特許 6000536 ＤＣ−ＤＣコンバータの２次側電流不平衡判定装置および方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6000536

(24)【登録日】2016年9月9日

(45)【発行日】2016年9月28日

(54)【発明の名称】ＤＣ−ＤＣコンバータの２次側電流不平衡判定装置および方法

(51)【国際特許分類】

   H02M 3/28 20060101AFI20160915BHJP

【ＦＩ】

   H02M3/28 D

【請求項の数】4

【全頁数】10

(21)【出願番号】特願2011-268675(P2011-268675)

(22)【出願日】2011年12月8日

(65)【公開番号】特開2013-51866(P2013-51866A)

(43)【公開日】2013年3月14日

【審査請求日】2014年12月1日

(31)【優先権主張番号】10-2011-0087312

(32)【優先日】2011年8月30日

(33)【優先権主張国】KR

(73)【特許権者】

【識別番号】591251636

【氏名又は名称】現代自動車株式会社

【氏名又は名称原語表記】ＨＹＵＮＤＡＩ ＭＯＴＯＲ ＣＯＭＰＡＮＹ

(74)【代理人】

【識別番号】110000051

【氏名又は名称】特許業務法人共生国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】朴 亨 ジュン

【審査官】 尾家 英樹

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００６−３３３５６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−０２０２４３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１１／０１４８４３１（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開２０１１−１２８０４１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｍ ３／００− ３／４４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

フルブリッジ回路に連結された１次側と、２次側にセンタータップ（ｃｅｎｔｅｒｔａｐ）が配置された２次側と、を有する変圧器を含む絶縁型フルブリッジであるＤＣ−ＤＣコンバータの、２次側電流不平衡を判定する装置であって、
検査対象の、量産されたＤＣ−ＤＣコンバータの出力端と、前記センタータップと、の間にＤＣ電源を印加して、各連結部の前記センタータップの上部に連結された前記２次側の第１コイルの抵抗、前記第１コイルと第１ダイオードの（＋）極との間の第１組み立て抵抗、前記第１ダイオードの（−）極と前記出力端に連結されたインダクタとの間の第２組み立て抵抗、前記センタータップの下部に連結された前記２次側の第２コイルの抵抗、前記第２コイルと第２ダイオードの（＋）極との間の第３組み立て抵抗、及び前記第２ダイオードの（−）極と前記インダクタとの間の第４組み立て抵抗による電圧降下を測定する電圧測定部と、
前記電圧測定部で測定された電圧によって第１コイルの抵抗、前記第１組み立て抵抗、及び前記第２組み立て抵抗による電圧降下それぞれを、前記第１コイルの抵抗による電圧降下で割って計算された換算抵抗と、前記第２コイルの抵抗、前記第３組み立て抵抗、及び前記第４組み立て抵抗による電圧降下それぞれを、前記第２コイルの抵抗による電圧降下で割って計算された換算抵抗と、を利用して標準化された抵抗を計算する標準抵抗（ΔＲ’）計算部と、
前記変圧器のコアに関する飽和基準値を決定する飽和基準値計算部と、
前記飽和基準値と標準抵抗を比較して前記変圧器のコアを飽和させるコンバータ変圧器の２次側電流の飽和状態を判定する飽和判別部と、
を含み、
前記変圧器の２次側電流の飽和状態は、前記変圧器の２次側電流の不平衡状態を含むことを特徴とするＤＣ−ＤＣコンバータの２次側電流不平衡判定装置。

【請求項2】

前記飽和判別部は、
標準抵抗（ΔＲ’）が飽和基準値（α）未満であれば、電流不平衡を発生させない正常製品として判定し、
前記標準抵抗（ΔＲ’）が飽和基準値（α）を超えれば、電流不平衡を発生させる不良製品として判定することを特徴とする請求項１に記載のＤＣ−ＤＣコンバータの２次側電流不平衡判定装置。

【請求項3】

前記標準抵抗は、それぞれの連結部における電圧を変圧器２次側ワイヤ電圧で割った換算抵抗によって算出されることを特徴とする請求項１に記載のＤＣ−ＤＣコンバータの２次側電流不平衡判定装置。

【請求項4】

フルブリッジ回路に連結された１次側と、２次側にセンタータップ（ｃｅｎｔｅｒｔａｐ）が配置された２次側と、を有する変圧器を含む絶縁型フルブリッジであるＤＣ−ＤＣコンバータの２次側電流不平衡を判定する方法であって、
前記ＤＣ−ＤＣコンバータの出力端と前記センタータップとの間にＤＣ電源を印加して、各連結部の前記センタータップの上部に連結された前記２次側の第１コイルの抵抗、前記第１コイルと第１ダイオードの（＋）極との間の第１組み立て抵抗、前記第１ダイオードの（−）極と前記出力端に連結されたインダクタとの間の第２組み立て抵抗、前記センタータップの下部に連結された前記２次側の第２コイルの抵抗、前記第２コイルと第２ダイオードの（＋）極との間の第３組み立て抵抗、及び前記第２ダイオードの（−）極と前記インダクタとの間の第４組み立て抵抗による電圧降下を測定する段階と、
連結部で測定された電圧によって前記第１コイルの抵抗、前記第１組み立て抵抗、及び前記第２組み立て抵抗による電圧降下それぞれを、前記第１コイルの抵抗による電圧降下で割って計算された換算抵抗と、前記第２コイルの抵抗、前記第３組み立て抵抗、及び前記第４組み立て抵抗による電圧降下それぞれを前記第２コイルの抵抗による電圧降下で割って計算された換算抵抗と、を利用して標準抵抗（ΔＲ’）を算出する段階と、
前記変圧器のコアに関する飽和基準値（α）を決定する段階と、
飽和基準値と標準抵抗を比較して前記変圧器のコアを飽和させる前記変圧器の２次側電流の飽和状態を判定する段階と、
前記飽和基準値が前記標準抵抗よりも大きければ正常と判定し、飽和基準値が前記標準抵抗よりも小さければ飽和と判定することにより、組み立て好不良を判定する段階と、
を含み、
前記変圧器の２次側電流の飽和状態は、前記変圧器の２次側電流の不平衡状態を含むことを特徴とするＤＣ−ＤＣコンバータの２次側電流不平衡判定方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明はＤＣ−ＤＣコンバータの２次側電流不平衡判定装置および方法に係り、より詳しくは、ＤＣ−ＤＣコンバータを駆動せずに出力端にＤＣ電源を印加した後、各連結部の電圧降下を測定することにより、容易に飽和の可否を確認することができるＤＣ−ＤＣコンバータの２次側電流不平衡判定装置および方法に関する。

【背景技術】

【0002】

一般的に、ＤＣ−ＤＣコンバータは、ＤＣ電圧を昇圧または降圧するための装置であって、多くの分野で幅広く利用されている。ＤＣ−ＤＣコンバータは、変圧器を基準として、変圧器の１次側にはＤＣをＡＣに変換する役割を行うパワーモジュールが構成され、変圧器の２次側には変圧したＡＣ電圧をＤＣに整流する整流部を有する。
また、パワーモジュールは、２対のトランジスタをスイッチング素子として含んでおり、このトランジスタの駆動順によってＤＣが周期的なＡＣ信号に変換する。
図６は、１次側がフルブリッジ（ｆｕｌｌ−ｂｒｉｄｇｅ）であり、２次側がセンタータップ（Ｃｅｎｔｅｒｔａｐ）である絶縁型フルブリッジ（ｆｕｌｌ−ｂｒｉｄｇｅ）コンバータの回路図である。これは、高い容量が要求される場合や、小型化および軽量化が要求される車両用ＤＣ−ＤＣコンバータとして適合する。

【0003】

しかし、フルブリッジタイプのコンバータの最大の短所は、変圧器コアの飽和問題であるが、飽和発生時に変圧器が磁性体の性質を失うため、過電流によってコンバータの焼損を来すことがある。
変圧器飽和の原因は２種類に大別される。第一には変圧器の入力電圧の平均電圧が０でない場合であり、第二には変圧器の２次端インピーダンスが一致しない場合である。
図７は、変圧器コアのＢ−Ｈカーブを示すものである。図７（ａ）は、変圧器コアが飽和領域を越えずに正常範囲で作動するものを示すものである。また、図７（ｂ）、（ｃ）は、変圧器の動作領域が片側に偏っているため、変圧器が飽和した正常でない場合を示すものである。

【0004】

また、図８は、正常な場合の変圧器１次側電流（Ｉ_ｐ）波形を示すものであるが、図８に示すように、電流波形は上下対称をなしており、片側に偏っていない。 これに反し、図９は、飽和が起こった場合の変圧器の電流波形を示すものであるが、飽和が起こった場合には電流が上側に偏り、これによって電流波形が尖って傾いていることが分かる。これは、変圧器の飽和により、この領域ではこれ以上の磁性体役割が行われていないことを示す。
しかし、上述したように、波形によってコンバータの不平衡を判別する方法を客観的な数値では提示し難く、製品の合格、不合格を提示する基準値には適していなかった。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２００６−１４９０６７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

本発明は、２次側がセンタータップ（Ｃｅｎｔｅｒｔａｐ）構造である絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、２次側の組み立て不良によって生じる変圧器の電流不平衡問題を、コンバータを駆動せずに出力端に低電圧ＤＣ電源を印加した後、各接触部の電圧降下を測定して飽和の可否を確認するだけで解決できるＤＣ−ＤＣコンバータの２次側電流不平衡判定装置および方法の提供を目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明は、フルブリッジ回路に連結された１次側と２次側にセンタータップ（ｃｅｎｔｅｒｔａｐ）が配置された２次側とを有する変圧器を含む絶縁型フルブリッジであるＤＣ−ＤＣコンバータの２次側電流不平衡を判定する装置であって、検査対象の量産されたＤＣ−ＤＣコンバータの出力端と前記センタータップとの間にＤＣ電源を印加して、各連結部の前記センタータップの上部に連結された、前記２次側の第１コイルの抵抗、前記第１コイルと第１ダイオードの（＋）極との間の第１組み立て抵抗、前記第１ダイオードの（−）極と前記出力端に連結されたインダクタとの間の第２組み立て抵抗、前記センタータップの下部に連結された前記２次側の第２コイルの抵抗、前記第２コイルと第２ダイオードの（＋）極との間の第３組み立て抵抗、及び前記第２ダイオードの（−）極と前記インダクタとの間の第４組み立て抵抗による電圧降下を測定する電圧測定部と、前記電圧測定部で測定された電圧によって第１コイルの抵抗、前記第１組み立て抵抗、及び前記第２組み立て抵抗による電圧降下それぞれを前記第１コイルの抵抗による電圧降下で割って計算された換算抵抗並びに前記第２コイルの抵抗、前記第３組み立て抵抗、及び前記第４組み立て抵抗による電圧降下それぞれを前記第２コイルの抵抗による電圧降下で割って計算された換算抵抗を利用して標準化された抵抗を計算する標準抵抗（ΔＲ’）計算部と、前記変圧器のコアに関する飽和基準値を決定する飽和基準値計算部と、前記飽和基準値と標準抵抗を比較して前記変圧器のコアを飽和させるコンバータ変圧器の２次側電流の飽和状態を判定する飽和判別部と、を含み、前記変圧器の２次側電流の飽和状態は、前記変圧器の２次側電流の不平衡状態を含むことを特徴とする。

【0008】

前記飽和判別部は、標準抵抗（ΔＲ’）が飽和基準値（α）未満であれば電流不平衡を発生させない正常製品として判定し、前記標準抵抗（ΔＲ’）が飽和基準値（α）を超えれば電流不平衡を発生させる不良製品として判定することを特徴とする。

【0009】

前記標準抵抗は、それぞれの連結部における電圧を変圧器２次側ワイヤ電圧で割った換算抵抗によって算出されることを特徴とする。

【0010】

また、本発明はフルブリッジ回路に連結された１次側と２次側がセンタータップ（ｃｅｎｔｅｒｔａｐ）が配置された２次側とを有する変圧器を含む、絶縁型フルブリッジであるＤＣ−ＤＣコンバータの２次側電流不平衡を判定する方法であって、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの出力端と前記センタータップとの間にＤＣ電源を印加して、各連結部の前記センタータップの上部に連結された前記２次側の第１コイルの抵抗、前記第１コイルと第１ダイオードの（＋）極との間の第１組み立て抵抗、前記第１ダイオードの（−）極と前記出力端に連結されたインダクタとの間の第２組み立て抵抗、前記センタータップの下部に連結された前記２次側の第２コイルの抵抗、前記第２コイルと第２ダイオードの（＋）極との間の第３組み立て抵抗、及び前記第２ダイオードの（−）極と前記インダクタとの間の第４組み立て抵抗による電圧降下を測定する段階と、連結部で測定された電圧によって前記第１コイルの抵抗、前記第１組み立て抵抗、及び前記第２組み立て抵抗による電圧降下それぞれを、前記第１コイルの抵抗による電圧降下で割って計算された換算抵抗と、前記第２コイルの抵抗、前記第３組み立て抵抗、及び前記第４組み立て抵抗による電圧降下それぞれを前記第２コイルの抵抗による電圧降下で割って計算された換算抵抗と、を利用して標準抵抗（ΔＲ’）を算出する段階と、前記変圧器のコアに関する飽和基準値（α）を決定する段階と、飽和基準値と標準抵抗を比較して前記変圧器のコアを飽和させる前記変圧器の２次側電流の飽和状態を判定する段階と、前記飽和基準値が前記標準抵抗よりも大きければ正常と判定し、飽和基準値が前記標準抵抗よりも小さければ飽和と判定することにより、組み立て好不良を判定する段階と、を含み、前記変圧器の２次側電流の飽和状態は、前記変圧器の２次側電流の不平衡状態を含むことを特徴とする。

【発明の効果】

【0011】

本発明によれば、コンバータを駆動せずに出力端に低電圧ＤＣ電源を印加した後、各接触部の電圧降下を測定するだけで飽和の可否を確認することができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本発明の実施形態に係るＤＣ−ＤＣコンバータの電流不平衡判定装置の概略図である。

【図2】本発明の実施形態に係るＤＣ−ＤＣコンバータの電流不平衡判定手順を示すフローチャートである。

【図3】本発明の実施形態に係る電圧測定ポイントを示す図である。

【図4】本発明の実施形態に係るＤＣ−ＤＣコンバータにＤＣ電源を連結した場合の等価回路図である。

【図5】本発明の実施形態に係るダイオードの組み立てによるインピーダンスを含む回路図である。

【図6】一般的な２次側がセンタータップであるＤＣ−ＤＣコンバータの回路図である。

【図7】一般的なＤＣ−ＤＣコンバータにおける変圧器コアのＢ−Ｈカーブを示す図である。

【図8】正常な場合のＤＣ−ＤＣコンバータにおける変圧器の１次側電流波形を示す図である。

【図9】飽和が起きた場合のＤＣ−ＤＣコンバータにおける変圧器の１次側電流波形を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、添付の図面を参照して、本発明の実施例を詳細に説明する。
図１は、本発明の実施形態に係るＤＣ−ＤＣコンバータの電流不平衡判定装置の概略図である。
図１に示す通り、本発明の実施形態に係るＤＣ−ＤＣコンバータの電流不平衡判定装置は、出力端にＤＣ電源を印加して電圧を測定する電圧測定部１０、測定された電圧を利用して標準抵抗を計算する標準抵抗計算部２０、飽和可否の判定基準となる飽和基準値を計算する飽和基準値計算部４０、前記飽和基準値と標準抵抗を比較して飽和の可否を判定する飽和判別部３０、およびこれを作業者に知らせる表示部５０を含む。
電圧測定部１０は、図３に示すように、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力端に低電圧のＤＣ電源であるパワーサプライ７０を連結すれば、第１出力端と第２出力端で整流の役割を行う１対のダイオード６０、６１は、順方向となって電流が流れるようになる。

【0014】

図５に示すように、出力端にＤＣ電源を逆に印加すれば、２次側には２つの閉回路（Ａ、Ｂ）が形成される。このとき、各連結部の電圧降下を測定すれば、各部分の抵抗値および両側に流れる電流（Ｉ_１、Ｉ_２）により、それぞれ異なる量だけの電圧降下が起こる。
図５において、Ｒ_ａｂはＬｓ１変圧器と第１ダイオード６０の（＋）極の間の組み立て抵抗、Ｒ_ｃｍは第１ダイオード６０の（−）極と連結部ｍの間の組み立て抵抗、Ｒ_ｇａは変圧器２次側Ｌｓ１ワイヤの抵抗、Ｒ_ｄｅはＬｓ２変圧器と第２ダイオード６１の（＋）極の間の組み立て抵抗、Ｒ_ｆｍは第２ダイオード６１の（−）極と連結部ｍの間の組み立て抵抗、Ｒ_ｇｄは変圧器２次側Ｌｓ２ワイヤの抵抗である。
また、閉回路Ａ、Ｂにおける抵抗はそれぞれ、Ｒ_Ａ＝Ｒ_ａｂ＋Ｒ_ｃｍ＋Ｒ_ｇａ、Ｒ_Ｂ＝Ｒ_ｄｅ＋Ｒ_ｆｍ＋Ｒ_ｇｄである。

【0015】

電圧降下を測定するためのそれぞれの連結部（ａ〜ｆ、ｍ）を等価回路で示せば、図４のとおりである。
図４の各部分における電圧は、次のとおりに整理できる。
Ｖ_ｇａ＝Ｉ_１Ｒ_ｇａ
Ｖ_ｇｄ＝Ｉ_２Ｒ_ｇｄ
Ｖ_ａｂ＝Ｉ_１Ｒ_ａｂ
Ｖ_ｄｅ＝Ｉ_２Ｒ_ｄｅ
Ｖ_ｃｍ＝Ｉ_１Ｒ_ｃｍ
Ｖ_ｆｍ＝Ｉ_２Ｒ_ｆｍ
標準抵抗計算部２０は、電圧測定部１０で測定される各連結部の電圧を計算して標準抵抗を算出するが、各連結部の電圧によって抵抗を計算する場合、抵抗が変わることによってＩ_１とＩ_２の電流値も変わるため、計算が容易ではない。これを解決するために電流項を削除する必要があるが、抵抗のうちのＲ_ｇａとＲ_ｇｄは変圧器のワイヤの抵抗であり、これは単品管理によって一定値に維持することができる。したがって、各連結部の電圧値を変圧器２次側ワイヤの電圧値で割ることにより、電流項を削除して換算抵抗（Ｒｅｄｕｃｅｄ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）を求める。
換算抵抗は、それぞれの連結部における電圧を２次側ワイヤーの電圧で割った値である。

【0016】

すなわち、電流項を削除した換算抵抗値は、下記のように計算される。

【0017】

飽和基準値計算部４０は、標準抵抗計算部２０で算出された換算抵抗値によって各インダクタ抵抗の合計を求め、各インダクタの全体換算抵抗の差を演算し、その結果を次のように抽出する。

前記式において、ΣＲ_leftは図５の閉回路Ａにおける換算抵抗の合計であり、ΣＲ_rightは閉回路Ｂにおける換算抵抗の合計である。

【0018】

単品管理によって変圧器２次側ワイヤの抵抗値が同じであるとすれば、前記数式は次のように整理でき、これによって標準抵抗（ΔＲ’）が算出される。
すなわち、Ｒ_ｇａ＝Ｒ_ｇｄであり、前記標準抵抗は下記式で求められる。

飽和基準値は、下記式で求められる。
Ｂ_ｍａｘ＝Ｂ_ｄｃ＋△Ｂ／２
ただし、前記式において、

である。
また、Ｎ_ｐは１次側ターン数、Ｎ_ｓは２次側ターン数、I_ｅは磁束の有効長さ、Ａ_ｅは変圧器の有効断面積、Ｂ_ｍａｘは変圧器の最大磁束密度、Ｖ_ｉｎは入力電圧、Ｉ_s,avgは変圧器の２次側平均電流、Ｂ_ｄｃは変圧器磁束密度のＤＣ成分である。

【0019】

変圧器２次側電流の平均値と標準抵抗は比例するが、比例定数は実験によって求められる。
すなわち、

となる。
また、飽和基準値（α）は、次のように表現される。

飽和判別部３０は、計算された標準抵抗（ΔＲ’）と飽和基準値（α）を比較し、標準抵抗が飽和基準値よりも小さければ、量産されたＤＣ−ＤＣコンバータは抵抗不良による電流不平衡を発生させない正常に組み立てられたものと判定する。
しかし、標準抵抗が飽和基準値よりも大きければ、量産されたＤＣ−ＤＣコンバータは抵抗不良による電流不平衡を発生させる不良として判定する。
この後、判定された結果を表示部５０によって検査者に指示し、製品の良不良の選別が容易になる。

【0020】

以下、図２を参照しながら、本発明の実施形態に係るＤＣ−ＤＣコンバータの２次側電流不平衡を判定する方法について説明する。
まず、ＤＣ−ＤＣコンバータの２次側の出力端にＤＣ電源を印加し（Ｓ１０１）、それぞれの連結部における電圧を測定する（Ｓ１０２）。前記測定された電圧を利用して標準抵抗（ΔＲ’）を計算するが（Ｓ１０３）、標準抵抗（ΔＲ’）を計算する前に換算抵抗を計算する。
これは、各部分の電流に対する影響なく、各部分の抵抗値を測定できるようにするためである。前記標準抵抗を計算した後には、閉回路（Ａ、Ｂ）における換算抵抗の合計（ΣＲ_left、ΣＲ_right）をそれぞれ求め、これらの差を求めることによって標準抵抗（ΔＲ’）を計算する。

【0021】

これとは別途に飽和基準値（α）を計算し（Ｓ１０４）、標準抵抗（ΔＲ’）と飽和基準値（α）を比較する（Ｓ１０５）。Ｓ１０５段階において、標準抵抗（ΔＲ’）が飽和基準値よりも小さければ正常として判断し（Ｓ１０７）、標準抵抗が飽和基準値よりも大きければ電流不平衡として判断する（Ｓ１０６）。
上述したように、ＤＣ−ＤＣコンバータを駆動せずに出力端にＤＣ電源を印加することにより、容易に２次側電流の不平衡の可否を判断することができる。

【0022】

以上、本発明に関する好ましい実施形態を説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、本発明の属する技術範囲を逸脱しない範囲での全ての変更が含まれる。

【符号の説明】

【0023】

１０：電圧測定部
２０：標準抵抗計算部
３０：飽和判別部
４０：飽和基準値計算部
５０：表示部
６０：第１ダイオード
６１：第２ダイオード
７０：パワーサプライ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】