特許 7459232 直流電圧変換器および直流電圧変換器の動作方法

(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】

(24)【登録日】2024-03-22

(45)【発行日】2024-04-01

(54)【発明の名称】直流電圧変換器および直流電圧変換器の動作方法

(51)【国際特許分類】

   H02M 3/28 20060101AFI20240325BHJP

【ＦＩ】

H02M3/28 H

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2022513108

(86)(22)【出願日】2020-08-10

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2022-11-01

(86)【国際出願番号】 EP2020072380

(87)【国際公開番号】W WO2021037542

(87)【国際公開日】2021-03-04

【審査請求日】2022-03-31

(31)【優先権主張番号】102019213068.2

(32)【優先日】2019-08-30

(33)【優先権主張国・地域又は機関】DE

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】591245473

【氏名又は名称】ロベルト・ボッシュ・ゲゼルシャフト・ミト・ベシュレンクテル・ハフツング

【氏名又は名称原語表記】ＲＯＢＥＲＴ ＢＯＳＣＨ ＧＭＢＨ

(74)【代理人】

【識別番号】100118902

【弁理士】

【氏名又は名称】山本 修

(74)【代理人】

【識別番号】100196508

【弁理士】

【氏名又は名称】松尾 淳一

(72)【発明者】

【氏名】キエンツラー，クリストフ

(72)【発明者】

【氏名】エステグラル，ゴラマバス

【審査官】井上 弘亘

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１７／１６２４０８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２００５－１７６５６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１１－０３０３４３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｍ ３／２８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１の制御量（Ｒ１）を、現在の入力電圧の値（Ｕ＿ｉｎ）と、現在の入力電流の値（Ｉ＿ｉｎ）と、出力電圧の目標値（Ｕ＿ｄｅｓ）とを使用して決定するために設計された第１の制御装置（１０）と、
第２の制御量（Ｒ２）を、前記出力電圧の目標値（Ｕ＿ｄｅｓ）と、現在の出力電圧の値（Ｕ＿ｏｕｔ）とを使用して決定するために設計された第２の制御装置（２０）と、
前記第１の制御量（Ｒ１）と前記第２の制御量（Ｒ２）とを組み合わせ、かつ目標制御量（Ｒ３）として出力するために設計された組合せ部（４０）と、
前記目標制御量（Ｒ３）の勾配を所定の最小値および／または所定の最大値に制限し、かつ前記制限された目標制御量（Ｒ３）を出力制御量（Ｒ４）として提供するために設計された第３の制御装置（３０）と、
前記出力制御量（Ｒ４）を使用して、入力直流電圧（Ｕ＿ｉｎ）を出力直流電圧（Ｕ＿ｏｕｔ）に変換するために設計された少なくとも１つの直流電圧変換モジュール（５０）とを備え、
前記第３の制御装置（３０）が、前記目標制御量（Ｒ３）の前記勾配を、前記現在の入力電圧の値（Ｕ＿ｉｎ）と、前記現在の出力電圧の値（Ｕ＿ｏｕｔ）とを使用して制限するために設計されている、直流電圧変換器（１）。

【請求項2】

前記少なくとも１つの直流電圧変換モジュール（５０）がそれぞれ変圧器を含んでおり、かつ前記変圧器が入力端子と出力端子との間に配置されており、ならびに
前記第３の制御装置（３０）が、前記目標制御量（Ｒ３）の前記勾配を、前記変圧器の変圧比（Ｎ）を使用して制限するために設計されている、請求項１に記載の直流電圧変換器（１）。

【請求項3】

前記第３の制御装置（３０）が、前記直流電圧変換器（１）内の最大の電流変化を制限するために設計されている、請求項１または２に記載の直流電圧変換器（１）。

【請求項4】

前記少なくとも１つの直流電圧変換モジュール（５０）が、昇圧コンバータ動作で動作される、請求項１から３のいずれか一項に記載の直流電圧変換器（１）。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、直流電圧変換器および直流電圧変換器の動作方法に関する。

【背景技術】

【0002】

独国特許出願公開第１０２０１６２１９７４０号明細書は、複数の並列に接続された直流電圧変換モジュールを備えた直流電圧コンバータを開示している。この場合、すべての直流電圧変換モジュールに対して１つの共通の電圧レギュレータが設けられている。それだけでなく、各直流電圧変換モジュールに対して別々に電流を調整することが企図されている。

【0003】

直流電圧変換器は、入力直流電圧を出力直流電圧に変換するために提供されており、これに関し、入力直流電圧の電圧高さは、出力直流電圧の電圧高さとは相違し得る。直流電圧変換器の出力電圧および出力電流は、調整手段により、設定された目標値に従って調整され得る。

【0004】

本発明は、独立特許請求項の特徴を有する直流電圧変換器および直流電圧変換器の動作方法を開示している。さらなる有利な実施形態は従属特許請求項の対象である。

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0005】

これに応じて企図されるのは：
第１の制御装置と、第２の制御装置と、組合せ部と、第３の制御装置と、少なくとも１つの直流電圧変換モジュールとを備えた直流電圧変換器である。第１の制御装置は、第１の制御量を決定するために設計されている。第１の制御量は、とりわけ、現在の入力電圧の値と、現在の入力電流の値と、出力電圧の目標値とを使用して決定され得る。第２の制御装置は、第２の制御量を決定するために設計されている。第２の制御量は、とりわけ、出力電圧の目標値と、現在の出力電圧の値とを使用して決定され得る。組合せ部は、第１の制御量と第２の制御量を組み合わせるために設計されている。第１および第２の制御量の組合せが、目標制御量として出力され得る。第３の制御装置は、目標制御量の勾配、つまり第１および第２の制御量の組合せの勾配を、所定の最小値および／または最大値に制限するために設計されている。第３の制御装置によって制限された目標制御量は、出力制御量として提供され得る。少なくとも１つの直流電圧変換モジュールは、出力制御量を使用して、入力直流電圧を出力直流電圧に変換するために設計されている。

【0006】

さらに企図されるのは：
直流電圧変換器の動作方法である。この方法は、現在の入力電圧の値と、現在の入力電流の値と、出力電圧の目標値とを使用して第１の制御量を決定するためのステップを含む。この方法は、出力電圧の目標値と、現在の出力電圧の値とを使用して第２の制御量を決定するためのステップをさらに含む。この方法はそれだけでなく、第１の制御量と第２の制御量を目標制御量へと組み合わせるためのステップおよび目標制御量の勾配を制限するためのステップを含む。とりわけ、目標制御量が所定の最小値および／または所定の最大値に制限され得る。こうして制限された目標制御量は、出力制御量として提供され得る。この方法は最後に、少なくとも１つの直流電圧変換モジュールを制御するためのステップを含むことができ、これに関しては、直流電圧変換モジュールが出力制御量を使用して制御され得る。

【0007】

本発明の基礎になっているのは、直流電圧変換器内の電流は、とりわけ昇圧動作（英語：Ｂｏｏｓｔ動作）では、調整挙動に応じて場合によっては非常に急激に上昇または低下し得るという知見である。直流電圧変換器内の電流の上昇または低下のこのような非常に速い変化は、場合によっては直流電圧変換器内の電気部品に非常に強く負荷をかけ得る。これは時には直流電圧変換器内の部品の破壊にまで至り得る。

【0008】

したがって本発明のアイデアは、この知見を顧慮し、かつ直流電圧変換器のための、直流電圧変換器内の電流の過度に強い上昇または低下を伴う動作状態を防止し得る調整を企図することである。このために、直流電圧変換器を制御するための制御量の勾配を制限することが企図されている。この制御量は、例えば直流電圧変換器内のスイッチング素子の制御に関するデューティ比であり得る。すなわち制御量の勾配を制限することにより、直流電圧変換器内の電流の最大の上昇または低下も制限され得る。それだけでなく、電流の上昇または低下に対して設定された限界を守ることで、直流電圧変換器内の部品の過負荷に対する限界を超えることなく、所望の目標電圧または所望の目標電流をできるだけ速く調整することが可能である。

【0009】

一実施形態によれば、第３の制御装置は、目標制御量の勾配を、現在の入力電圧の値と、現在の出力電圧の値とを使用して制限するために設計されている。第３の制御装置は、例えば、現在の動作状態の現在の入力電圧および現在の出力電圧の値から、およびとりわけ直流電圧変換モジュール内の現在に調整されている制御量を確定し得る。これに相応して、現在の制御量と設定された目標制御量との比較から、新たに調整すべき制御量の勾配が確定され得る。この勾配が、設定された限界を超える場合、第３の制御装置は、新たに調整すべき制御量を、設定された限界に従う制御量に制限し得る。

【0010】

一実施形態によれば、少なくとも１つの直流電圧変換モジュールは変圧器を含んでいる。変圧器は、とりわけ直流電圧変換モジュールの入力端子と出力端子の間に設けられ得る。この場合、第３の制御装置は、目標制御量の勾配を、変圧器の変圧比を使用して制限するために設計され得る。変圧比は、とりわけ変圧器の一次コイルと二次コイルの巻数の比を意味し得る。この変圧比は、現在の入力電圧および現在の出力電圧と共に、直流電圧変換器の現在の調整を決定するために参照され得る。

【0011】

一実施形態によれば、第３の制御装置は、直流電圧変換器内の最大の電流変化を制限するために設計されている。この最大の電流変化は、例えば直流電圧変換器の入力電流または出力電流に関し得る。直流電圧変換器内の電流変化の制限、したがって電流勾配の制限により、直流電圧変換器内の部品の過負荷を回避できることが保証され得る。

【0012】

一実施形態によれば、直流電圧変換器の少なくとも１つの直流電圧変換モジュールは、昇圧コンバータ動作（Ｂｏｏｓｔ動作）で動作される。とりわけ昇圧コンバータ動作では、ある特定の制御量以降、とりわけある特定のデューティ比以降、電流の強い変化の場合に、部品の損傷にまで至り得る部品の過負荷が発生し得る。制御量の制限、したがって電流の変化の制限により、このような危険な動作状態が防止され得る。

【0013】

上記の形態および変形形態は、有意義であれば、任意に相互に組み合わされ得る。本発明のさらなる形態、変形形態、および実装は、上でまたは以下で例示的実施形態に関連して述べられている本発明の特徴の、明確には挙げられていない組合せも含む。これに関してはとりわけ、当業者は本発明のそれぞれの基本形に対する改善または補充としての個々の態様も付け加えるであろう。

【0014】

以下に、本発明のさらなる特徴および利点を図に基づいて解説する。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】一実施形態による直流電圧変換器のブロック図の概略図である。

【図2】一実施形態による直流電圧変換器の制御装置の基礎になっているブロック図の概略図である。

【図3】一実施形態による直流電圧変換器の動作方法の基礎になっているフローチャートの概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

図１は、一実施形態による直流電圧変換器１の基礎になっている原理回路図の概略図を示している。直流電圧変換器１は、入力直流電圧Ｕ＿ｉｎを出力電圧Ｕ＿ｏｕｔに変換する１つまたは複数の直流電圧変換モジュール５０を含み得る。図１では１つの直流電圧変換モジュール５０しか図示していないのではあるが、原理的には、複数の直流電圧変換モジュール５０を並列に動作させることも可能である。出力電圧Ｕ＿ｏｕｔおよび／または出力電流は、この場合、相応の調整手段によって調整され得る。直流電圧変換器１の出口では、負荷、例えばコンデンサＣが接続され得る。

【0017】

直流電圧変換器１、とりわけ直流電圧変換モジュール５０を調整するため、例えば第１の制御装置１０が設けられ得る。この第１の制御装置１０は、例えばプレ制御の枠内で第１の制御量Ｒ１を決定し得る。この第１の制御量Ｒ１は、例えば直流電圧変換器の入力電圧Ｕ＿ｉｎと、出力電圧の所望の目標値Ｕ＿ｄｅｓとを根拠として決定され得る。それだけでなく直流電圧変換器内の電流、とりわけ直流電圧変換モジュール５０の入口での電流Ｉ＿ｉｎも、第１の制御量Ｒ１を決定するために考慮され得る。さらに、場合によっては直流電圧変換モジュール５０内の変圧器の変圧比Ｎも、第１の制御量Ｒ１を決定するために考慮され得る。

【0018】

それだけでなく第２の制御装置２０により、電圧調整の枠内で第２の制御量Ｒ２が決定され得る。第２の制御量Ｒ２は、とりわけ直流電圧変換器１の出力電圧の目標値Ｕ＿ｄｅｓと、直流電圧変換器１の出口での実際の現在の値Ｕ＿ｏｕｔとを考慮して決定され得る。

【0019】

第１の制御装置１０からの第１の制御量Ｒ１および第２の制御装置２０からの第２の制御量Ｒ２は、組合せ機構４０内でまとめられ、例えば合計され得る。第１の制御量Ｒ１と第２の制御量Ｒ２との組合せは、目標制御量Ｒ３として組合せ機構４０から出力され得る。したがってこの目標制御量Ｒ３は、所望の出力電圧Ｕ＿ｄｅｓを達成するために、現在の出力電圧Ｕ＿ｏｕｔおよびさらなる基本条件、例えば入力電圧Ｕ＿ｉｎ、入力電流Ｉ＿ｉｎなどを考慮して調整された制御量であることが望ましい。この制御量は、例えば直流電圧変換モジュール５０内のスイッチング素子を制御するためのデューティ比の設定であり得る。

【0020】

特定の動作条件下、とりわけある特定のデューティ比以降では、制御量の強すぎる変化、とりわけデューティ比の強い変化が、電流の強い変化、したがって高い電流勾配に至り得る。直流電圧変換器１、とりわけ直流電圧変換モジュール５０内の部品の損傷を回避するため、制御量Ｒ３の勾配、したがって直流電圧変換器１内の電流勾配、つまり電流の変化が、第３の制御装置３０によって制限され得る。組合せ機構４０からの制御量Ｒ３の勾配が設定された最大値を上回る場合または制御量Ｒ３の（負の）勾配が最小値を下回る場合、組合せ機構４０から出力された制御量Ｒ３を制限することができる。このようにして第３の制御装置３は、勾配が（正の）最大値と（負の）最小値の間の設定された窓内で動く出力制御量Ｒ４を提供し得る。この制限された制御量Ｒ４は、その後、直流電圧変換モジュール５０に提供され得る。

【0021】

第３の制御装置３０は、例えば現在の動作点Ｒ＿ｃｕｒを、現在の入力電圧Ｕ＿ｉｎと、直流電圧変換モジュール５０内の変圧器の変圧比Ｎと、現在の出力電圧Ｕ＿ｏｕｔとから、以下のように計算し得る。
Ｒ＿ｃｕｒ＝１－（Ｕ＿ｉｎ×Ｎ／（２×Ｕ＿ｏｕｔ））

【0022】

目標制御量Ｒ３が現在の動作点Ｒ＿ｃｕｒより明らかに大きい場合、これは直流電圧変換器内の大きすぎる電流に至り得る。これに対し目標制御量Ｒ３が現在の動作点Ｒ＿ｃｕｒより明らかに小さい場合は電流が流れない。

【0023】

直流電圧変換モジュール５０内の変圧器の鉄心飽和の可能性を回避するため、最初に、目標制御量Ｒ３の勾配が、ランプ関数ｆ（）により、正の勾配ｄ＿ｕｐと負の勾配ｄ＿ｄｏｗｎの間に制限され得る。

【0024】

それだけでなく電流勾配が例えば最大１０％に制限され得る。
－０．１＜Ｒ４－Ｒ＿ｃｕｒ＜＋０．１
この方程式に１．０を加え、かつ現在の動作点に関する式を代入すると、これにより、下の勾配ｄ＿ｍｉｎと上の勾配ｄ＿ｍａｘの間の一般条件として、
ｄ＿ｍｉｎ＜Ｒ４＋（Ｕ＿ｉｎ×Ｎ／（２×Ｕ＿ｏｕｔ））＜ｄ＿ｍａｘ
が生じる。

【0025】

この場合に関し、直流電圧変換モジュール５０の制御量の勾配は、ランプ関数ｆ（）により、さらに最大勾配ｄ＿ｓｌｏｗに制限され得る。

【0026】

図２は、上で説明したような、直流電圧変換モジュール５０の制御量の勾配を制限するための第３の制御装置３０のブロック図の概略図を示している。

【0027】

図２で認識できるように、目標制御量Ｒ３、例えば第１の制御量Ｒ１と第２の制御量Ｒ２の組合せが、直流電圧変換モジュール５０を制御するための制御量Ｒ４の勾配を制限するために制限され得る。このために、入力直流電圧Ｕ＿ｉｎと、直流電圧変換モジュール５０内の変圧器の変圧比と、出力直流電圧Ｕ＿ｏｕｔとから、現在の動作点が確定され得る。現在の動作点は、その後、限界ｄ＿ｍｉｎ、ｄ＿ｍａｘと、最大勾配ｄ＿ｕｐ、ｄ＿ｄｏｗｎ、およびｄ＿ｓｌｏｗの設定とに相応して制限され得る。その後、勾配が制限された制御量Ｒ４が、直流電圧変換モジュール５０を制御するために出力され得る。

【0028】

図３は、一実施形態による直流電圧変換器１の動作方法の基礎になっているフローチャートの概略図を示している。

【0029】

ステップＳ１では、第１の制御量が、現在の入力電圧の値Ｕ＿ｉｎと、現在の入力電流の値Ｉ＿ｉｎと、出力電圧の目標値Ｕ＿ｄｅｓとを使用して決定される。
ステップＳ２では、第２の制御量Ｒ２が、出力電圧の目標値Ｕ＿ｄｅｓと、現在の出力電圧の値Ｕ＿ｏｕｔとを使用して決定される。
ステップＳ３では、第１の制御量Ｒ１と第２の制御量Ｒ２が目標制御量Ｒ３へと組み合わされる。

【0030】

ステップＳ４では、目標制御量Ｒ４の勾配が所定の最大値および／または所定の最小値に制限され、こうして制限された目標制御量Ｒ３が、出力制御量Ｒ４として提供される。

【0031】

勾配が制限された出力制御量Ｒ４は、その後、ステップＳ５で１つまたは複数の直流電圧変換モジュール５０を制御するために使用され得る。

【0032】

まとめると、本発明は直流電圧変換器の制御に関し、この場合、直流電圧変換器を制御するための制御量の勾配が制限される。直流電圧変換器の場合によっては危険な動作状態を回避するために、制御量の勾配の制限により、直流電圧変換器内の最大の電流変化が制限され得る。

【図1】

【図2】

【図3】