本發(fā)明涉及將直流電壓轉(zhuǎn)換為其他直流電壓的dc-dc電壓轉(zhuǎn)換裝置,尤其涉及具備功率半導(dǎo)體單元的過熱保護系統(tǒng)的dc-dc電壓轉(zhuǎn)換裝置。

背景技術(shù)：

dc-dc電壓轉(zhuǎn)換裝置使用igbt(insulatedgatebipolartransistor:絕緣柵雙極晶體管)、mosfet(metal―oxide―semiconductorfield―effecttransistor:金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管)等功率半導(dǎo)體元件作為半導(dǎo)體開關(guān)元件,通過功率半導(dǎo)體元件的開關(guān)動作的重復(fù)來將直流電壓轉(zhuǎn)換為其他直流電壓。在進行該開關(guān)動作時,利用半導(dǎo)體元件內(nèi)部的半導(dǎo)體接合部分(下面稱為結(jié)部)的功率損耗來產(chǎn)生發(fā)熱,熱量從功率半導(dǎo)體元件的結(jié)部傳遞并釋放到半導(dǎo)體元件的殼體或散熱板。

另一方面,功率半導(dǎo)體元件的結(jié)部具有允許溫度,若超過允許溫度,則功率半導(dǎo)體元件的性能會劣化,有些情況下會引起破壞。

為了防止上述那樣因功率半導(dǎo)體元件的溫度上升引起的劣化、破壞,開發(fā)了一種dc-dc電壓轉(zhuǎn)換裝置,其對結(jié)溫進行測定,并且具備過熱保護功能,從而在過熱時使功率半導(dǎo)體元件進行保護動作。

為了使這種過熱保護功能有效工作,需要對結(jié)溫進行準確的測定。然而,在實際的產(chǎn)品中,難以直接測定結(jié)溫。為此,如專利文獻1或?qū)＠墨I2那樣提出了如下方法:利用溫度傳感器測定相對于功率半導(dǎo)體模塊的規(guī)定位置的溫度,根據(jù)功率半導(dǎo)體元件內(nèi)的發(fā)熱量(功率損耗)計算規(guī)定部分與結(jié)部的溫度差,并推算結(jié)溫。

現(xiàn)有技術(shù)文獻

專利文獻

專利文獻1:日本專利特許第3075303號公報

專利文獻2:日本專利特開平7-135731號公報

技術(shù)實現(xiàn)要素：

發(fā)明所要解決的技術(shù)問題

然而,如專利文獻1和專利文獻2中說明的那樣,igbt、mosfet等功率半導(dǎo)體元件的發(fā)熱受到關(guān)注,為了應(yīng)對該發(fā)熱而高精度地進行溫度推算,但對于與igbt、mosfet等功率半導(dǎo)體元件并聯(lián)連接的二極管元件的溫度卻沒有太多關(guān)注。

二極管元件中也存在因功率損耗而產(chǎn)生發(fā)熱從而導(dǎo)致結(jié)溫上升的問題,尤其存在根據(jù)使用條件(充放電時的開關(guān)模式)的不同,二極管元件的溫度可能比dc-dc電壓轉(zhuǎn)換裝置的功率半導(dǎo)體元件的溫度更高的問題。

本發(fā)明為了解決上述問題而完成,其目的在于,在將直流電壓轉(zhuǎn)換成升壓后的直流電壓的dc-dc電壓轉(zhuǎn)換裝置中,能以簡單的結(jié)構(gòu)廉價并且容易地利用作為dc-dc電壓轉(zhuǎn)換裝置的主電路結(jié)構(gòu)并具有相關(guān)性的功率半導(dǎo)體元件的檢測溫度和升壓比來進行修正運算并計算出主電路的二極管元件的溫度,并根據(jù)該計算值來進行保護,從而避免過熱破壞。

解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案

本發(fā)明為了實現(xiàn)上述目的,包括:dc-dc電壓轉(zhuǎn)換裝置的轉(zhuǎn)換主電路的半導(dǎo)體開關(guān)元件；二極管元件,該二極管元件與該半導(dǎo)體開關(guān)元件并聯(lián)連接；溫度檢測部,該溫度檢測部對半導(dǎo)體開關(guān)元件的溫度進行檢測；二極管元件溫度計算部,該二極管元件溫度計算部利用由溫度檢測部檢測出的半導(dǎo)體開關(guān)元件的溫度和dc-dc電壓轉(zhuǎn)換裝置的升壓比進行修正運算,來計算二極管元件的溫度；以及過熱保護單元,該過熱保護單元進行用于根據(jù)計算出的該溫度的值來保護二極管元件的控制。

發(fā)明效果

本發(fā)明的dc-dc電壓轉(zhuǎn)換裝置中,利用半導(dǎo)體開關(guān)元件的檢測溫度和升壓比來進行修正運算從而推算二極管元件的溫度,能保護二極管元件不發(fā)生過熱破壞。

附圖說明

圖1是表示本發(fā)明實施方式1的dc-dc電壓轉(zhuǎn)換裝置的整體結(jié)構(gòu)圖的框圖。

圖2是示意性表示本發(fā)明實施方式1的dc-dc電壓轉(zhuǎn)換裝置的一次側(cè)與二次側(cè)之間的電壓轉(zhuǎn)換和電力的流動的框圖。

圖3是示意性表示本發(fā)明實施方式1的dc-dc電壓轉(zhuǎn)換裝置的一次側(cè)與二次側(cè)之間的電壓轉(zhuǎn)換和電力的流動的框圖。

圖4是本發(fā)明實施方式1的轉(zhuǎn)換主電路的整體結(jié)構(gòu)圖。

圖5是本發(fā)明實施方式1的dc-dc電壓轉(zhuǎn)換裝置的放電時開關(guān)模式a的動作圖。

圖6是本發(fā)明實施方式1的dc-dc電壓轉(zhuǎn)換裝置的放電時開關(guān)模式b的動作圖。

圖7是本發(fā)明實施方式1的dc-dc電壓轉(zhuǎn)換裝置的放電時開關(guān)模式c的動作圖。

圖8是本發(fā)明實施方式1的dc-dc電壓轉(zhuǎn)換裝置的放電時開關(guān)模式d的動作圖。

圖9是本發(fā)明實施方式1的dc-dc電壓轉(zhuǎn)換裝置的充電時開關(guān)模式a的動作圖。

圖10是本發(fā)明實施方式1的dc-dc電壓轉(zhuǎn)換裝置的充電時開關(guān)模式b的動作圖。

圖11是本發(fā)明實施方式1的dc-dc電壓轉(zhuǎn)換裝置的充電時開關(guān)模式c的動作圖。

圖12是本發(fā)明實施方式1的dc-dc電壓轉(zhuǎn)換裝置的充電時開關(guān)模式d的動作圖。

圖13是本發(fā)明實施方式1的dc-dc電壓轉(zhuǎn)換裝置放電時的升壓比低于2倍的波形圖。

圖14是表示本發(fā)明實施方式1的dc-dc電壓轉(zhuǎn)換裝置的溫度比系數(shù)的特性圖。

圖15是表示本發(fā)明實施方式1的dc-dc電壓轉(zhuǎn)換裝置的溫度比系數(shù)的特性圖。

圖16是本發(fā)明實施方式1的功率半導(dǎo)體單元的結(jié)構(gòu)圖。

圖17是本發(fā)明實施方式1的溫度信息計算部的框圖。

圖18是本發(fā)明實施方式1的升壓比計算部的框圖。

圖19是本發(fā)明實施方式1的二極管元件溫度計算部的框圖。

圖20是表示本發(fā)明實施方式1的過熱保護必要與否判定輸入輸出的框圖。

圖21是本發(fā)明實施方式1的dc-dc電壓轉(zhuǎn)換裝置放電時的升壓比在2倍以上的波形圖。

圖22是本發(fā)明實施方式1的dc-dc電壓轉(zhuǎn)換裝置充電時的升壓比低于2倍的波形圖。

圖23是本發(fā)明實施方式1的dc-dc電壓轉(zhuǎn)換裝置充電時的升壓比在2倍以上的波形圖。

圖24是本發(fā)明實施方式1的dc-dc電壓轉(zhuǎn)換裝置的直接連接時的波形圖。

具體實施方式

實施方式1

以下,基于附圖說明本發(fā)明實施方式1的dc-dc電壓轉(zhuǎn)換裝置。

圖1是表示本發(fā)明實施方式1的dc-dc電壓轉(zhuǎn)換裝置的整體結(jié)構(gòu)的框圖。dc-dc電壓轉(zhuǎn)換裝置1由轉(zhuǎn)換主電路2以及控制單元3構(gòu)成。dc-dc電壓轉(zhuǎn)換裝置1在轉(zhuǎn)換主電路2的一次側(cè)具備正極側(cè)端子p1以及負極側(cè)端子n1作為電力路徑的連接端子,并在二次側(cè)具備正極側(cè)端子p2以及負極側(cè)端子n2(下面有時簡稱為端子)。

圖2和圖3是示意性表示本實施方式所涉及的dc-dc電壓轉(zhuǎn)換裝置的一次側(cè)與二次側(cè)之間的電壓轉(zhuǎn)換和電力的流動的圖。表示了dc-dc電壓轉(zhuǎn)換裝置1的一次側(cè)的正極側(cè)端子p1以及負極側(cè)端子n1與直流電源4相連、二次側(cè)的正極側(cè)端子p2以及負極側(cè)端子n2與電氣設(shè)備5相連的狀態(tài)。

圖2中,直流電源4除了使用鋰離子電池、鎳氫電池、鉛酸電池這樣的二次電池以外,還使用由雙電層電容器、二次電池與太陽能電池、燃料電池等電源進行組合而得到的電池。此外,作為電氣設(shè)備5是包含電負載來與發(fā)電裝置、蓄電裝置相組合而得到的設(shè)備。

dc-dc電壓轉(zhuǎn)換裝置1對于一次側(cè)端子電壓v1和二次側(cè)端子電壓v2,基于v1≤v2的關(guān)系進行電壓轉(zhuǎn)換,相互交換功率。

這里,如圖2所示,在直流電源4為放電動作、電氣設(shè)備5為功率消耗動作的情況下,dc-dc電壓轉(zhuǎn)換裝置1在從一次側(cè)到二次側(cè)的方向上將電壓進行升壓并送入電力。此外,如圖3所示,在直流電源4為充電動作、電氣設(shè)備5為供電動作的情況下,dc-dc電壓轉(zhuǎn)換裝置1在從二次側(cè)到一次側(cè)的方向上將電壓進行降壓并送入電力。

此時,根據(jù)從控制單元3輸出的柵極驅(qū)動信號6來對轉(zhuǎn)換主電路2所具備的功率半導(dǎo)體單元內(nèi)的開關(guān)元件的導(dǎo)通(on)、截止(off)進行控制,由此來進行電壓的轉(zhuǎn)換。

圖4是表示轉(zhuǎn)換主電路2的電路布線的一個示例的圖,轉(zhuǎn)換主電路2由對一次側(cè)端子電壓v1進行平滑化的平滑電容器c1、對二次側(cè)端子電壓v2進行平滑化的平滑電容器c2、電感器l、能量轉(zhuǎn)移用電容器c0、以及以開關(guān)元件和整流元件的并聯(lián)連接體為單位的第一至第四功率半導(dǎo)體單元pu1-pu4構(gòu)成。

第一至第四這四個功率半導(dǎo)體單元pu1-pu4構(gòu)成為將兩對功率半導(dǎo)體單元對串聯(lián)連接,并從一次側(cè)向二次側(cè)進行升壓來進行供電,其中,該功率半導(dǎo)體單元對構(gòu)成為兩個功率半導(dǎo)體單元反向并聯(lián)連接。并且,各個功率半導(dǎo)體單元pu1-pu4以開關(guān)元件和整流元件的并聯(lián)體為單位來構(gòu)成。

使用igbt(insulatedgatebipolartransistor:絕緣柵雙極晶體管)作為第一至第四功率半導(dǎo)體單元pu1-pu4的開關(guān)元件。分別采用第一igbt1、第二igbt2、第三igbt3、第四igbt4,并采用第一二極管元件di1、di2、di3、di4作為整流元件。以下,將整流元件的用語統(tǒng)一使用二極管元件。另外,上述功率半導(dǎo)體單元的數(shù)量不限于此。

轉(zhuǎn)換主電路2由第一和第二平滑電容器c1、c2、功率模塊(pu1～pu4)、能量轉(zhuǎn)移用電容器c0、以及電感器l構(gòu)成,其中:所述第一和第二平滑電容器c1、c2連接在轉(zhuǎn)換主電路2的一次側(cè)和二次側(cè)各自的正極側(cè)端子p1、p2與負極側(cè)端子n1、n2之間,并對電壓進行平滑；所述功率模塊(pu1～pu4)包含兩對以上由分別由開關(guān)元件(以下稱為igbt)與二極管元件(以下稱為di)反向并聯(lián)連接而成的兩個功率半導(dǎo)體單元(pu)組成的功率半導(dǎo)體單元對,各對中的一對功率半導(dǎo)體單元彼此串聯(lián)連接在一次側(cè)的正極側(cè)端子p1與二次側(cè)的正極側(cè)端子p2之間,另一對功率半導(dǎo)體單元彼此以和上述一對功率半導(dǎo)體單元相反的方向串聯(lián)連接在一次側(cè)的正極側(cè)端子p1與二次側(cè)的負極側(cè)端子n2之間；所述能量轉(zhuǎn)移用電容器c0連接在除二次側(cè)端的功率半導(dǎo)體單元對以外的、各功率半導(dǎo)體單元對的一個功率半導(dǎo)體單元與另一個功率半導(dǎo)體單元各自的二次側(cè)端之間；所述電感器l連接在一次側(cè)端的功率半導(dǎo)體單元對與一次側(cè)的正極側(cè)端子p1之間。

如圖所示,轉(zhuǎn)換主電路2的一次側(cè)平滑電容器c1的兩端子連接到轉(zhuǎn)換主電路2的一次側(cè)的正極側(cè)端子p1、負極側(cè)端子n1,負極側(cè)端子n1也與轉(zhuǎn)換主電路2的二次側(cè)的負極側(cè)端子n2相連。正極側(cè)端子p1連接到平滑電容器c1的一個端子和電感器l的一個端子。

此外,平滑電容器c2的兩個端子與轉(zhuǎn)換主電路2的二次側(cè)的正極側(cè)端子p2、負極側(cè)端子n2相連。

第四功率半導(dǎo)體單元pu4的第四igbt4的集電極端子c與轉(zhuǎn)換主電路2的二次側(cè)的正極側(cè)端子p2相連,發(fā)射極端子e與第三功率半導(dǎo)體單元pu3的第三igbt3的集電極端子相連,第三igbt3的發(fā)射極端子與第二功率半導(dǎo)體單元pu2的第二igbt2的集電極端子相連,第二igbt2的發(fā)射極端子與第一功率半導(dǎo)體單元pu1的第一igbt1的集電極端子相連,第一igbt1的發(fā)射極端子與二次側(cè)的負極側(cè)端子n2相連。

第四功率半導(dǎo)體單元pu4的第四二極管元件di4與第四igbt4反向并聯(lián)連接,第四二極管元件di4的陽極端子a與第四igbt4的發(fā)射極端子e相連,第四二極管元件di4的陰極端子k與第四igbt4的集電極端子c相連。同樣地,第三二極管元件di3、第二二極管元件di2、第一二極管元件di1分別與第三igbt3、第二igbt2、第一igbt1反向并聯(lián)連接。

能量轉(zhuǎn)移用電容器c0的一個端子連接到第四igbt4與第三igbt3的連接點,另一個端子連接到第二igbt2與第一igbt1的連接點。

電感器l如上所述,一個端子連接到轉(zhuǎn)換主電路2的一次側(cè)的正極側(cè)端子p1與平滑電容器c1的端子的連接點,另一個端子連接到第三igbt3與第二igbt2的連接點。

即,轉(zhuǎn)換主電路2構(gòu)成為:一次側(cè)的正極側(cè)端子p1與負極側(cè)端子n1之間連接有平滑電容器c1和電感器l,半導(dǎo)體開關(guān)元件與二極管元件反向并聯(lián)連接而成的功率半導(dǎo)體單元的串聯(lián)體連接到二次側(cè)的正極端子與負極端子之間,電感器的與連接到平滑電容器的端子的連接端子不同的端子連接到功率半導(dǎo)體單元的串聯(lián)體中的、第二功率半導(dǎo)體單元與第三功率半導(dǎo)體單元的連接點,第一功率半導(dǎo)體單元和第二功率半導(dǎo)體單元的連接點與第三功率半導(dǎo)體單元和第四功率半導(dǎo)體單元的連接點之間連接有能量轉(zhuǎn)移用電容器c0。

從圖1所示的控制單元3連接有信號線,使得用于對igbt進行導(dǎo)通、截止控制的柵極驅(qū)動信號6與第四igbt4、第三igbt3、第二igbt2、第一igbt1相對應(yīng)地分別輸入到第四gate4、第三gate3、第二gate2、第一gate1。第四igbt4按照第四gate4信號的電壓變化進行開關(guān)動作,第三igbt3按照第三gate3信號的電壓變化進行開關(guān)動作,第二igbt2按照第二gate2信號的電壓變化進行開關(guān)動作,第一igbt1按照第一gate1信號的電壓變化進行開關(guān)動作。

接著,對轉(zhuǎn)換主電路2的動作進行說明。

如上所述,dc-dc電壓轉(zhuǎn)換裝置1進行電壓轉(zhuǎn)換,使得從一次側(cè)向二次側(cè)對電壓進行升壓,或者從二次側(cè)向一次側(cè)對電壓進行降壓。利用柵極驅(qū)動信號6、即第四gate4、第三gate3、第二gate2、第一gate1,來調(diào)整igbt的導(dǎo)通、截止動作的時刻,從而控制該升壓動作、降壓動作。

圖4所示結(jié)構(gòu)的、dc-dc電壓轉(zhuǎn)換裝置放電時、即升壓動作的開關(guān)模式的a、b、c、d分別如圖5至圖8所示。對于各個動作,按照順序進行如下說明。

此外,圖4所示結(jié)構(gòu)的、dc-dc電壓轉(zhuǎn)換裝置充電時、即降壓動作的開關(guān)模式的a、b、c、d分別如圖9至圖12所示。對于該動作,也按照順序進行如下說明。

對于利用柵極驅(qū)動信號6進行的電壓轉(zhuǎn)換控制,將升壓動作時和降壓動作時分開來說明以下情況。

(1)升壓動作時導(dǎo)通占空比低于50％的情況

(2)升壓動作時導(dǎo)通占空比為50％以上的情況

(3)降壓動作時導(dǎo)通占空比低于50％的情況

(4)降壓動作時導(dǎo)通占空比為50％以上的情況

(5)直接連接動作的情況

1)升壓動作時導(dǎo)通占空比低于50％的情況:

這里,導(dǎo)通占空比是與第一gate1信號和第二gate2信號相關(guān)的值,第四gate4信號和第三gate3信號分別與第一gate1信號、第二gate2信號互補,因此,第三gate3信號和第四gate4信號的導(dǎo)通占空比滿足100％-(第一gate1信號、第二gate2信號的導(dǎo)通占空比)的關(guān)系。

圖13示出升壓動作時,柵極驅(qū)動信號的導(dǎo)通占空比小于50％的情況。圖13中,圖13a示出柵極驅(qū)動信號s,圖13b示出電感器電流il,圖13c示出開關(guān)模式及其切換時刻。

電感器電流il以電感器l中從正極側(cè)端子p1側(cè)的連接端子向第三igbt3側(cè)連接端子的方向流動的極性為正。

圖13中,在第一gate1信號為高“h”的情況下,第一igbt1導(dǎo)通,在第二gate2信號為高的情況下,第二igbt2導(dǎo)通,電流從集電極流向發(fā)射極。

同樣地,在第三gate3信號為高“h”的情況下,第三igbt3導(dǎo)通,在第四gate4信號為高“h”的情況下,第四igbt4導(dǎo)通,而在升壓動作時,在反向并聯(lián)連接的第三二極管元件di3、第四二極管元件di4中,電流從陽極流向陰極。

這里,第一gate1信號和第四gate4信號是高“h”、低“l(fā)”的彼此邏輯相反的互補信號,當?shù)谝籫ate1信號為高時,第四gate4信號為低,當?shù)谝籫ate1信號為低時,第四gate4信號為高。這里,在對高、低邏輯進行切換時,為了防止因igbt的開關(guān)動作的響應(yīng)延遲而導(dǎo)致雙方同時導(dǎo)通,設(shè)置阻斷時間(死區(qū)時間)。

同樣地,第二gate2信號和第三gate3信號是高、低的邏輯互為相反的互補信號,第一gate1信號和第二gate2信號的相位差為180度。即,柵極驅(qū)動信號6具有兩對作為互補信號而成對的信號,且彼此的相位差為等間隔。

此時,從第一gate1到第四gate4的柵極驅(qū)動信號的高、低邏輯的組合分為開關(guān)模式b、c、d三種,并以b→d→c→d→b的順序進行切換。

在開關(guān)模式b中,第一igbt1和第三igbt3導(dǎo)通,第二igbt2和第四igbt4截止,電流從正極側(cè)端子p1沿電感器l、第三二極管元件di3、能量轉(zhuǎn)移用電容器c0、第一igbt1、負極側(cè)端子n1的路徑流動,從而將能量儲存到電感器l以及能量轉(zhuǎn)移用電容器c0中。電氣設(shè)備5上施加有平滑電容器c2的兩端電壓,由平滑電容器c2提供能量,其中,所述平滑電容器c2通過后述的動作來進行充電。

由于第一igbt1、第三二極管元件di3導(dǎo)通從而電流導(dǎo)通,因此能量轉(zhuǎn)移用電容器c0的第一igbt1側(cè)的連接端子的電位大約為vcom＝0。此外,第三igbt3側(cè)的連接端子的電位大約為vl。由此,電感器l的第三igbt3側(cè)的連接端子的電壓vl即為能量轉(zhuǎn)移用電容器c0的兩端電壓vc0。

在開關(guān)模式d中,第三igbt3和第四igbt4導(dǎo)通,第一igbt1和第二igbt2截止,從正極側(cè)端子p1沿著電感器l、第三二極管元件di3、第四二極管元件di4、正極側(cè)端子p2、電氣設(shè)備5、負極側(cè)端子n2的路徑流過電流,因而儲存在電感器l中的能量被釋放。

此外,第三二極管元件di3和第四二極管元件di4中電流導(dǎo)通,電壓vl大約為v2,因此,電感器l的第三igbt3側(cè)的連接端子的電壓與正極側(cè)端子p1側(cè)的連接端子的電壓之差以(v1-v2)來表示且為負,電感器電流il向著il<0的方向減少。

在開關(guān)模式c中,第二igbt2和第四igbt4導(dǎo)通,第一igbt1和第三igbt3截止,電流從正極側(cè)端子p1沿電感器l、第二igbt2、能量轉(zhuǎn)移用電容器c0、第四二極管元件di4、正極側(cè)端子p2、電氣設(shè)備5、負極側(cè)端子n2的路徑流動,從而將能量儲存到電感器l,并從能量轉(zhuǎn)移用電容器c0釋放。此外,同時也有電流流過平滑電容器c2來儲存能量。

由于第二igbt2、第四二極管元件di4導(dǎo)通從而電流流通,因此能量轉(zhuǎn)移用電容器c0的第二igbt2側(cè)的連接端子的電位大約為vl,第四igbt4側(cè)的連接端子的電位大約為v2。由此,電感器l的第三igbt3側(cè)的連接端子的電壓vl為v2-vc0。

這里,由于第一gate1信號和第二gate2信號的導(dǎo)通占空比相等,因此,開關(guān)模式b、c中的電壓vl的時間平均值相等,vc0滿足vc0＝(v2-vc0)的關(guān)系。由此,能量轉(zhuǎn)移用電容器c0的兩端電壓vc0為二次側(cè)端子電壓v2的1/2倍即v2/2。

對上述說明進行整理,電感器l的第三igbt3側(cè)的連接端子的電壓vl在開關(guān)模式b中滿足vl＝vc0＝v2/2。此外,在開關(guān)模式c中,滿足vl＝(v2-vc0)＝v2/2,在開關(guān)模式d中,滿足vl＝v2。

由此,電感器l兩端的電位差、第一igbt1、第二igbt2的開關(guān)導(dǎo)通時間ton、開關(guān)截止時間toff表示為以下關(guān)系。

開關(guān)模式b、c:

l·ilrpl＝ton·(v1-v2/2)(1a)

開關(guān)模式d:

l·ilrpl＝-toff·(v1-v2)(1b)

其中,l表示電感器l的電感,ilrp1表示流過電感器l的波紋電流分量(交流電流分量)的振幅。

由于式1a和式1b的左邊彼此相等,因此以下關(guān)系成立。

ton·(v1-v2/2)＝toff·(v2-v1)(2)

若對式2的一次側(cè)端子電壓v1和二次側(cè)端子電壓v2進行整理,則如下那樣。

(v2/v1)＝(ton+toff)/(ton+toff-ton+ton/2)＝1/(1-ton/t)(3)

其中,ton+toff＝t/2

上式3中,周期t表示以開關(guān)模式b→d→c→d→b的順序切換并進行一個周期的期間,在周期t內(nèi),包括兩次ton期間和兩次toff期間。因此,ton+toff為t/2。

此外,式3的左邊,v2/v1是dc-dc電壓轉(zhuǎn)換裝置1的一次側(cè)電壓v1與二次側(cè)電壓v2的比率,并且是dc-dc電壓轉(zhuǎn)換比。

在圖13所示的柵極驅(qū)動信號的導(dǎo)通占空比不足50％的動作中,ton/t<0.5,若將其應(yīng)用到式(3)中,則dc-dc電壓轉(zhuǎn)換比不足2。由此,v2<(v1×2)。

由此,在開關(guān)模式b、c中,電感器l的第三igbt3側(cè)的連接端子的電壓vl滿足vl＝v2/2<v1,電感器l的正極側(cè)端子p1側(cè)的連接端子的電壓為v1。由此,以vl為基準,電感器l兩端間的電位差為正,電感器電流il向正方向增加。

如上所述,在開關(guān)模式b→d→c→d→b的切換中,在開關(guān)模式b、c下,電感器電流il從il≥0的狀態(tài)進一步向正方向變化,在開關(guān)模式d下,電感器電流il向il<0的狀態(tài)變化。

由此,在igbt的整個開關(guān)周期t內(nèi),電感器電流il的增加、減少以t/2周期重復(fù)兩次。即,相對于igbt的開關(guān)頻率,在電感器l中有兩倍頻率的交流電流導(dǎo)通。

這里,對于功率半導(dǎo)體單元中流過的電流,二極管元件中流過的電流比igbt中流過的電流要大,構(gòu)成轉(zhuǎn)換主電路的元件中,二極管元件變得最熱,因此,需要對二極管元件的溫度和igbt元件的溫度雙方?jīng)Q定是否需要過熱保護動作。這是因為,通常與二極管元件相比,igbt元件在開關(guān)時產(chǎn)生的開關(guān)損耗更大,但二極管元件中流過的電流比igbt元件中流過的電流大,因此,二極管元件的溫度與igbt元件的溫度之間的大小關(guān)系會根據(jù)情況的不同而互換。

第四二極管元件di4與第三二極管元件di3的溫度與在相同動作模式下通電的第一igbt1、第二igbt2的溫度具有相關(guān)性,而且也依賴于與通電時間具有相關(guān)性的升壓比。由此,使用根據(jù)升壓比而可變的溫度比系數(shù),并通過〔第一igbt1、第二igbt2的溫度〕×[溫度比系數(shù)]的修正運算來計算第四二極管元件di4、第三二極管元件di3的溫度。

另外,關(guān)于升壓比與溫度比系數(shù)的關(guān)系,圖14以及圖15示出一個例子。另外,圖14以及圖15的詳細說明在下文闡述。

接著,對從計算二極管元件的溫度到過熱保護運算的結(jié)構(gòu)進行說明。

圖16是表示功率半導(dǎo)體單元的結(jié)構(gòu)的圖。

作為對功率半導(dǎo)體元件的溫度進行檢測的單元,具備溫度傳感器t。作為該溫度傳感器t,通過將例如熱敏電阻或溫度檢測二極管等具有溫度檢測功能的元件內(nèi)置于功率半導(dǎo)體單元,從而能準確地檢測功率半導(dǎo)體元件的溫度。

在使用熱敏電阻作為檢測溫度用的情況下,配置與熱敏電阻串聯(lián)連接的電阻器,并對電阻器與熱敏電阻的串聯(lián)體施加規(guī)定的電壓,在此基礎(chǔ)上,利用微處理器所具備的a/d轉(zhuǎn)換器來讀取電阻器與熱敏電阻的連接部的電壓,伴隨著熱敏電阻的電阻值因功率半導(dǎo)體元件的溫度變化而變化,讀取值會發(fā)生變動,對此,在微處理器內(nèi)進行表格參照等來檢測溫度。

此外,在使用溫度檢測二極管的情況下,使一定的電流在溫度檢測二極管中導(dǎo)通,利用微處理器所具備的a/d轉(zhuǎn)換器讀取在二極管的陽極(a)、陰極(k)之間產(chǎn)生的順向電壓vf,隨著vf因功率半導(dǎo)體元件的溫度變化而變動,讀取值會發(fā)生變動,對此,與上述同樣地在微處理器內(nèi)進行表格參照等來檢測溫度。另外,溫度傳感器t也可以是上述以外的結(jié)構(gòu)。

圖17是對功率半導(dǎo)體元件的溫度信息進行計算的溫度信息計算部50的框圖。如圖17所示,第一igbt1至第四igbt4各自的溫度信號th1-th4由溫度傳感器t進行檢測,由溫度信息計算部50利用上述的表格參照等來獲得第一igbt1-第四igbt4的溫度ts1-ts4。

圖18示出升壓比計算部60的結(jié)構(gòu),升壓比計算部60基于電壓信息v1、v2,并通過v2除以v1的除法運算來計算升壓比br。電壓信息v1、v2例如是由微處理器的a/d轉(zhuǎn)換器讀取到的數(shù)據(jù),可能會因轉(zhuǎn)換主電路2的igbt的開關(guān)或該開關(guān)引起的噪音的施加而變?yōu)閯討B(tài)。該情況下,由升壓比計算部對運算值實施高頻去除濾波(低通濾波)運算等,來適當?shù)剡M行處理。

圖19示出二極管元件溫度計算部70的結(jié)構(gòu),其中,包括溫度比系數(shù)計算單元71。溫度比系數(shù)計算單元71利用圖14以及圖15所例示的溫度比系數(shù)的特性,參照表格等來根據(jù)電感器電流il、升壓比br計算溫度比系數(shù)。并且,在計算二極管元件的溫度信息的二極管元件溫度計算部70內(nèi),對第一igbt1～第四igbt4的溫度ts1～ts4乘以溫度比系數(shù),來計算二極管元件的溫度tdi1～tdi4。圖14和圖15所示的溫度比系數(shù)的特性根據(jù)是放電動作還是充電動作的不同、升壓比小于2還是在2以上,區(qū)分成圖14、圖15所示那樣。

在dc-dc電壓轉(zhuǎn)換裝置為放電動作的情況下,第四二極管元件di4以及第三二極管元件di3的元件溫度相對于第一igbt1、第二igbt2的元件溫度的溫度比系數(shù)利用圖14所示的特性來參照。在放電動作的情況下,第一二極管元件di1、第二二極管元件di2的元件溫度與第一igbt1、第二igbt2、第三igbt3、第四igbt4的元件溫度沒有明確的關(guān)系,也沒有電流導(dǎo)通,因此不會預(yù)見有影響到是否需要過熱保護程度的元件溫度上升。因此,與第一二極管元件di1、第二二極管元件di2的元件溫度計算有關(guān)的溫度比系數(shù)設(shè)定為零即可。

此外,在dc-dc電壓轉(zhuǎn)換裝置為充電動作的情況下,第二二極管元件di2以及第一二極管元件di1的元件溫度相對于第三igbt3、第四igbt4的元件溫度的溫度比系數(shù)利用圖15所示的特性來參照。在充電動作的情況下,第三二極管元件di3、第四二極管元件di4的元件溫度與第一igbt1、第二igbt2、第三igbt3、第四igbt4的元件溫度沒有明確的關(guān)系,也沒有電流導(dǎo)通,因此不會預(yù)見到有影響到是否需要過熱保護程度的元件溫度上升。因此,與第三二極管元件di3、第四二極管元件di4的元件溫度計算有關(guān)的溫度比系數(shù)設(shè)定為零即可。

接著,對圖20所示的過熱保護必要與否判定部80以及過熱保護運算單元81的動作進行說明。過熱保護必要與否判定部80基于igbt元件溫度、二極管元件溫度來判定是否需要過熱保護。過熱保護的必要與否基本上基于第一igbt的溫度ts1～第四igbt4的溫度ts4、第一二極管元件di1的溫度tdi1～第四二極管元件di1的溫度tdi4內(nèi)的最高值來進行,但在想要使第一igbt1～第四igbt4與第一二極管元件di1～第四二極管元件di4的耐熱元件溫度設(shè)定不同的情況下,或者想要根據(jù)升壓比br、電感器電流il的值或者根據(jù)第一igbt的溫度ts1～第四igbt的溫度ts4、第一二極管元件di1的溫度tdi1～第四二極管元件di4的溫度tdi4的溫度分布狀況來改變過熱保護必要與否的判定閾值等情況下,適當?shù)卦O(shè)計過熱保護必要與否判定部內(nèi)的判定邏輯。

過熱保護運算單元81輸入從過熱保護必要與否判定部80輸出的保護對象的溫度信息,計算用于進行過熱保護的抑制量。抑制量通過在規(guī)定的閾值之一與閾值之二之間進行抑制量1倍～抑制量0倍之間的線性插值來進行計算,或者通過表格參照,設(shè)定抑制量1倍～抑制量0倍的值。

算出的抑制量被信息傳遞到未圖示的其他裝置,從而對dc-dc電壓轉(zhuǎn)換裝置的放電量、充電量進行調(diào)整,從而避免過熱狀態(tài)。即,過熱保護單元構(gòu)成為根據(jù)過熱保護必要與否判定部80的結(jié)果來進行過熱保護。

上述圖16～圖20所涉及的動作在之后說明的其他動作模式中也一樣。

2)升壓動作時導(dǎo)通占空比50％以上的情況:

接著,對升壓動作時、柵極驅(qū)動信號的導(dǎo)通占空比為50％以上的情況進行說明。

圖21示出此時的動作波形,圖21a示出柵極驅(qū)動信號,圖21b示出電感器電流il,圖21c示出開關(guān)模式及其切換時刻。

圖21中,在第一gate1信號為高“h”的情況下,第一igbt1導(dǎo)通,在第二gate2信號為高的情況下,第二igbt2導(dǎo)通,電流從集電極流向發(fā)射極。

在第三gate3信號為高的情況下,第三igbt3導(dǎo)通,在第四gate4信號為高的情況下,第四igbt4導(dǎo)通。升壓動作時,在反向并聯(lián)連接的第三二極管元件di3、第四二極管元件di4中,電流從陽極流向陰極。

此外,第一gate1信號與第四gate4信號、第二gate2信號與第三gate3信號分別為互補信號,在切換高低邏輯時,設(shè)置阻斷時間(死區(qū)時間),以防止雙方因igbt的開關(guān)動作的響應(yīng)延遲而同時變?yōu)閷?dǎo)通。第一gate1信號與第二gate2信號的相位差為180度。

此時,第一gate1～第四gate4的柵極驅(qū)動信號的高、低邏輯的組合分為開關(guān)模式a、b、c三種,并以a→b→a→c→a的順序進行切換。

首先,在開關(guān)模式a下,第一igbt1與第二igbt2導(dǎo)通,第三igbt3與第四igbt4截止,電流從正極側(cè)端子p1沿著電感器l、第二igbt2、第一igbt1、負極側(cè)端子n1的路徑流動,從而將能量儲存到電感器l中。

第一igbt1和第二igbt2中電流導(dǎo)通,電壓vl大約為vcom＝0,因此電感器l的第二igbt2側(cè)的連接端子的電壓vl與正極側(cè)端子p1側(cè)的連接端子的電壓之差以(v1-0)來表示且為正,電感器電流il向正方向增加。

在開關(guān)模式b中,第一igbt1和第三igbt3導(dǎo)通,第二igbt2和第四igbt4截止,電流從正極側(cè)端子p1沿電感器l、第三二極管元件di3、能量轉(zhuǎn)移用電容器c0、第一igbt1、負極側(cè)端子n1的路徑流動,從而使能量從電感器l釋放,并儲存到能量轉(zhuǎn)移用電容器c0中。電氣設(shè)備5上施加有平滑電容器c2的兩端電壓,由平滑電容器c2提供能量,其中,所述平滑電容器c2通過后述的動作來進行充電。

由于第一igbt1、第三二極管元件di3導(dǎo)通從而電流流通,因此能量轉(zhuǎn)移用電容器c0的第一igbt1側(cè)的連接端子的電位大約滿足vcom＝0,第三igbt3(第三二極管元件di3)側(cè)的連接端子的電位大約為vl。

由此,電感器l的第三igbt3(第三二極管元件di3)側(cè)的連接端子的電壓vl＝vc0。

在開關(guān)模式c中,第二igbt2和第四igbt4導(dǎo)通,第一igbt1和第三igbt3截止,電流從正極側(cè)端子p1沿電感器l、第二igbt2、能量轉(zhuǎn)移用電容器c0、第四二極管元件di4、正極側(cè)端子p2、電氣設(shè)備5、負極側(cè)端子n2的路徑流動,因而能量從電感器l和能量轉(zhuǎn)移用電容器c0釋放。

由于第二igbt2、第四二極管元件di4導(dǎo)通從而電流流通,因此能量轉(zhuǎn)移用電容器c0的第二igbt2側(cè)的連接端子的電位大約為vl,第四igbt4(第四二極管元件di4)側(cè)的連接端子的電位大約為v2。

由此,電感器l的第三igbt3側(cè)的連接端子的電壓vl滿足vl＝v2-vc0。

另外,與上述導(dǎo)通占空比不足50％的動作相同,第一gate1信號和第二gate2信號的導(dǎo)通占空比相等,因此開關(guān)模式b、c中的電壓vl的時間平均值相等,滿足vc0＝(v2-vc0)的關(guān)系。由此,能量轉(zhuǎn)移用電容器c0的兩端電壓vc0為二次側(cè)端子電壓v2的1/2倍即v2/2。

對上述說明進行整理,電感器l的第三igbt3側(cè)的連接端子的電壓vl為

在開關(guān)模式a中,vl＝0

在開關(guān)模式b中,vl＝vc0＝v2/2

在開關(guān)模式c中,vl＝(v2-vc0)＝v2/2。

由此,電感器l兩端的電位差、第一igbt1和第二igbt2的開關(guān)導(dǎo)通時間ton、開關(guān)截止時間toff表示為以下關(guān)系。

開關(guān)模式a:

l·ilrpl＝(ton-toff)/2·v1(4a)

開關(guān)模式b、c:

l·ilrpl＝-toff·(v1-v2/2)(4b)

由于式(4a)和式(4b)的左邊彼此相等,因此以下關(guān)系成立。

(ton-toff)/2·v1＝-toff·(v1-v2/2)(5)

若對式(5)的一次側(cè)端子電壓v1和二次側(cè)端子電壓v2進行整理,則如下那樣。

(v2/v1)＝(ton+toff)/toff＝1/(1-ton/t)(6)

其中,ton+toff＝t。

上式(6)中,周期t表示以開關(guān)模式a→b→a→c→a的順序進行切換并進行一個周期的期間,在周期t內(nèi),包括一次ton期間和一次toff期間。ton+toff＝t。

式(6)與式(3)相等,即,無論導(dǎo)通占空比低于50％還是在50％以上,都無關(guān)地根據(jù)導(dǎo)通占空比的變化來連續(xù)地調(diào)整dc-dc電壓轉(zhuǎn)換比。

另外,在圖21所示的柵極驅(qū)動信號的導(dǎo)通占空比在50％以上的動作中,ton/t≥0.5,若將其應(yīng)用到式(6)中,則dc-dc電壓轉(zhuǎn)換比在2以上。由此,v2≥(v1×2)。

由此,在開關(guān)模式b、c中,電感器l的第三igbt3側(cè)的連接端子的電壓vl＝v2/2≧v1,電感器l的正極側(cè)端子p1側(cè)的連接端子的電壓為v1。由此,以vl為基準,電感器l兩端間的電位差為負,電感器電流il向負方向減少。

如上所述,在開關(guān)模式a→b→a→c→a的切換中,在開關(guān)模式a中,電感器電流il從il≥0的狀態(tài)進一步向正方向變化,在開關(guān)模式b、c中,電感器電流il向il<0的狀態(tài)變化。

由此,在igbt的整個開關(guān)周期t內(nèi),電感器電流il的增加、減少以t/2周期重復(fù)兩次。即,對于柵極驅(qū)動信號的導(dǎo)通占空比在50％以上的情況,相對于igbt的開關(guān)頻率,在電感器l中也有兩倍頻率的交流電流導(dǎo)通。

這里,對于功率半導(dǎo)體單元中流過的電流,igbt中流過的電流比二極管元件中流過的電流要大,igbt在構(gòu)成轉(zhuǎn)換主電路的元件中變得最熱,因此需要根據(jù)igbt的溫度決定是否需要過熱保護動作。

如上所述,igbt的溫度由溫度傳感器t來檢測,因此能利用該溫度信號判定是否需要過熱保護。

3)降壓動作時導(dǎo)通占空比低于50％的情況:

降壓動作中,如圖3所示,在電壓v1≤電壓v2的關(guān)系下,將與dc-dc電壓轉(zhuǎn)換裝置1的二次側(cè)相連的電氣設(shè)備5所產(chǎn)生的電力從v2向v1進行dc-dc電壓轉(zhuǎn)換,并由直流電源4回收。

圖22示出降壓動作時,柵極驅(qū)動信號的導(dǎo)通占空比小于50％時的波形。圖22a示出柵極驅(qū)動信號,圖22b示出電感器電流il,圖22c示出開關(guān)模式及其切換時刻。

圖22的第一gate1～第四gate4中,在第三gate3的信號為高的情況下,第三igbt3導(dǎo)通,在第四gate4的信號為高的情況下,第四igbt4導(dǎo)通,電流從集電極流向發(fā)射極。在第一gate1信號為高的情況下,第一igbt1導(dǎo)通,在第二gate2信號為高的情況下,第二igbt2導(dǎo)通,而在降壓動作時,在反向并聯(lián)連接的第一二極管元件di1、第二二極管元件di2中,電流從陽極流向陰極。

圖22的第一gate1～第四gate4的柵極驅(qū)動信號、圖22的開關(guān)模式及其切換時刻與升壓動作時、柵極驅(qū)動信號的導(dǎo)通占空比低于50％時的圖13相同。

也就是說,無論是降壓動作時還是升壓動作時,柵極驅(qū)動信號均為相同波形,第一gate1～第四gate4的柵極驅(qū)動信號的高、低邏輯的組合以開關(guān)模式b→d→c→d→b的順序進行切換。

在開關(guān)模式d中,第三igbt3與第四igbt4導(dǎo)通,第一igbt1與第二igbt2截止,電流從正極側(cè)端子p2沿著第四igbt4、第三igbt3、電感器l、正極側(cè)端子p1、直流電源4、負極側(cè)端子n1的路徑流動,從而將能量儲存到電感器l中。根據(jù)該電流導(dǎo)通的方向,電感器電流il的極性為負。

此外,由于第三igbt3與第四igbt4導(dǎo)通,因此電壓vl大約為v2。

由此,電感器l的第三igbt3側(cè)的連接端子的電壓與正極側(cè)端子p1側(cè)的連接端子的電壓之差以(v1-v2)來表示且為負,電感器電流il從il<0的狀態(tài)向負方向增加。

在開關(guān)模式b中,第一igbt1和第三igbt3導(dǎo)通,第二igbt2和第四igbt4截止,電流從能量轉(zhuǎn)移用電容器c0沿著第三igbt3、電感器l、正極側(cè)端子p1、直流電源4、負極側(cè)端子n1、第一二極管元件di1的路徑流動,從而使能量從電感器l以及能量轉(zhuǎn)移用電容器c0釋放。此外,平滑電容器c2上施加有電氣設(shè)備5的發(fā)電電壓v2,從而將能量提供給平滑電容器c2。

由于第一igbt1(第一二極管元件di1)、第三二極管元件di3導(dǎo)通從而電流流通,因此能量轉(zhuǎn)移用電容器c0的第一igbt1(第一二極管元件di1)側(cè)的連接端子的電位大約滿足vcom＝0,第三igbt3側(cè)的連接端子的電位大約為vl。

由此,電感器l的第三igbt3側(cè)的連接端子的電壓vl＝vc0。

在開關(guān)模式c中,第二igbt2和第四igbt4導(dǎo)通,第一igbt1和第三igbt3截止,電流沿著正極側(cè)端子p2→第四igbt4→能量轉(zhuǎn)移用電容器c0→第二二極管元件di2→電感器l→正極側(cè)端子p1→直流電源4→負極側(cè)端子n1的路徑流動,從而使能量從電感器l釋放,并儲存到能量轉(zhuǎn)移用電容器c0。

由于第二二極管元件di2、第四igbt4導(dǎo)通從而電流流通,因此能量轉(zhuǎn)移用電容器c0的第二igbt2(第二二極管元件di2)側(cè)的連接端子的電位大約為vl,第四igbt4側(cè)的連接端子的電位大約為v2。

由此,電感器l的第三igbt3側(cè)的連接端子的電壓vl＝v2-vc0。

這里,由于第三gate3信號和第四gate4信號的導(dǎo)通占空比相等,因此,開關(guān)模式b、c中的電壓vl的時間平均值相等,滿足vc0＝(v2-vc0)的關(guān)系。

由此,與升壓動作時同樣地,能量轉(zhuǎn)移用電容器c0的兩端電壓vc0為二次側(cè)端子電壓v2的1/2倍即v2/2。

對以上進行整理,電感器l的第三igbt3側(cè)的連接端子的電壓vl為

在開關(guān)模式b中,vl＝vc0＝v2/2

在開關(guān)模式c中,vl＝(v2-vc0)＝v2/2

在開關(guān)模式d中,vl＝v2。

由此,電感器l兩端的電位差、第一igbt1和第二igbt2的開關(guān)導(dǎo)通時間ton、開關(guān)截止時間toff與表示升壓動作時的柵極驅(qū)動信號的導(dǎo)通占空比小于50％時的關(guān)系的式1a、式1b相同。

因此,式(2)、式(3)的關(guān)系同樣成立。即,dc-dc電壓轉(zhuǎn)換裝置1的電壓轉(zhuǎn)換比(v2/v1)由式3表示。

在圖22的柵極驅(qū)動信號的導(dǎo)通占空比不足50％的動作中,ton/t<0.5,若將其應(yīng)用到式(3)中,則dc-dc電壓轉(zhuǎn)換比不足2。由此,v2<(v1×2)。即,一次側(cè)端子電壓v1降低到比二次側(cè)端子電壓v2的1/2倍要高、且比二次側(cè)端子電壓v2的1倍要低的電壓。

由此,在開關(guān)模式b、c中,電感器l的第三igbt3側(cè)的連接端子的電壓vl＝v2/2<v1,電感器l的正極側(cè)端子p1側(cè)的連接端子的電壓為v1。由此,以vl為基準,電感器l兩端間的電位差為正,電感器電流il向正方向減少。即,在降壓動作時,電感器電流il從電感器電流il<0的狀態(tài)向il≥0的狀態(tài)變化。

如上所述,在開關(guān)模式b→d→c→d→b的切換中,在開關(guān)模式b、c下,電感器電流il向il≥0的狀態(tài)變化,在開關(guān)模式d下,電感器電流il以從il<0的狀態(tài)進一步向負方向增加的方式變化。

由此,在igbt的整個開關(guān)周期t內(nèi),電感器電流il的增加、減少以t/2周期重復(fù)兩次。即,與升壓動作時同樣地,相對于igbt的開關(guān)頻率,在電感器l中有兩倍頻率的交流電流導(dǎo)通。

這里,對于功率半導(dǎo)體單元中流過的電流,igbt中流過的電流比二極管元件中流過的電流要大,igbt在構(gòu)成轉(zhuǎn)換主電路的元件中最熱,因此需要根據(jù)igbt的溫度決定是否需要過熱保護動作。

4)降壓動作時導(dǎo)通占空比50％以上的情況:

接著,對降壓動作時、柵極驅(qū)動信號的導(dǎo)通占空比為50％以上的情況進行說明。

圖23示出此時的動作波形,圖23a示出柵極驅(qū)動信號,圖23b示出電感器電流il,圖23c示出開關(guān)模式及其切換時刻。

圖23中,在第三gate3信號為高的情況下,第三igbt3導(dǎo)通,在第四gate4信號為高的情況下,第四igbt4導(dǎo)通,電流從集電極流向發(fā)射極。

在第一gate1信號為高的情況下,第一igbt1導(dǎo)通,在第二gate2信號為高的情況下,第二igbt2導(dǎo)通,而在降壓動作時,在反向并聯(lián)連接的第一二極管元件di1、第二二極管元件di2中,電流從陽極流向陰極。

圖23的柵極驅(qū)動信號、開關(guān)模式及其切換時刻與升壓動作時、柵極驅(qū)動信號的導(dǎo)通占空比在50％以上的圖6相同。

也就是說,無論是降壓動作時還是升壓動作時,柵極驅(qū)動信號均為相同波形,第一gate1～第四gate4的柵極驅(qū)動信號的高、低邏輯的組合以開關(guān)模式a→b→a→c→a的順序進行切換。

首先,在開關(guān)模式c中,第二igbt2和第四igbt4導(dǎo)通,第一igbt1和第三igbt3截止,電流沿著正極側(cè)端子p2→第四igbt4→能量轉(zhuǎn)移用電容器c0→第二二極管元件di2→電感器l→直流電源4→負極側(cè)端子n1的路徑流動,從而將能量儲存到電感器l以及能量轉(zhuǎn)移用電容器c0中。

由于第二igbt2(第二二極管元件di2)、第四igbt4導(dǎo)通從而電流流通,因此能量轉(zhuǎn)移用電容器c0的第二igbt2側(cè)的連接端子的電位大約為vl,第四igbt4側(cè)的連接端子的電位大約為v2。

由此,電感器l的第三igbt3側(cè)的連接端子的電壓vl＝v2-vc0。

在開關(guān)模式b中,第一igbt1和第三igbt3導(dǎo)通,第二igbt2和第四igbt4截止,電流沿著能量轉(zhuǎn)移用電容器c0→第三igbt3→電感器l→正極側(cè)端子p1→直流電源4→負極側(cè)端子n1→第一二極管元件di1的路徑流動,從而將能量儲存到電感器l,并從能量轉(zhuǎn)移用電容器c0釋放。

由于第一igbt1(第一二極管元件di1)、第三igbt3導(dǎo)通從而電流流通,因此能量轉(zhuǎn)移用電容器c0的第一igbt1側(cè)的連接端子的電位大約為vcom＝0,第三igbt3側(cè)的連接端子的電位大約為vl。

由此,電感器l的第三igbt3側(cè)的連接端子的電壓vl＝vc0。

在開關(guān)模式a中,第一igbt1和第二igbt2導(dǎo)通,第三igbt3和第四igbt4截止,電流沿著電感器l→正極側(cè)端子p1→直流電源4→負極側(cè)端子n1→第一二極管元件di1→第二二極管元件di2的路徑流動,使得能量從電感器l釋放。

第一二極管元件di1和第二二極管元件di2中電流導(dǎo)通,電壓vl大約滿足vcom＝0,因此電感器l的第二igbt2側(cè)的連接端子的電壓vl與正極側(cè)端子p1側(cè)的連接端子的電壓之差以v1來表示且為正,電感器電流il從il<0的狀態(tài)向正方向變化。

此外,與上述導(dǎo)通占空比不足50％的動作同樣地,第三gate3信號和第四gate4信號的導(dǎo)通占空比相等,因此開關(guān)模式b、c中的電壓vl的時間平均值相等,滿足vc0＝(v2-vc0)的關(guān)系。由此,與升壓動作時同樣地,能量轉(zhuǎn)移用電容器c0的兩端電壓vc0為二次側(cè)端子電壓v2的1/2倍即v2/2。

對上述說明進行整理,電感器l的第三igbt3側(cè)的連接端子的電壓vl為

在開關(guān)模式a中,vl＝vcom＝0

在開關(guān)模式b中,vl＝vc0＝v2/2

在開關(guān)模式c中,vl＝(v2-vc0)＝v2/2。

由此,電感器l兩端的電位差、第一igbt1和第二igbt2的開關(guān)導(dǎo)通時間ton、開關(guān)截止時間toff的關(guān)系與表示升壓動作時的柵極驅(qū)動信號的導(dǎo)通占空比在50％以上時的關(guān)系的式(4a)、(4b)相同。因此,式(5)、式(6)的關(guān)系同樣成立。

即,dc-dc電壓轉(zhuǎn)換裝置1的電壓轉(zhuǎn)換比(v2/v1)由式6表示。

在圖23的柵極驅(qū)動信號的導(dǎo)通占空比在50％以上的動作中,ton/t≥0.5,若將其應(yīng)用到式(6)中,則dc-dc電壓轉(zhuǎn)換比在2以上。由此,v2≥(v1×2)。即,一次側(cè)端子電壓v1降低到比二次側(cè)端子電壓v2的1/2倍要低的電壓。

由此,在開關(guān)模式b、c中,電感器l的第三igbt3側(cè)的連接端子的電壓vl＝v2/2≧v1,電感器l的正極側(cè)端子p1側(cè)的連接端子的電壓為v1。由此,以vl為基準,電感器l兩端間的電位差為負,電感器電流il向負方向增加。即,在降壓動作時,從電感器電流il<0的狀態(tài)進一步以向負方向增加的方式變化。

如上所述,在開關(guān)模式a→b→a→c→a的切換中,在開關(guān)模式a下,電感器電流il向il≥0的狀態(tài)變化,在開關(guān)模式b、c下,電感器電流il以從il<0的狀態(tài)進一步向負方向增加的方式變化。

由此,在igbt的整個開關(guān)周期t內(nèi),電感器電流il的增加、減少以t/2周期重復(fù)兩次。即,對于柵極驅(qū)動信號的導(dǎo)通占空比在50％以上的情況,相對于igbt的開關(guān)頻率,在電感器l中也有兩倍頻率的交流電流導(dǎo)通。

這里,對于功率半導(dǎo)體單元中流過的電流,二極管元件中流過的電流比igbt中流過的電流要大,構(gòu)成轉(zhuǎn)換主電路的元件中,二極管元件可能最熱,因此需要根據(jù)二極管元件的溫度和igbt元件的溫度雙方來決定是否需要過熱保護動作。

第一二極管元件di1、第二二極管元件di2的溫度與在相同動作模式下通電的第三igbt3、第四igbt4的溫度具有相關(guān)性,也依賴于與通電時間具有相關(guān)性的升壓比,因此使用根據(jù)升壓比而可變的溫度比系數(shù),第三igbt3、第四igbt4溫度利用第一二極管元件di1、第二二極管元件di2的溫度×[溫度比系數(shù)]來計算。

如上所述,igbt的溫度由溫度傳感器t來進行檢測,因此能利用該溫度信號判定是否需要過熱保護,從而能進行過熱保護。

接著,對舉例示出升壓比br與溫度比系數(shù)的關(guān)系的圖14和圖15進行說明。

圖14是將橫軸設(shè)為升壓比、將縱軸設(shè)為溫度比系數(shù)而表示的特性圖,示出升壓比小于2的放電動作時、第四二極管元件di4、第三二極管元件di3的元件溫度相對于第一igbt1、第二igbt2的元件溫度的溫度比系數(shù)。在圖示的特性線內(nèi),實線表示導(dǎo)通dc-dc電壓轉(zhuǎn)換裝置的一次側(cè)、二次側(cè)之間的電流量較少的情況,單點劃線表示導(dǎo)通dc-dc電壓轉(zhuǎn)換裝置的一次側(cè)、二次側(cè)之間的電流量較多的情況,虛線表示電流量為實線的情況與電流量為虛線的情況的中間狀態(tài)下的溫度比系數(shù)的特性。圖中,隨著升壓比br從1倍增加到2倍,溫度比系數(shù)逐漸降低。這對應(yīng)于如圖13c所示,升壓比br從1倍增加到2倍的動作與第一igbt1、第二igbt2的開關(guān)占空比從0％增加到50％的動作相聯(lián)動,第一igbt1、第二igbt2的導(dǎo)通電流比第四二極管元件di4、第三二極管元件di3的導(dǎo)通電流少,但隨著開關(guān)占空比的增加,第一igbt1、第二igbt2的導(dǎo)通電流與第四二極管元件di4、第三二極管元件di3的導(dǎo)通電流逐漸接近于相同量。然而,溫度比系數(shù)也與igbt元件的散熱的熱阻以及二極管元件的散熱的熱阻相關(guān),即便導(dǎo)通電流量相等,溫度比系數(shù)也不一定為1。

圖14中示出以下情況:升壓比br大致為1.4附近,溫度比系數(shù)大致為1,即,第四二極管元件di4的溫度與第一igbt1的溫度大致相等,第三二極管元件di3的溫度與第二igbt2的溫度大致相等。若溫度比系數(shù)小于1,則是指第四二極管元件di4的溫度低于第一igbt1并且第三二極管di3的溫度低于第二igbt2的溫度,而如上所述,在想要根據(jù)ts1～ts4、tdi1～tdi4的溫度分布狀況改變過熱保護必要與否的判斷閾值等情況下,也利用溫度比系數(shù)小于1時的二極管元件的溫度。

另外,在放電動作且升壓比為2以上的情況下,如圖21所示,與igbt的導(dǎo)通電流量相比,二極管的導(dǎo)通電流量極少,因此不對應(yīng)于需要二極管的過熱保護的運行區(qū)域。

圖15也同樣是將橫軸設(shè)為升壓比、將縱軸設(shè)為溫度比系數(shù)而表示的特性圖,示出升壓比在2以上的充電動作時的、第二二極管元件di2、第一二極管元件di1的元件溫度相對于第三igbt3、第四igbt4的元件溫度的溫度比系數(shù)。與上述圖14同樣地,在圖示的特性線內(nèi),實線表示導(dǎo)通dc-dc電壓轉(zhuǎn)換裝置的一次側(cè)、二次側(cè)之間的電流量較少的情況,單點劃線表示導(dǎo)通dc-dc電壓轉(zhuǎn)換裝置的一次側(cè)、二次側(cè)之間的電流量較多的情況,虛線表示電流量為實線的情況與電流量為虛線的情況的中間狀態(tài)下的溫度比系數(shù)的特性。

圖中,隨著升壓比br從2倍增加到2.6倍,溫度比系數(shù)逐漸降低。這如圖23c所示,升壓比br從2倍起進一步增加的動作與第三igbt3、第四igbt4的開關(guān)占空比從50％向100％增加的動作相聯(lián)動,示出了以下特性:由于第三igbt3、第四igbt4的導(dǎo)通電流逐漸減少,另一方面,第二二極管元件di2、第一二極管元件di1的導(dǎo)通電流逐漸增加,因此溫度比系數(shù)逐漸降低。這里,igbt的開關(guān)占空比與升壓比br之間并非線性關(guān)系。因此,成為圖14和圖15所示那樣沒有對稱性的特性。

溫度比系數(shù)小于1的情況,是指第二二極管元件di2的溫度低于第三igbt3并且第一二極管di1的溫度低于第四igbt4,而如上所述,在想要根據(jù)ts1～ts4、tdi1～tdi4的溫度分布狀況改變過熱保護必要與否的判斷閾值等情況下,也利用溫度比系數(shù)小于1時的二極管元件的溫度。

另外,雖然沒有圖示,關(guān)于dc-dc電壓轉(zhuǎn)換裝置的充電動作下、升壓比小于2且溫度比系數(shù)達到1以上時的特性,通過表格參照來計算溫度比系數(shù)的動作也與上述同樣地進行。

5)直接連接動作的情況:

接著,對dc-dc電壓轉(zhuǎn)換裝置不進行開關(guān)動作并使一次側(cè)與二次側(cè)的電壓相同的直接連接動作的情況進行說明。

在直接連接并進行放電動作的情況下,在功率半導(dǎo)體單元中,僅向第三二極管元件di3、第四二極管元件di4連續(xù)通電。此時,轉(zhuǎn)換主電路2的動作為圖13的開關(guān)模式d的狀態(tài)。

這里,第三二極管元件di3、第四二極管元件di4的溫度依賴于流過的電流、即電感器導(dǎo)通電流il,因此通過至少以電感器導(dǎo)通電流為輸入?yún)?shù)的表格參照,從而能獲得第三二極管元件di3、第四二極管元件di4的溫度推算值,能利用該值判定是否需要過熱保護動作,從而能進行過熱保護。

此外,在直接連接并且進行充電動作的情況下,在功率半導(dǎo)體單元中,僅向第三igbt3、第四igbt4連續(xù)通電。此時,轉(zhuǎn)換主電路2的動作為圖12的開關(guān)模式d的狀態(tài)。這如圖24所示,柵極驅(qū)動信號第一gate1、第二gate2截止,第三gate3、第四gate4導(dǎo)通,第二igbt2、第三igbt3、電感器l的電連接點的電位vl與dc-dc電壓轉(zhuǎn)換裝置的二次側(cè)電壓v2大致相等。此外,由于是充電動作,因此電感器電流il的符號為負。

由于第三igbt3、第四igbt4具備溫度傳感器t,因此使用溫度傳感器t來檢測igbt的元件溫度ts3、ts4,并利用該檢測到的igbt的元件溫度ts3、ts4來進行過熱保護的必要與否判定以及過熱保護運算。此外,二極管元件溫度計算部能在dc-dc電壓轉(zhuǎn)換裝置的一次側(cè)電壓與二次側(cè)電壓一致并且上述半導(dǎo)體開關(guān)元件已停止開關(guān)的情況下,基于與dc-dc電壓轉(zhuǎn)換裝置中導(dǎo)通的電流量以及二極管元件的溫度具有相關(guān)性的轉(zhuǎn)換主電路的制冷劑溫度來計算二極管元件的溫度。能根據(jù)這里得到的二極管元件的溫度的值來進行上述過熱保護的控制。

在以上實施方式中,舉出使用了igbt作為半導(dǎo)體開關(guān)元件的例子進行了說明,但在使用了由sic(碳化硅)材料制成的功率器件作為開關(guān)元件、即使用了sic元件作為半導(dǎo)體開關(guān)元件的情況下,由于開關(guān)損耗較少,而且?guī)遁^寬,因此在高溫下也能工作,因此在發(fā)熱問題方面,與半導(dǎo)體開關(guān)元件相比,反倒是并聯(lián)連接的二極管元件上的發(fā)熱更成為問題。因此,通過修正運算來根據(jù)檢測到的溫度計算二極管元件的溫度并用于控制是為了保護dc-dc電壓轉(zhuǎn)換裝置而更有效果的結(jié)構(gòu)。

如以上說明的那樣,根據(jù)本發(fā)明,在二極管元件的溫度在dc-dc電壓轉(zhuǎn)換裝置的功率半導(dǎo)體元件內(nèi)達到最高溫度的情況下,也能以簡單的結(jié)構(gòu)并且廉價且容易地使用具有相關(guān)性的功率半導(dǎo)體元件的檢測溫度和升壓比作為dc-dc電壓轉(zhuǎn)換裝置的主電路結(jié)構(gòu)來對不具備溫度檢測部的主電路的二極管元件溫度進行修正運算的結(jié)構(gòu)、單元,從而能維持廉價的結(jié)構(gòu)來恰當?shù)嘏卸ㄊ欠裥枰獪囟缺Ｗo,能保護該dc-dc電壓轉(zhuǎn)換裝置不受過熱破壞。

在以上說明中,對本發(fā)明有關(guān)的實施方式進行了說明,但這僅僅是對本發(fā)明的優(yōu)選實施方式的例示,能對它們進行任意組合來構(gòu)成。

即,二極管元件溫度計算部能利用根據(jù)dc-dc電壓轉(zhuǎn)換裝置的二次側(cè)電壓與一次側(cè)的電壓的比即升壓比而可變的溫度比系數(shù)來計算上述二極管元件的溫度。

此外,能夠使二極管元件溫度計算部的溫度比系數(shù)是在dc-dc電壓轉(zhuǎn)換裝置從一次側(cè)向二次側(cè)提供電力的放電動作時與從二次側(cè)向一次側(cè)提供電力的充電動作時不同的特性。

并且,二極管元件溫度計算部中的溫度比系數(shù)也可以是參照以升壓比和dc-dc電壓轉(zhuǎn)換裝置中導(dǎo)通的電流量為輸入變量的表格而確定的值。

本發(fā)明不限于上述實施方式的結(jié)構(gòu)和動作,能在本發(fā)明的范圍內(nèi)對實施方式的任意構(gòu)成要素適當進行變更或省略。