JP5456171B2 - 多相直流電圧変換器、および多相直流電圧変換器の制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、多相直流電圧変換器と、多相直流電圧変換器の制御方法とに関する。

先行技術
自動車の最近の車載エネルギーネットワークおよび将来の車載エネルギーネットワーク、とりわけハイブリッド車または電気自動車の最近の車載エネルギーネットワークおよび将来の車載エネルギーネットワークでは、複数の異なる電圧レベルの間でエネルギーの流れを制御できるようにするため、高出力の直流電圧変換器が必要とされる。この直流電圧変換器は、ＤＣ／ＤＣコンバータと称されることも多い。たとえばスタートストップシステムでは、スタート時の車載電気システム電圧の瞬時電圧降下が直流電圧変換器によって補償される。この補償では、自動車分野においていわゆる多相直流電圧変換器を使用することによりコスト、スペースおよび質量に発生する制限を勘案しなければならない。その際には、伝送すべき電力は、複数の並列接続された変換ユニットまたは相モジュールに分配される。有利には、個々の相モジュールごとに位相シフトまたは時間シフトして、該相モジュールを駆動制御する。このように位相シフトして駆動制御を行うことにより、重畳された出力信号において電流リプルが格段に低減し、直流電圧変換器の出力信号の周波数は、タイミングが相互にずらされて制御される変換ユニットの基本周波数と比較して、該変換ユニットの数だけ上昇する。このことにより、直流電圧変換器の出力フィルタのコストおよび体積を低減することができる。

多相直流電圧変換器において上述の利点を効率的に利用できるようにするためには、通常は電流を複数の個々の変換ユニットまたは相モジュールに均等に、または「平衡化」して分配しなければならない。

J. Czogalla, J. Li, C. Sullivan: "Automotive Application of Multi-Phase Coupled Inductor DC-DC-Converter", 0-7803-7883-0/03. IEEE, ２００３年から、自動車分野において相互に結合されたコイルを有する多相直流電圧変換器を用いることが公知である。

発明の開示
本発明は、相互に並列であり時間シフトして制御される少なくとも２つのコイルと、該コイルを駆動制御するための少なくとも１つの制御ユニットと、該コイルに流れる電流によって生成された磁界を検出するための少なくとも１つの磁界検知型のセンサ素子とを有する多相直流電圧変換器であって、該コイルに流れる電流を該制御ユニットが、該少なくとも１つのセンサ素子の出力信号に依存して制御する多相直流電圧変換器を提供する。前記磁界検知型センサ素子は、たとえばホールセンサまたは磁気抵抗センサまたは測定コイルとして構成することができる。

本発明の多相直流電圧変換器では、前記コイルにおいて生成された磁界を検出および評価することにより、負荷変動を補償するため、または磁気コアを使用する場合、または該磁気コアの飽和を回避するためにも使用することができる磁気フィードバックが実現され、これにより、生成される出力信号が制御される。さらに、多相直流電圧変換器の駆動制御または構成における不平衡を補償することもできる。

本発明の一実施形態では、前記少なくとも２つのコイルは相互に逆向きで磁気結合されている。すなわち、相互に結合されたコイルに流れる電流によって生成される磁界が相互に逆方向になるように、両コイルは配置され駆動制御される。両コイルはたとえば、該コイルが設けられる共用の磁気コアを介して結合される。前記磁気コアの飽和を防止するため、該磁気コアはエアギャップを有する。

相互に逆向きで結合された両コイルと、場合によっては磁気コアおよびエアギャップとの構成が対称的である場合、不変の磁界成分はほぼ完全に消去され、この完全な消去により、発生する可能性のある磁気コアの飽和も防止される。このことにより、より小型のコイルおよび磁気コアを使用することができ、ひいては構成を小型化することもできる。構成が対称的であるにもかかわらず、たとえば部品公差や周辺の影響等に起因して不変の磁界成分が生じる場合、本発明ではこの不変の磁界成分を磁界検知センサによって検出し、制御ユニットによりコイルを適切に駆動制御することによってこの不変の磁界成分を補償することができる。

本発明の別の実施形態では、少なくとも１つの磁界検知センサ素子が前記磁気コアのエアギャップの近傍に配置される。この領域において検出される漏れ磁束により、前記磁気コア中の磁界を推定することができ、この磁界の推定によって、ここに蓄積されたエネルギー量を推定することができる。このようにして、制御ユニットによりコイルを適切に駆動制御することができる。とりわけ、センサ素子の出力信号を時間積分して評価することができ、このようにしてオフセット値を求めることができる。このオフセット値は、不変磁束を表す尺度である。このオフセット値が低減するように、前記制御ユニットは、コイルに流れる電流を制御することができる。

エアギャップの近傍に磁界検知センサ素子を配置する代わりに代替的に、センサ素子をエアギャップ内に配置することもできる。この位置は有利には、両コイルの駆動制御が最適でありバランスがとれている場合に、出力信号にいかなるオフセットも生じないように選択される。

前記多相直流電圧変換器の領域に１つまたは複数のセンサ素子が配置され該センサ素子が和信号を検出する構成、すなわち、複数のコイルによって生成される磁界に基づく信号を該センサ素子が検出する構成の代わりに、各個々のコイルの周辺にそれぞれ少なくとも１つの磁界検知センサ素子を配置することもできる。このような構成により、これらのセンサ素子はそれぞれ、各コイルに流れる電流によって生成される磁界を表す出力信号を出力する。個々のセンサ素子がこのように位置決めされる場合、これら個々のコイルによって生成された各磁界をいわば別個に評価する。もちろん、別個の評価と総和評価とを任意に組み合わせることもできる。すなわち、個々に磁界を検出する複数のセンサ素子を設け、かつ、総和磁界を検出する別のセンサ素子を設けることもできる。

有利には、前記少なくとも１つの磁界検知センサ素子は多相直流電圧変換器の制御回路に組み込まれる。その際には、前記制御回路は少なくとも前記制御ユニットも含むが、該制御回路は別のユニットを含むこともでき、たとえばセンサ素子の出力信号を評価するための評価ユニットを含むこともできる。このような構成により、本発明の多相直流電圧変換器の特に簡単かつ低コストの構成が実現される。

図面を参照した以下の説明から、本発明の別の構成および利点を導き出すことができる。

相互に結合されたコイルを有する本発明の実施形態の多相直流電圧変換器の概略図である。 １つの磁界検知センサ素子が組み込まれた、本発明の多相直流電圧変換器を制御するための制御回路の第１の実施形態の概略図である。 ２つの磁界検知センサ素子が組み込まれた、本発明の多相直流電圧変換器を制御するための制御回路の第２の実施形態の概略図である。 本発明の多相直流電圧変換器を有するプリント回路の第１の実施形態の概略的な側面図である。 本発明の多相直流電圧変換器を有するプリント回路の第２の実施形態の概略的な側面図である。

実施例の説明
図面において、同一または同機能の構成要素はそれぞれ同一の符号によって示されている。

図１は、本発明の多相直流電圧変換器の構成を概略的に、ごく簡単に示す。エアギャップ２を有する磁気コア１に２つのコイル３および４が相互に平行に配置されており、これらの各コイルはそれぞれ、多相直流電圧変換器の１つの変換ユニットまたは相モジュールの構成要素である。磁気コア１自体と、エアギャップ２の位置と、コイル３および４の配置および位置は、有利には対称的にされる。コイル３および４を同じ磁気コアに設けることにより、両コイルは磁気結合される。コイル３は出力段６に接続されており、コイル４は出力段５に接続されている。これらの出力段５，６は、コイル３および４に流れる電流を阻止ないしはイネーブルするためのスイッチング素子を含み、これらのスイッチング素子は図中に示されていない。出力段５および６は制御ユニット７に接続されており、該制御ユニット７は該出力段５および６を時間シフトまたは位相シフトさせて制御し、ひいては、両コイル３および４に流れる電流を時間シフトまたは位相シフトさせて制御する。両コイル３および４が相互に逆結合されるように、すなわち両コイルが相互に逆方向の磁界を生成するように、両コイル３および４の配置および駆動制御は行われる。両コイルの配置および制御の最適な対称性が実現されている場合、両コイルの上述の逆結合により、不変の磁界成分はすべて消去され、このことによって得られる磁界の直流成分またはＤＣ成分は０に等しくなる。しかし、構成および駆動制御が対称的であっても、部品公差または他の周辺影響により不変の直流成分が生じる。この不変の直流成分が消去されれば、多相直流電圧変換器の機能は改善される。

前記磁気コアのエアギャップ２の近傍に磁界検知センサ素子８が配置されている。この磁界検知センサ素子８はたとえば、ホールセンサ、磁気抵抗センサまたは測定コイルの形態で構成されている。前記センサ素子８の出力信号は評価ユニット９を介して制御ユニット７へ伝送される。このことにより、磁気フィードバックが実現される。磁界検知センサ素子８が図中に示されているように前記磁気コア１のエアギャップ２の近傍に配置される場合、該磁界検知センサ素子８によって漏れ磁束が検出され、この漏れ磁束により、該磁気コア１内の磁界を推定することができ、これにより、該磁気コア１に蓄積されたエネルギー量を推定することもできる。このことの代わりに代替的に、センサ素子８をエアギャップ２の領域に配置することもできる。この構成の場合、磁界検知センサ素子８は漏れ磁束を検出するのではなく、磁気コア１内の磁束を直接表す出力信号を出力する。磁界検知センサ素子８の出力信号は評価ユニット９によって、時間積分されて評価され、この出力信号の評価結果から、出力信号のオフセット値を求めることができる。このオフセット値は、現在の不変磁束を表す尺度である。このようにして、前記オフセット値が低減するように前記制御ユニット７は前記出力段５ないしは６を介して両コイル３および４を制御することができ、たとえば、両コイル３および４の駆動制御信号のパルス幅比を補正することにより、両コイル３および４の非対称性を補償することができる。

図中の実施形態では、前記制御ユニット７と前記２つの出力段５および６と前記評価ユニット９とはそれぞれ別個のユニットとして示されているが、もちろん、これらのユニットの全部または一部を、１つの上位のユニットに統合することもできる。また、各個々の出力段５および６または両コイル３および４の制御のためにそれぞれ別個の制御ユニットを設けることも可能である。図１には一例として、２相直流電圧変換器を示しているが、さらに別のコイルと、それに対応する出力段および制御ユニットとを設けることにより、別の変換ユニットまたは相モジュールを追加して図１の構成を問題なくさらに拡張することができる。その際には場合によっては、前記別のコイルによって生成される磁界を検出できるようにするため、さらに別の磁界検知センサ素子を設けることもできる。図中に、磁気コア１によって結合された両コイル３および４を示したのは、単なる一例であると解すべきであり、磁気コア１の別の構成も可能である。両コイルの適切な配置により、磁気コアを使用しなくても、両コイルを磁気結合することができる。

本発明はさらに、コイルが相互に結合されていない多相直流電圧変換器に適用することもできる。しかしその際には、各コイルごとに専用の磁界検知センサ素子が設けられ、各コイルに流れる電流によって生成された各磁界を検出できるように各専用の磁界検知センサ素子が配置されていることが前提条件である。したがって、各個々のコイルの磁界はいわば別個に評価され、すべてのセンサ素子の出力信号が１つまたは複数の評価ユニットを介して制御ユニットへ供給される。コイルが相互に結合されたシステムでも、上述の別個の評価を代替的または付加的に適用することができる。

有利には、前記磁界検知センサ素子、または該磁界検知センサ素子と前記別の磁界検知センサ素子とは、多相直流電圧変換器の制御回路に組み込まれる。図２に、センサ素子が組み込まれた第１の実施形態の制御回路を概略的に示す。この実施形態では、制御回路２０は磁界検知センサ素子８の他に、制御ユニット７と、出力段５および６と、評価ユニット９と、デジタル論理回路２１と、デジタルインタフェース２２とを有する。この構成では、前記出力段５および６は１つのユニット２３として示されている。前記センサ素子８は有利には、制御回路２０の縁部領域に配置される。その際には、前記センサ素子が所望の位置に、たとえば磁気コア１のエアギャップ２の近傍にくるように、前記制御回路２０は多相直流電圧変換器のコイルに対して位置決めされる。

図３に、多相直流電圧変換器の制御回路２０′の別の代替的な実施形態を示す。この実施形態が、図２に示された実施形態と相違する点は、第２の磁界検知センサ素子８′が設けられておりかつ該第２の磁界検知センサ素子８′に対応する第２の評価ユニット９′が設けられていることのみである。その場合にももちろん、図３の実施形態と異なり、双方のセンサ素子８および８′の出力信号を同一の評価ユニットによって処理することもできる。２つのセンサ素子８および８′を設けることにより、とりわけ両センサ素子８および８′が制御回路２０′内において相互に離隔されて配置される場合には、２相直流電圧変換器において、各コイルの電流により生成された磁界を別個に評価することができる。したがって、制御回路の上述のような構成は、コイルが相互に結合されていない直流電圧変換器でも使用することができる。

基本的に、図２および３に示された制御回路２０および２０′では、図中の回路構成要素を任意の組合せで、上位のユニットにまとめることができる。また、制御回路にさらに別の回路部品またはユニットを組み込むこともできる。もちろん、制御ユニットにさらに別の磁界検知センサ素子を組み込むことにより、たとえば、２つより多くの変換ユニットまたは相モジュールを有する直流電圧変換器にも制御回路を使用できるようにすることもできる。

図４は、本発明の多相直流電圧変換器を有するプリント回路の第１の実施形態の概略的な側面図である。この多相直流電圧変換器は一例として、コイルが相互に結合された２相直流電圧変換器として構成されている。このような多相直流電圧変換器では、プリント基板４０（printed circuit board、ＰＣＢ）上に２つのコイル４１および４２が配置される。これら２つのコイル４１および４２は、たとえばＳＭＤ（Surface Mounted Device）技術で構成されたものである。両コイル４１および４２の磁気結合は磁気コア４３によって実現される。この磁気コア４３はたとえば、ＳＭＤはんだ付け工程の後に両コイル４１および４２内にスライド挿入される。ここでは、図中に示されていない磁界検知センサ素子が適切な位置に、たとえば磁気コア４３のエアギャップ４４の近傍に位置決めされている。

図５は、本発明の多相直流電圧変換器を有するプリント回路の第２の実施形態の概略的な側面図である。この実施形態では、プリント基板５０の上面にコイルシステム５１が配置されている。ここでは一例として、このコイルシステムも、エアギャップを有する磁気コアを介して相互に結合された２つのコイルであると仮定する。制御回路５２内に少なくとも１つの制御ユニットと１つの磁界検知センサ素子（双方とも図中には特に示されていない）とが組み込まれており、この制御回路５２はプリント基板５０の下面に配置されている。ここでは前記制御回路５２は集積回路として実現されており、該集積回路は、前記コイルシステム５１と少なくとも部分的に重なり、しかも、該制御回路に組み込まれた磁界検知センサ素子が該コイルシステムを基準として適切な位置に来るように位置決めされている。

Claims (10)

1. ・エアギャップ（２）を有する磁気コア（１）に相互に並列に配置され、時間シフトされて制御される少なくとも２つのコイル（３，４；４１，４２）と、
   ・前記コイル（３，４）を駆動制御するための少なくとも１つの制御ユニット（７）と、
   ・前記コイルに流れる電流によって生成された磁界を検出するために前記エアギャップ（２；４４）の近傍または当該エアギャップ（２；４４）内に設けられた少なくとも１つの磁界検知センサ素子（８；８′）と
   を有する、多相直流電圧変換器において、
   前記制御ユニット（７）は前記少なくとも１つの磁界検知センサ素子（８）の出力信号のオフセット値を低減させるため、前記少なくとも２つのコイル（３，４；４１，４２）が生成する磁界が相互に逆向きになるように前記コイル（３，４；４１，４２）に流れる電流を制御する
   ことを特徴とする、多相直流電圧変換器。
2. 前記磁界検知センサ素子（８）の出力信号を時間積分することにより前記オフセット値を求める評価ユニット（９）を有する、
   請求項１記載の多相直流電圧変換器。
3. 前記少なくとも２つのコイル（３，４；４１，４２）は相互に逆向きに磁気結合されている、
   請求項１または２記載の多相直流電圧変換器。
4. 前記少なくとも２つのコイル（３，４；４１，４２）は、前記エアギャップ（２；４４）を有する共用の前記磁気コア（１；４３）を介して相互に逆向きに結合されている、
   請求項３記載の多相直流電圧変換器。
5. 各コイル（３，４；４１，４２）の周辺にそれぞれ少なくとも１つの前記磁界検知センサ素子（８，８′）が配置されていることにより、各磁界検知センサ素子（８，８′）はそれぞれ、各コイル（３，４；４１，４２）に流れる電流によって生成された磁界を表す出力信号を出力するように構成されている、
   請求項１記載の多相直流電圧変換器。
6. 前記少なくとも１つの磁界検知センサ素子（８；８′）は前記多相直流電圧変換器の制御回路（２０；２０′）に組み込まれており、該多相直流電圧変換器は少なくとも前記制御ユニット（７）も含む
   請求項１から５までのいずれか１項記載の多相直流電圧変換器。
7. 前記制御回路（２０；２０′）は、前記少なくとも１つの磁界検知センサ素子（８；８′）の１つまたは複数の出力信号を評価するための少なくとも１つの評価ユニット（９；９′）も含む、
   請求項６記載の多相直流電圧変換器。
8. 前記少なくとも１つの磁界検知センサ素子（８；８′）はホールセンサまたは磁気抵抗センサまたは測定コイルとして構成されている
   請求項１から７までのいずれか１項記載の多相直流電圧変換器。
9. エアギャップ（２）を有する磁気コア（１）に相互に並列に配置され時間シフトされて制御される少なくとも２つのコイル（３，４；４１，４２）を有する多相直流電圧変換器の制御方法であって、
   前記エアギャップ（２；４４）の近傍または当該エアギャップ（２；４４）内に設けられた少なくとも１つの磁界検知センサ素子（８；８′）を用いて、前記コイル（３，４；４１，４２）に流れる電流によって生成された磁界を検出し、
   前記少なくとも１つの磁界検知センサ素子（８；８′）の出力信号のオフセット値を低減させるため、前記少なくとも２つのコイル（３，４；４１，４２）が生成する磁界が相互に逆向きになるように前記コイル（３，４；４１，４２）に流れる電流を制御する
   ことを特徴とする、制御方法。
10. 前記磁界検知センサ素子（８）の出力信号を時間積分することにより、前記オフセット値を求める、
    請求項９記載の制御方法。

Images