直流-直流轉換器系統的製作方法

2023-10-06 12:37:44 1

專利名稱：直流-直流轉換器系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及DC-DC轉換器系統，該轉換器系統通過由開關內置 電力開關設備轉換來從直流電源向電負荷系統供給輸出。本申請基於2005年3月24日提交的日本專利申請No 2005-87004 並通過參考將其合併。
背景技術：
對於混合動力車輛和怠速停止車輛的車用電源系統，建議了雙電 池型車用電源系統。在此單元中，兩個具有不同供給電壓的電池用於 車用電源系統。進一步地，幾十或幾百伏的高壓電池向大的電力負荷 供電，而超過十伏的低壓電池，例如鉛電池向低的電力負荷供電。高 壓電池由高壓發電設備充電。低壓電池或連接到它的低壓負荷以高壓 電池或發電設備通過DC - DC轉換器供電。DC-DC轉換器進行內置電力開關設備的反饋控制，使得電力開關 設備的輸出電壓收斂於預先確定的目標值，以向此負荷系統以適合於 對低壓電池充電的負荷系統的電源電壓供電。在此類的DC-DC轉換器中，內置電力開關設備的溫度管理是特 別地重要的。當電力開關設備的溫度達到預先確定的操作停止溫度 時，電力開關設備的操作被停止。然而，電力開關設備的突然停止可能導致對電源系統的有害影 響。為此原因，JP-8-84438A中建議，當電力開關設備的溫度進入到 此操作停止溫度附近的過熱溫度狀態時，限制DC-DC轉換器的輸出 電流，使得抑制了電力開關設備的過熱，且將電力開關設備的溫度上 升限制到不高於操作停止溫度。此過熱抑制型DC-DC轉換器是電流 限制型DC-DC轉換器。常規電流限制型DC-DC轉換器系統的輸出電流限制系統在圖4 中示出。在此圖中，數字100指示了正常(非過熱-時間)限制電流 值，線101-103分別指示了具有三個狀態的過熱-時間限制電流值 溫度低於Tl的正常(非過熱)溫度狀態、溫度從Tl至T2的過熱溫
度狀態和高於T2的停止溫度狀態。線101示出了其中輸出電流隨溫 度升高線性降低的情況，線102示出了其中輸出電流隨溫度升高分階 段降低的情況，且線103示出了其中輸出電流隨溫度升高曲線降低的 情況。使用以上的限制電流型DC-DC轉換器系統，在過熱溫度狀態輸 出電流受到限制，使得電力開關設備可以被限制而不達到停止溫度。 因此，可以實現從電源向電壓相對低的電池的穩定電力供給。然而，即使在限制電流型DC-DC轉換器系統中，當來自負荷系 統的電力需求大時，DC-DC轉換器的輸出電流必需在過熱溫度狀態內 保持在限制值(線1Q1、 102、 103)。作為結果，過熱抑制不能獲得到 滿意的程度。此外，在其中以上取決於溫度用於限制輸出電流的控制系統錯誤 地操作的情況中，電力開關設備的溫度傾—於超過操作停止溫度。發明內容因此本發明的目的是提供具有對其電力開關設備的改進的過熱抑 制功能而不使得電路構造複雜的DC - DC轉換器系統。根據本發明的第一方面，在DC-DC轉換器系統中，在過熱溫度 狀態時，控制單元限制了電力開關設備，使得DC-DC轉換器的輸出 電流不超過預先確定的低於正常限制電流值的過熱-時間限制電流 值，該正常限制電流值等於在正常溫度狀態時的最大可允許電流值， 且使得DC-DC轉換器的輸出電流不超過預先確定的低於正常限制電 壓值的過熱-時間限制電壓值，該正常限制電壓值等於在正常溫度狀 態時的最大可允許電壓值，且設定在等於或高於電負荷系統所要求的 最小要求電壓值的範圍內。即DC-DC轉換器系統在操作停止溫度附近的過熱溫度狀態中限 制了輸出電壓作為對常規的輸出電流限制的補充。作為結果，與其中 僅簡單地限制輸出電流的情況相比，DC-DC轉換器系統在過熱溫度狀 態中可以降低不依賴於電流的變壓器和扼流線圈的鐵損以及電力開關 設備的損失。在任何DC-DC轉換器系統中，輸出電壓明確地設計為設定到具 有一些裕量的高於最小要求電壓的電壓，以充分地對^氐電壓電池充 電。因此，即使當DC-DC轉換器的輸出電壓值降低到剛好高於使得 負荷系統的必需操作變成不可能的電壓值時，負荷系統的操作可以保 證的。因此，當在高於負荷系統操作所要求的最小電壓值的電壓範圍內 DC-DC轉換器的溫度升高到停止溫度附近時，作為控制降低輸出電流 的補充，DC-DC轉換器系統進行了降低DC-DC轉換器輸出電壓的控 制。通過此控制，因為降低輸出電壓和降低輸出電流的協同效果，DC -DC轉換器的電力開關設備的功率損失和變壓器和扼流線圏的鐵損可 以比常規的電流限制型DC-DC轉換器系統更顯箸地降低。因此，可 以通過抑制電力開關設備的過熱防止DC - DC轉換器的操作停止。而且，因為除了常規輸出電流限制系統以外DC-DC轉換器具有 在過熱溫度狀態可操作的輸出電壓限制系統，所以即使當兩個限制系 統之一故障時，另一個限制系統也存在。因此，DC-DC轉換器可以確 定地抑制由於在過熱溫度狀態中的錯誤操作而由輸出限制的故障引起 的電力開關設備的過熱的發展。另外，DC-DC轉換器系統具有的優點是輸出電壓限制系統幾乎在 電路構造內不要求另外的零件，原因是在正常溫度狀態時具有輸出電 壓恆定控制系統，且因此不導致電路構造的複雜化和成本的增加。在優選實施例中，在溫度在過熱溫度狀態時升高時，控制單元逐 步或連續地降低了過熱-時間限制電流值和過熱-時間限制電壓值。 通過此操作，可以在過熱溫度狀態時平滑地控制電力開關設備的生 熱。在優選的實施例中，在負荷系統處於過熱溫度狀態時，控制單元 將過熱-溫度限制電壓值設定到等於或高於電池的開路電壓值。通過 此設定，即使在過熱溫度狀態時也不允許負荷系統的電池在DC-DC 轉換器系統內放電。因此，在過熱溫度狀態時平滑地操作負荷系統變 成可能。另外，在此情況中，當DC-DC轉換器的溫度超過停止溫度 時，DC-DC轉換器系統將停止，且負荷系統將可以臨時地僅由此電池 的放電來操作，在此期間DC - DC轉換器系統被冷卻。根據本發明的第二方面，在DC-DC轉換器系統中，在過熱溫度 狀態時，控制單元將電力開關設備的開關頻率降低到低於正常溫度狀 態的開關頻率的值。 即，杜遼熱^厭狀念0TE刀，天A 時的值降低例如幾十。DC - DC轉換器系統的電力開關設備例如通過P麗 反饋控制來控制。 一般地，為降低噪聲、開關噪聲電壓、輸出電流波 動等，電力開關設備以數百kHz至數MHz的頻率操作。然而，當開關 頻率高時，瞬態損失，即DC-DC轉換器的電力開關設備的開關損失 增加且電力開關設備的發熱增加。因此，考慮到確保從DC-DC轉換 器到負荷系統的電源比解決噪聲、開關噪聲電壓等問題更重要，在過》尋在停止溫度:i的過:溫度狀態中可以維持到負荷系統的穩定電源同時抑制發熱。


圖1是示出了根據本發明的優選實施例的雙電池型車用電源系統 的電路圖；圖2是示出了在優選實施例中控制器的輸出控制操作的流程圖； 圖3是示出了在優選實施例中過熱-時間限制電壓值和過熱-時間限制電壓值作為溫度的函數的特徵圖；圖4是示出了常規電流限制型DC-DC轉換器系統的輸出電流限制系統的特徵圖。
具體實施方式
在圖1中示出的優選實施例中，DC-DC轉換器系統應用於雙電池 型車用電源系統。此雙電池型車用電源系統連4矣到主電池1和輔助電池2,且具有 電池充電DC-DC轉換器3、用於控制此電池充電DC-DC轉換器3的 開關操作的DC-DC轉換器控制電路單元4。此電源系統構造為從主電 池l向電子控制器(未示出)供電，以在變換了其電壓後用於為混合 動力車充以牽引能量，且供給電力到輔助或附屬設備和輔助電池2以 用於輔助目的。電源系統也連接到電流傳感器6和溫度傳感器7。用於電池充電的DC-DC轉換器3採用了已熟知的電路構造，該 電路構造包括輸入平滑電容器31、全橋型反相器電路32、降壓變壓 器33、同步整流電路34、扼流線圏35和輸出平滑電容器36。此DC-DC轉換器電路3可以構造為多種方式。扼流線圈35和輸出平滑電 容器36形成了輸出平滑電路。用於DC-DC轉換器3的控制單元4具有電子控制電路41和驅動 電路42，驅動電路42通過從此控制電路41輸入的控制信號形成了用 於脈寬調製(PWM)控制的柵電壓，且將這些柵電壓輸出到反相器電 路(開關設備)32的MOS電晶體32a和同步整流電路34的MOS晶體 管34b。控制單元4也具有輔助電源5以用於將電源電壓施加到控制 電路41和驅動電路42。控制電路41具有電路功能是讀取由電流傳感器6檢測的電流檢 測值以用於檢測電池充電DC-DC轉換器3的輸出電流和電池充電DC-DC轉換器3的輸出電壓，且輸出將此輸出電壓和預先確定的目標電壓 值之間的偏差降低到零的控制信號。控制電路41具有基於由電流傳 感器6感測到的電池充電DC-DC轉換器3的輸出電流、由溫度傳感 器7感測到的電池充電DC-DC轉換器3的溫度和電池充電DC-DC轉 換器3的輸出電壓來控制或停止電池充電DC-DC轉換器3的開關操 作的輸出控制和限制功能。通過以從驅動電路42輸入的柵電壓以開關方式來驅動反相器電 路32的MOS電晶體32a，使反相器電路32的平均輸出電壓被PWM控 制，使得電池充電DC-DC轉換器3的輸出電壓和預先確定的目標電 壓值之間的偏差降低為零。此外， 一對組成了同步整流電路34的晶 體管34b也與反相器電路32的相應MOS電晶體32a同步地被開關控 制，以同步地整流降壓變壓器33的次級電壓。同步整流電路34的輸 出在其電壓被輸出平滑電路平滑後為輔助電池2充電。控制電路41可以被微型計算機編程以執行電池充電DC-DC轉換 器3的輸出控制操作，如在圖2中示出。編程的功能可以以硬體電路 實現。首先，讀取電池充電DC-DC轉換器3的輸出電壓V、輸出電流I 和溫度T,且將輸出電壓V和輸出電流I進行平均處理(步驟SI00)。 然後，將溫度T與用於分開過熱溫度狀態(區域)和正常溫度狀態的 限制開始溫度Tl比較。也將溫度T與用於分開正常溫度狀態和停止 溫度狀態的操作停止溫度T2進行比較。因此，電池充電DC-DC轉換 器3的狀態確定為正常溫度狀態、過熱溫度狀態和停止溫度狀態中的
一個(步驟S102)。當溫度等於或低於限制開始溫度Tl時，即當電池充電DC-DC轉 換器3處於正常溫度狀態(T〈T1)時，進行正常控制(步驟S104)， 因為不需要限制電池充電DC-DC轉換器3的輸出。此正常控制為這 樣的操作，其中進行PWM反饋使得輸出電壓V可以變成等於預先確定 的目標值VP、將輸出電流I和預先確定的非過熱-時間限制電流值Inn 進行比較。當輸出電流I超過此非過熱-時間限制電流值Irm時，P麵 反饋控制中的佔空比降低以限制輸出。因為此正常控制已熟知，將省 略進一步的解釋。當溫度T高於停止溫度T2 (T〉T2)時，電池充電DC-DC轉換器 3的開關操作停止，使得電力開關設備被防止擊穿(步驟S106)。即， PWM反饋控制中的佔空比設定為零。當溫度T處於限制開始溫度Tl和停止溫度T2之間的過熱範圍內 時，將進行如下的節電操作以限制電池充電DC-DC轉換器3的電力 開關設備的發熱。首先，溫度T在事先提供的數據存儲圖中指定，以確定過熱-時 間限制電流Ir和過熱-時間限制電壓值Vr (步驟SI 08)。圖3示出 了此圖數據的一個例子。例如，過熱-時間限制電流值Ir設定為分 組，而過熱-時間限制電壓值Vr線性地設定(實線)。過熱-時間限 制電壓值Vr可以是多種變化的一個，如在圖3中以虛線示出。然後，將輸出電流I和過熱-時間限制電流值Ir進4亍比較(步 驟SllO)。當輸出電流I高於Ir時，電池充電DC-DC轉換器3的被 PWM控制的電力開關設備的佔空比降低預先確定的值(步驟S112)。 當輸出電流I不高於Ir時，將輸出電壓V和過熱-時間限制電壓值Vr 進行比較(步驟S114)。當輸出電壓V高於Vr時，電池充電DC-DC 轉換器3的被PWM控制的電力開關設備的佔空比被降低預先確定的值 (步驟S112 )。在步驟S112和步驟S114後，P麗反饋控制中的開關頻率降低到 一半，因此結束了此程序且返回到主程序(未示出)。以上的程序被 周期地執4亍。如在圖3中示出，過熱-時間限制電壓值Vr的最小值設定為高 於輔助電池2的開路電壓Vbo。通過此設定，儘管電池充電DC-DC轉
換器3的輸出電壓在此過熱溫度狀態中被限制，但電池充電DC-DC 轉換器3可以為輔助電池2充電。因此，即使當電池充電DC-DC轉 換器3處於過熱溫度狀態內長的時間期間也不存在輔助電池2的過充 電的風險。在此實施例中，溫度傳感器7提供在同步整流電路34附近。溫 度傳感器7可以布置在可檢測電池充電DC-DC轉換器3的內部溫度 的任何區內。例如，溫度可以基於用於冷卻DC-DC轉換器3的冷卻 系統的溫度檢測。替代地，電池充電DC-DC轉換器3的溫度可以通 過其他檢測參數估計，例如電流傳感器6的歷史和外部溫度。許多不偏離本發明的精神的其他修改是可以的。
權利要求
1. 一種直流-直流轉換器系統，其包括直流-直流轉換器，該直流-直流轉換器包括用於轉換來自輸入 直流電源的供給的電力的電壓且產生到電負荷系統的輸出電壓的電力 開關設備；用於檢測直流-直流轉換器的溫度的溫度傳感器；和 控制直流-直流轉換器的控制單元，使得在正常溫度狀態中，通 過對電力開關設備的開關控制使輸出電壓變成預先確定的目標值，且 當檢測到溫度超過預先確定的操作停止溫度狀態時，停止電力開關設 備的操作，其中，在基於檢測到的溫度確定的在正常溫度狀態和操作停止溫 度狀態之間的過熱溫度狀態時，控制單元控制電力開關設備，使得直 流 - 直流轉換器的輸出電流限制為低於預先確定的小於正常限制電流 值的過熱-時間電流值，該正常限制電流值為在正常溫度狀態時的最 大可允許電流值，且使得直流-直流轉換器的輸出電壓限制為低於預 先確定的小於正常限制電壓值的過熱限制電壓值，該正常限制電壓值 為在正常溫度狀態時的最大電壓值，且設定為高於負荷系統所要求的 最小要求電壓值。
2. 根據權利要求1所述的直流-直流轉換器系統，其中當檢測 到的溫度在過熱溫度狀態時升高時，控制單元降低過熱-時間限制電 流值和過熱-時間限制電壓值中的至少 一個。
3. 根據權利要求1所述的直流-直流轉換器系統，其中在過熱 溫度狀態時，控制單元將過熱-時間限制電壓值設定為高於電負荷系 統的電池的開路電壓值的值。
4. 根據權利要求1所述的直流-直流轉換器系統，其中在過熱度^態的開關頻率。'、 、 、、、》<、."
5. —種直流-直流轉換器系統，其包括直流-直流轉換器，該直流-直流轉換器包括用於轉換來自直流 電源的供給的電力的電壓且產生到電負荷系統的輸出電壓的電力開關設備；用於檢測直流-直流轉換器的溫度的溫度傳感器；和 控制直流-直流轉換器的控制單元，使得在正常溫度狀態中通過 對電力開關設備的開關控制使輸出電壓變成預先確定的目標值，且當 其中檢測到溫度超過預先確定的操作停止溫度的操作停止溫度狀態 時，停止電力開關設備的操作，其中在正常溫度狀態和操作停止溫度狀態之間的過熱溫度狀態 時，控制單元將電力開關設備的開關頻率降低到低於正常溫度狀態的 開關頻率的值。
全文摘要
提供了DC-DC轉換器系統以改進電池充電DC-DC轉換器(3)在過熱溫度狀態中的開關控制操作而不需將控制單元(4)複雜化。當DC-DC轉換器(3)的溫度處於在操作停止溫度附近的過熱溫度狀態時，控制單元(4)進行輸出電壓限制和輸出電流限制。以此能力可限制輸出電流和輸出電壓，且因此可以抑制DC-DC轉換器(3)的電力開關設備(32)的過熱。
文檔編號H02J7/00GK101147312SQ20068000944
公開日2008年3月19日 申請日期2006年3月17日 優先權日2005年3月24日
發明者大塚健司, 山下剛, 戶田守 申請人:株式會社電裝;豐田自動車株式會社