。控制部(19)检测在整流电路(15)的输入侧或输出侧出现的脉冲信号，计算该脉冲信号的占空比，根据计算出的占空比求出输入电压的值。
文档编号H02M3/335GK102957323SQ20121029661
公开日2013年3月6日 申请日期2012年8月20日 优先权日2011年8月22日
发明者蜂谷孝治, 井户勇作, 大元靖理, 花谷真幸, 玉那覇肇 申请人:欧姆龙汽车电子株式会社