斬波器電路、dc/dc轉換器和燃料電池系統的製作方法
2023-04-28 18:00:16
專利名稱：斬波器電路、dc/dc轉換器和燃料電池系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種斬波器電路，其使用與斬波器電路相關聯的軟開關操作和技術。
背景技術：
在現有技術中，在使用半導體電力轉換器的領域中，使用軟開關斬波器電路以便減少電力損失(日本專利申請公布No. 2009-112182 (JP-A-2009-112182))。斬波器電路的主開關元件和輔助開關元件的開/關操作以作為開/關信號的柵極信號分別從控制電路傳送至兩個開關元件的方式來執行。來自控制單元的柵極信號經由線束(WH)等進行傳送以便進行信號傳輸。然而，存在柵極信號由於線束斷開、外部噪聲等而沒有輸入到輔助開關元件，並且輔助開關元件因此沒有進行操作的情況。在這種情況下，在主開關元件進行操作時，施加於主開關元件的電壓可能增大以使得主開關元件的開關操作 變為硬開關，而導致故障。
發明內容
本發明提供了一種斬波器電路以及與該斬波器電路相關聯的技術。本發明的第一方面提供了一種斬波器電路。該斬波器電路包括輸入單元，其輸入用於接通主開關元件的主接通信號以及用於接通輔助開關元件的輔助接通信號；和禁止單元，除非輸入輔助接通信號，否則禁止單元禁止主開關元件被接通。在使用軟開關操作的斬波器電路中，對輔助開關元件的開關時序進行控制以減小在主開關元件被接通時施加於主開關元件的電壓。在以上方面中執行開關操作的情況下，如果在向輔助開關元件傳送輔助接通信號的傳輸線路中出現異常等(線纜斷開、噪聲等)並且因此輔助接通信號沒有被正常輸入到輔助開關元件，則輔助開關元件無法執行用於減小施加於主開關元件的電壓的控制，從而主開關元件要以高電壓進行開關(硬開關操作)。當主開關元件要進行硬開關操作時，可能會出現故障。在根據以上方面的斬波器電路中，禁止單元在輔助接通信號由於傳輸線路的異常等而沒有正常輸入到輔助開關元件時禁止主開關元件被接通。因此，主開關元件不會進行硬開關操作，從而可能避免主開關元件的故障。在以上方面中，禁止單元可以包括延遲電路，並且除非在輔助接通信號被輸入到輔助開關元件之後已經經過了預定時間段，否則該延遲電路可以禁止主開關元件被接通。當開關信號的傳輸線路的信號中包括噪聲等，並且因此輔助接通信號和主接通信號以短的時間間隔輸入到斬波器電路時，在常規斬波器電路中，輔助開關元件和主開關元件中每一個的開關時序可能會處於正常範圍之外，並且因此主開關元件會進行硬開關操作。然而，利用根據以上方面的斬波器電路，由於該斬波器電路包括延遲電路，所以即便輔助接通信號和主接通信號以輔助接通信號和主接通信號之間短的時間間隔被輸入，該時間間隔也被校正為正常時間間隔。因此，可能避免主開關元件的硬開關操作。在以上方面中，禁止單元可以由邏輯電路形成。利用根據以上方面的斬波器電路，由於禁止單元由邏輯電路形成，所以與通過CPU執行的處理確定是否接通主開關元件時相t匕，能夠以更快的確定來控制主開關元件的開關。本發明的第二方面提供了一種DC/DC轉換器。該DC/DC轉換器包括連接到直流電源的DC輸入單兀；對來自DC輸入單兀的直流電力輸入的電壓進行轉換的斬波器電路；以及輸出電壓被斬波器轉換的直流電壓的DC輸出單元，其中斬波器電路包括主開關元件；輔助開關元件；輸入用於接通主開關元件的主接通信號以及用於接通輔助開關元件的輔助接通信號的輸入單元；以及除非輸入輔助接通信號否則禁止主開關元件被接通的禁止單元，其中斬波器電路控制輔助開關元件的開關時序以執行軟開關操作，以便控制主開關元件被接通時施加至主開關元件的電壓。根據以上方面，當斬波器電路的輔助接通信號沒有被輸入到輔助開關元件時，能夠避免主開關元件的硬開關操作。本發明的第三方面提供了一種燃料電池系統。該燃料電池系統包括向負載提供電力的燃料電池；和使用斬波器電路控制電力的電壓的DC/DC轉換器，其中斬波器電路包括主開關元件；輔助開關元件；輸入用於接通主開關元件的主接通信號以及用於接通輔助開關元件的輔助接通信號的輸入單元；以及除非輸入輔助接通信號否則禁止主開關元件 被接通的禁止單元，其中斬波器電路控制輔助開關元件的開關時序以執行軟開關操作，以便控制主開關元件被接通時施加至主開關元件的電壓。根據以上方面，當斬波器電路的輔助接通信號沒有被輸入到輔助開關元件時，能夠避免主開關元件的硬開關操作。注意，本發明的各方面可以以各種形式來實施。例如，本發明的各方面可以以諸如軟開關方法、軟開關設備、電力轉換系統，用於實現所述方法和設備的功能的集成電路和計算機，以及在其中記錄電腦程式的記錄介質的形式來實施。
以下將參考附圖對本發明的特徵、優勢以及技術和工業重要性進行描述，在附圖中相同的附圖標記表示相同的元素，並且其中圖I是圖示燃料電池系統10的配置的視圖；圖2是圖示軟開關轉換器60的電路配置的視圖；圖3是圖示開關控制單元50的配置的視圖；圖4A和圖4B是圖示根據實施例的邏輯電路的效果的時序圖；圖5是圖示根據針對實施例的第一替換實施例的開關控制單元50的配置的視圖；圖6A和圖6B是圖不根據針對實施例的第一替換實施例的開關兀件SI和S2的開關的時序圖；以及圖7A和7B是圖示軟開關轉換器的應用示例的視圖。
具體實施例方式接下來，將對本發明的實施例進行描述。第一實施例(Al)燃料電池系統的配置假設燃料電池混合動力車輛(FCHV)作為本實施例中的車輛的示例；然而，本實施例也可以應用於電動車輛或混合動力車輛。
圖I是圖示根據第一實施例的為車輛配備的燃料電池系統10的配置的視圖。燃料電池系統10包括控制單元20、供電設備30和負載40。供電設備30向負載提供直流電力。負載40例如包括以直流進行操作的負載或者以經由逆變器的交流進行操作的負載。供電設備30通過線束WH連接到控制單元20。例如，在車輛行駛時，控制單元20基於車輛的加速、外圍設備(照明燈、音頻等)上的負載等來計算負載所獲取的電力，並且隨後響應於所計算的結果對從供電設備30輸出的電力進行控制。此外，供電設備30包括開關控制單元50、軟開關轉換器60和燃料電池FC。開關控制單元50連接在控制單元20和電源設備30中的軟開關轉換器60之間。開關控制單元50將在隨後進行描述。燃料電池FC採用從所供應的燃料氣體(例如，氫氣)和氧化氣體產生電力的發電模式。燃料電池FC具有堆結構，其中每一個都具有薄膜電極組件(MEA)等的單個電池相互串聯堆疊。特別地，可以使用各種類型的燃料電池，諸如聚合物電解液燃料電池、磷酸燃料電池和熱熔碳酸鹽燃料電池。軟開關轉換器60是升高從燃料電池FC提供的直流電力的電壓的DC/DC轉換器 (升壓轉換器)。軟開關轉換器60包括將在隨後描述的開關元件SI，並且由斬波器電路形成，斬波器電路利用開關元件SI的開關操作對提供至負載的電力的電壓進行控制。軟開關轉換器60包括隨後描述的開關元件S2，並且對開關元件S2的開關時序進行控制以減小在開關元件SI的開關操作時施加至開關元件SI的電壓。開關元件SI的軟開關操作通過開關元件SI的以上開關操作來實現。控制單元20配置為微型計算機，其內部包括CPU、RAM和ROM。控制單元20根據以上所描述的基於加速等的處理向軟開關轉換器60輸出柵極信號。柵極信號分別控制軟開關轉換器60的開關元件SI和開關元件S2的開關時序。具體地，控制單元20經由線束WH朝向軟開關轉換器60輸出SI柵極信號和S2柵極信號。SI柵極信號用來控制開關兀件SI的開關時序。S2柵極信號用來控制開關元件S2的開關時序。(A2)軟開關轉換器的配置接下來，將對軟開關轉換器60的配置進行描述。圖2是圖示軟開關轉換器60的電路配置的視圖。順便提及，軟開關轉換器的詳細操作原理在日本專利申請公布No. 2009-165245 (JP-A-2009-165245)中有所描述，所以其描述被省略。軟開關轉換器60由包括主電路和輔助電路的斬波器電路形成。主電路由電抗器LI、二極體Dl、開關元件SI、二極體D2、濾波器電容器Cl和平滑電容器C2形成。電抗器LI的第一端連接到作為燃料電池FC (圖I)的直流電源E的正電極。二極體Dl的陽極連接到電抗器LI的第二端，並且二極體Dl的陰極連接到負載40的第一端。開關元件SI的第一端連接到電抗器LI的第二端，並且開關元件SI的第二端連接到直流電源E的負電極和負載40的第二端。開關元件SI響應於從控制單元20傳送的柵極信號而接通或關閉。開關元件SI例如可以是半導體元件，諸如絕緣柵雙極電晶體、晶閘管和二極體。二極體D2與開關元件SI並聯連接以便保護開關元件SI。開關元件SI用作根據本發明各方面的主開關元件。濾波器電容器Cl連接在直流電源E的正電極和負電極之間。平滑電容器C2與負載40並聯連接。濾波器電容器Cl和平滑電容器C2均用來穩定軟開關轉換器60的輸入和輸出。另一方面，輔助電路包括電抗器L2、二極體D4、開關元件S2、吸收二極體D3、吸收電容器C3和二極體D5。電抗器L2的第一端連接至電抗器LI的高電勢一側。二極體D4連接在開關元件S2和吸收二極體D3之間。開關元件S2的第一端連接至二極體D4的陰極，並且響應於從控制單元20所傳送的S2柵極信號接通或關閉。吸收二極體D3的陽極連接到開關元件SI的第一端，並且吸收二極體D3的陰極連接到二極體D4的陽極。吸收電容器C3的第一端連接到吸收二極體D3的陰極，並且吸收電容器C3的第二端連接至開關元件SI。二極體D5與開關元件S2並聯連接以便保護開關元件S2。開關元件S2用作根據本發明的方面的輔助開關元件。吸收二極體D3和吸收電容器C3吸收開關元件SI關閉時所出現的過渡反電動勢。在軟開關轉換器60中，主電路中的開關元件SI的操作以及輔助電路中的開關元件S2的操作由輸入的SI和S2柵極信號的接通或關閉來控制。隨後，當開關元件S2被接通時，從吸收電容器C3流向電抗器L2的諧振電流I被用來減小在開關元件SI開關的時刻施加至開關元件SI的電壓。通過這樣做，能夠抑制由於開關所出現的開關損失。此外，本實施例中的軟開關轉換器60的輔助電路包括二極體D6。二極體D6的陰極連接至電抗器L2 的另一電極，並且二極體D6的陽極連接至直流電源E的負電極以及負載40的第二端。提供二極體D6以便在軟開關轉換器60出現故障的情況下保護開關元件S2。例如，當開關元件S2由於某些原因而在異常時刻停止時，二極體D6和濾波器電容器Cl所形成的循環電路吸收由於流過電抗器L2的諧振電流I的急劇變化而在電抗器L2和開關元件S2之間出現的衝擊電壓。通過抑制該衝擊電壓，能夠抑制開關元件S2的峰值反向電壓故障。接下來，將對控制單元20和開關控制單元50進行描述。圖3是圖示開關控制單元50的配置的視圖。控制單元20通過線束WH連接至開關控制單元50。控制單元20輸出SI和S2柵極信號。SI和S2柵極信號經由線束WH輸入至開關控制單元50。開關控制單元50電連接在SI和S2柵極和控制單元20之間。SI柵極是開關元件SI的柵極部分。S2柵極是開關元件S2的柵極部分。開關控制單元50由邏輯電路形成，邏輯電路的條件被設置為使得如果S2柵極信號由於某些原因而沒有從控制單元20輸入到S2柵極並且開關元件S2因此沒有被接通，則SI柵極信號不被輸入到開關元件SI。如圖3所示，來自控制單元20的S2柵極信號沒有被輸入至S2柵極的原因例如是用於傳送S2柵極信號的線束WH斷開、外部噪聲等。如圖3所示，開關控制單元50由包括AND電路元件Al、AND電路元件A2、緩衝器NI和OR電路元件Rl的邏輯電路所形成。注意，緩衝器NI意圖是減小噪聲，並且緩衝器NI可以被省略。該邏輯電路的效用將在以下進行描述。如圖4A和圖4B所示，「Slin」表示被輸入到邏輯電路所形成的開關控制單元50並且隨後輸入到SI柵極的SI柵極信號，並且「Slout」表示從控制單元20向開關控制單元50輸出的SI柵極信號。「S2out」表示從控制單元20向開關控制單元50輸出的S2柵極信號，並且「S2in」表示輸入到開關控制單元50並且隨後被輸入到S2柵極的S2柵極信號。圖4A指示了當S2柵極信號從控制單元20正常輸出(見「S2out」)並且被輸入到開關控制單元50(見「S2in」)時，輸入到邏輯電路(開關控制單元50)的SI柵極信號被輸入到S I柵極(見「Slin」)。注意，「Slin」、「S2out」、「Slin」和「Slout」之間的位置對應關係在圖3中示出。圖4B指示了 S2柵極信號由於線束WH中的斷開或者控制單元20和開關控制單元50之間的噪聲而沒有正常輸入到開關控制單元50的情況。如圖4B所示，當S2柵極信號從控制單元20輸出(見「S2out」)，但是S2柵極信號由於線束WH中斷開、噪聲等而沒有輸入至邏輯電路(開關控制單元50 )(見「 S2in 」)時，邏輯電路(開關控制單元50 )執行控制以使得輸入SI柵極信號不被輸入至SI柵極並且開關元件SI不被接通(見「Slin」)。如以上所描述的，由於本實施例中的燃料電池系統10包括開關控制單元50，所以開關元件SI僅在S2柵極信號(接通信號)正常輸入至S2柵極的情況下才被接通。通過這樣，抑制了開關元件SI的故障。如具體描述的，軟開關轉換器60對開關元件S2的接通/關閉的時序進行控制，由此執行軟開關操作以便降低在開關元件SI接通的時刻施加至開關元件SI的電壓。假設電源設備30並不包括開關控制單元50。當S2柵極信號由於在這種情況下線束WH中的斷開或者控制單元20和開關控制單元50之間的噪聲而沒有正常輸入至S2柵極時，由開關元件S2對施加至開關元件SI的電壓的控制不起作用。因此，施加至開關元件SI的電壓在開關元件SI進行開關的時刻並不減小。當開關元件SI在這種情況下接通時，不會實現軟開關操作，並且開關元件SI要以高壓電流進行開關(硬開關)，從而可能在開關元件SI中發生故障。在本實施例的情況下，電源設備30包括開關控制單元50。因此，當S2柵極信號由於線束WH中的斷開或者噪聲而沒有正常輸入至S2柵極時，SI柵極信號的接通信號在SI 柵極信號輸入至SI柵極之前被開關控制單元50中斷。因此，開關元件SI能夠避免以高壓進行的開關操作(硬開關操作)，從而能夠抑制故障。SI柵極和S2柵極起到根據本發明方面的輸入單元的作用，開關元件SI和開關元件S2分別起到根據本發明方面的主開關元件和輔助開關元件的作用，並且開關控制單元50起到根據本發明方面的禁止單元的作用。B.針對本實施例的替換實施例注意，本發明的方面並不局限於以上所描述的實施例；可以在不背離本發明的範圍的情況下將其修改為各種形式。例如，以下替換實施例是可能的。(BI)第一替換實施例在以上實施例中，開關控制單元50在S2柵極信號的接通信號被輸入的情況下將開關元件SI的接通信號輸入至SI柵極；替代地，在第一替換實施例中，開關控制單元50可以進一步包括延遲電路，並且SI柵極信號可以在S2柵極信號輸入至S2柵極之後已經經過了預定時間段之後被輸入至SI柵極。圖5示出了根據第一替換實施例的開關控制單元50的配置。延遲電路70提供在以上實施例中所描述的邏輯電路以及SI和S2柵極之間。延遲電路70可以由繼電器或IC形成。圖6A示出了 S2柵極信號和SI柵極信號由於噪聲等而以短的時間間隔輸入至開關控制單元50的情形。這樣的異常包括S2柵極信號由於噪聲而在預定時序的延遲之後從控制單元20輸出的情形。以這種方式，當S2柵極信號和SI柵極信號沒有以正常時間間隔輸入時，軟開關操作不會正常工作並且開關元件SI可能要進行硬開關操作。這導致了開關元件SI的故障。圖6B是在S2柵極信號和S I柵極信號以短時間間隔輸入至開關控制單元50時，由延遲電路將時間間隔校正為正常時間間隔並且S2柵極信號和SI柵極信號隨後分別輸入至S2柵極和SI柵極的情形中，開關元件SI和S2的開關時序圖。利用這樣的延遲電路，能夠以如下方式對軟開關轉換器60的開關元件SI和S2的開關操作進行控制，即，用於接通開關元件SI的條件中不僅包括「S2柵極信號被輸入」的條件而且還包括「S2柵極信號和SI柵極信號以預定時間間隔輸入」的條件。
(B2)第二替換實施例在以上實施例中，開關控制單元50由邏輯電路形成(見圖3);然而，開關控制單元50並不局限於這種配置。替代地，開關控制單元50可以由包括CPU的處理器形成。通過這樣，也可以獲得與以上實施例的那些相類似的有利效果。(B3)第三替換實施例在以上實施例中，軟開關轉換器具有如圖2所示的電路配置；然而，軟開關轉換器並不局限於該配置。替代地，軟開關轉換器可以包括具有不同電路配置的軟開關轉換器。圖7A所示的Sla、S2a、Lla和L2a以及圖7B所示的Slb、S2b、Llb和L2b分別對應於第一實施例中的開關元件SI、開關元件S2、電抗器LI和電抗器L2 (見圖2)。甚至在以上開關轉換器包括開關控制單元50時，也可以獲得與以上實施例的那些相類似的有利效果。
(B4)第四替換實施例在以上實施例中，軟開關轉換器被描述為使用軟開關操作的斬波器電路的示例；然而，斬波器電路並不局限於該配置。替代地，只要使用軟開關操作的斬波器電路包括開關控制電路50，就可以獲得與以上實施例的那些相類似的有利效果。也就是說，當S2柵極信號沒有正常輸入至S2柵極時，能夠抑制開關元件SI的故障。使用軟開關操作的斬波器電路可以在以上所描述的DC/DC轉換器、AC/DC轉換器、功率因數校正電路(PFC電路)、不間斷電源(UPS )、功率調節器、頻率轉換器等中得以使用。
權利要求
1.一種斬波器電路,包括 輸入單元，所述輸入單元輸入用於接通主開關元件的主接通信號和用於接通輔助開關元件的輔助接通信號；和 禁止単元，除非輸入了所述輔助接通信號，否則所述禁止単元禁止所述主開關元件被接通。
2.根據權利要求I所述的斬波器電路，其中所述禁止単元包括延遲電路，並且除非在所述輔助接通信號被輸入到所述輔助開關元件之後已經經過了預定時間段，否則所述延遲電路禁止所述主開關元件被接通。
3.根據權利要求I或2所述的斬波器電路，其中所述禁止単元由邏輯電路形成。
4.根據權利要求I至3中任一項所述的斬波器電路，其中所述斬波器電路對所述輔助開關元件的開關時序進行控制以執行軟開關操作，以便對於在所述主開關接通時施加至所述主開關元件的電壓進行控制。
5.根據權利要求4所述的斬波器電路，其中所述斬波器電路減小在所述主開關元件接通時施加至所述主開關元件的電壓。
6.ー種DC/DC轉換器，包括 DC輸入單元，所述DC輸入單元連接到直流電源； 斬波器電路，所述斬波器電路用於對從所述DC輸入單元所輸入的直流電カ輸入的電壓進行轉換；和 DC輸出單元，所述DC輸出單元用於輸出電壓被所述斬波器電路轉換的直流電壓， 其中， 所述斬波器電路包括 主開關元件； 輔助開關元件； 輸入單元，所述輸入單元輸入用於接通主開關元件的主接通信號和用於接通輔助開關元件的輔助接通信號；和 禁止単元，除非輸入了所述輔助接通信號，否則所述禁止単元禁止所述主開關元件被接通， 其中， 所述斬波器電路對所述輔助開關元件的開關時序進行控制以執行軟開關操作，以便對於在所述主開關元件被接通時施加至所述主開關元件的電壓進行控制。
7.ー種燃料電池系統，包括 燃料電池，所述燃料電池向負載提供電カ；和 DC/DC轉換器，所述DC/DC轉換器使用斬波器電路對所述電カ的電壓進行控制，其中 所述斬波器電路包括 主開關元件； 輔助開關元件； 輸入單元，所述輸入單元輸入用於接通主開關元件的主接通信號和用於接通輔助開關元件的輔助接通信號；和 禁止単元，除非輸入了所述輔助接通信號，否則所述禁止単元禁止所述主開關元件被接通， 其中， 所述斬波器電路對所述輔助開關元件的開關時序進行控制以執行軟開關操作，以便對於在所述主開關元件接通時施加至所述主開關元件的電壓進行控制。
全文摘要
一種斬波器電路，包括輸入單元，所述輸入單元輸入用於接通主開關元件的主接通信號和用於接通輔助開關元件的輔助接通信號；和禁止單元，除非輸入了所述輔助接通信號，否則所述禁止單元禁止主開關單元被接通。
文檔編號H02M3/157GK102783002SQ201180012513
公開日2012年11月14日 申請日期2011年2月16日 優先權日2010年3月5日
發明者南井俊彥, 真鍋晃太, 長谷川貴彥 申請人:豐田自動車株式會社