專利名稱：變壓器耦合型升壓器的開關控制方法
技術領域：
本發明涉及升壓器的開關控制方法，尤其涉及變壓器耦合型升壓器的開關控制方 法。
背景技術：
混合施工機械在短時間內的重復作業多，要求高速且高輸出地使用電動機等電動
直ο為了響應上述要求，考慮電動機的大型化或蓄電池的大容量化，但在進行了電動 機的大型化或蓄電池的大容量化的情況下，產生車載時的設置場所的問題。為此，在現有技 術中考慮了通過升壓器對提供給電動機的輸出電壓進行升壓來對應(參照下述專利文獻 1)。專利文獻1 :W02007-60998其中，專利文獻1公開的變壓器耦合型升壓器是通過變壓器使初級側(低壓側) 逆變器和次級側(高壓側)逆變器耦合的結構。變壓器耦合型升壓器使用了作為高速開關 元件的IGBT。各IGBT的開關控制通過向各IGBT輸出柵極信號的柵極電壓控制裝置進行。通常，將變壓器的低壓側線圈和高壓側線圈的繞線比設為1比1，通過柵極電壓控 制裝置的開關控制，使得低壓側線圈中流動的電流值和高壓側線圈中流動的電流值大致相寸。可是，在向各IGBT輸出柵極電壓信號的柵極電壓控制裝置中有機械誤差(偏差)。 另外，各IGBT自身也有偏差。因此，在使變壓器耦合型升壓器動作的情況下，低壓側線圈中流動的低壓側電流 值和高壓側線圈中流動的高壓側電流值變得不相等，產生電流差。電流差在變壓器中表現 為負載電流以外的勵磁電流。勵磁電流是用于使變壓器芯磁化的電流，通常是小的電流值 (例如幾A)。圖13是表示變壓器芯的B-H曲線圖的圖。在圖13中，橫軸是磁通密度B，縱軸是磁場H。磁通密度和低壓側逆變器(或高壓側逆變器)中產生的電壓ν與時間t之積成比 例。磁場H是勵磁電流本身，與電流差成比例。如圖13所示，在理想情況下驅動了變壓器耦合型升壓器時，變壓器芯的B-H曲線 中的磁通密度B的變化在中心附近動作(區域Bi)。此時的磁場H的峰值Hl所對應的電流 差是幾A。可是，實際上，變壓器芯的B-H曲線中的磁通密度B的變化會從中心附近偏離，而 進入到磁飽和的區域(區域B2)(將該情況稱為偏磁)。此時的磁場H的峰值H2所對應的 電流差例如是幾十A。磁場H(勵磁電流)的峰值的增加，會引起變壓器及IGBT的峰值電流、浪涌電壓的 增加，有可能導致變壓器耦合型升壓器中使用的IGBT的破損。另一方面，若為了防止IGBT的破損而使用額定電流和額定電壓高的IGBT，則變壓器耦合型升壓器的小型化變得困難。
發明內容
因此，本發明鑒于上述問題點，其目的在于提供一種抑制變壓器耦合型升壓器的 變壓器的勵磁電流的增加、實現變壓器耦合型升壓器的小型化的變壓器耦合型升壓器的開 關控制方法。為了實現以上目的，第一發明是一種變壓器耦合型升壓器的開關控制方法，其特 征在于，所述變壓器耦合型升壓器由初級側逆變器、次級側逆變器和變壓器構成；所述初級 側逆變器包括與所述變壓器的初級側線圈橋式連接的4個IGBT、和與各個IGBT并聯且極性 相反地連接的二極管而構成；對于使所述4個IGBT中的2個IGBT同時導通、截止的第一臂 和使其他2個IGBT同時導通、截止的第二臂而言，第一臂和第二臂由交替導通、截止的2個 臂構成；所述次級側逆變器包括與所述變壓器的次級側線圈橋式連接的4個IGBT、和與各 個IGBT并聯且極性相反地連接的二極管而構成；對于使所述4個IGBT中的2個IGBT同時 導通、截止的第三臂和使其他2個IGBT同時導通、截止的第四臂而言，第三臂和第四臂由交 替導通、截止的2個臂構成；所述初級側逆變器的正極和所述次級側逆變器的負極按照成 為加極性的方式串聯連接；所述初級側逆變器和所述次級側逆變器通過所述變壓器交流耦 合；分別檢測所述變壓器的初級側線圈中流動的初級側線圈電流和所述變壓器的次級側線 圈中流動的次級側線圈電流，計算檢測出的所述初級側線圈電流與所述次級側線圈電流的 電流差，并基于計算出的電流差來變更所述4個臂的導通期間和截止期間。在第一發明中，基于變壓器耦合型升壓器中產生的1次電流和2次電流的電流差， 變更了設置在升壓器的逆變器的各臂的導通期間和截止期間。第二發明在第一發明中的特征在于，使所述各臂的導通期間和截止期間的周期維 持恒定，按照使第一臂Si的導通期間和截止期間的比例與第三臂的導通期間和截止期間 的比例始終相同的方式進行變更。第三發明在第二發明中的特征在于，在所述電流差比預先設定的閾值電流Ac大 的情況下，以減小第一臂和第三臂的導通期間的方式進行變更；在所述電流差比-Ac小的 情況下，以增大第一臂和第三臂的導通期間的方式進行變更；在所述電流差在-Ac Ac的 范圍以內的情況下，維持第一臂和第三臂的導通期間。利用圖11對第二發明和第三發明進行說明。在圖11中，首先，將檢測出的輸出電壓V0(這里為250V)反饋，確定電壓vl和電 壓v2的相位差δ。因為將電壓VO和負載設為固定，所以以后相位差δ也固定。然后，在 該相位差δ下，以初始指令占空比使交流耦合DC-DC雙向變換器50Α的各臂動作(步驟 S10)。而后，測定在各臂的動作中產生的低壓側電流iLl和高壓側電流iL2，從低壓側電 流iLl中減去高壓側電流iL2，計算電流差Δ iL，求出電流差Δ iL的峰值(步驟S20)。接著，根據電流差AiL的峰值的大小，進入到接下來的3個進程的其中一個(步 驟 S30)。在電流差Δ iL的峰值在-20A 20A的范圍以內的情況下，維持柵極電壓控制裝 置70的指令占空比并結束進程(步驟S40)。
在電流差Δ iL的峰值比20A大的情況下，以比當前的指令占空比所對應的導通時 間小25nSec的方式進行運算(步驟S50)。在電流差Δ iL的峰值比-20A小的情況下，以比當前的指令占空比所對應的導通 時間大25nSec的方式進行運算(步驟S60)。將運算后的變更導通時間所對應的變更占空比輸入到柵極電壓控制裝置70(步 驟 S70)。被輸入了變更占空比的柵極電壓控制裝置70，將所輸入的變更占空比作為新的指 令占空比，使交流耦合DC-DC雙向變換器50A的各臂動作。以下，反復執行該循環。根據上述進程，因為能夠每經過一次循環都使電流差的峰值更接近規定范圍，所 以能夠迅速且容易地得到電流差的峰值在規定范圍以內的占空比值。第四發明在第一發明至第三發明中的特征在于，根據指令信號一并進行所述各臂 的導通期間和截止期間的比例的變更。在第四發明中，根據圖2所示的設置在外部的柵極電壓控制裝置70的指令信號， 一并變更交流耦合雙向DC-DC變換器50A的各臂。(發明效果)根據本申請第一 第三發明，能夠期待以下的效果。因為能夠將勵磁電流的峰值的絕對值抑制在規定值以下，所以能夠可靠地防止變 壓器耦合型升壓器中使用的IGBT的破損。另外，因為能夠將勵磁電流的峰值的絕對值抑制在規定值以下，所以能夠考慮規 定值來確定IGBT的額定值(耐電壓特性、耐電流特性)，能夠選定不超規格的IGBT。由此， 能夠使變壓器耦合型升壓器小型化。根據第四發明，因為能夠根據柵極電壓控制裝置的指令信號一并變更各臂的占空 比，所以，例如即使在混合施工機械運轉中，也能夠容易且快速地變更各占空比，能夠將勵 磁電流的峰值的絕對值始終抑制在規定值以下。
圖1是代表性的施工機械用混合電源系統的圖。圖2是用于說明應用本發明的交流耦合雙向DC-DC變換器的圖。圖3是表示在低壓側逆變器50B和高壓側逆變器50C中設置的IGBT的導通、截止 動作的圖。圖4是低壓側逆變器50B的2個臂的導通、截止動作中產生的電壓vl的示意圖。圖5是表示動力運行模式下的電壓Vl和電壓v2的關系的圖。圖6是表示再生模式下的電壓Vl和電壓v2的關系的圖。圖7(a)是表示電壓vl的電壓波形的圖。圖7 (b)是表示產生電壓vl的第一臂Sl 和第二臂S2的導通、截止動作的圖。圖8(a)是再生模式下的電壓vl的電壓波形、和此時的第一臂Sl及第二臂S2的 導通、截止的定時。圖8(b)是再生模式下的電壓v2的電壓波形、和此時的第三臂S3及第 四臂S4的導通、截止的定時。圖9(a) (e)是分別表示以柵極電壓控制裝置指示的指令占空比為參數的低壓
5側電流iLl、高壓側電流iL2和電流差△ iL的各電流波形的圖。圖10是表示圖9中的電流差Δ iL的峰值所對應的指令占空比和峰值的關系的 圖。圖11是實施例1的進程圖。圖12是實施例2的進程圖。圖13是表示變壓器芯的B-H曲線圖的圖。(符號說明)VO-主電源的電壓；Vl-蓄電池的電壓；L-變壓器的漏電感；LO-引線電感；10-主 電源；30-蓄電池；50-副電源；50A-交流耦合雙向DC-DC變換器；50B-低壓側逆變器； 50C-高壓側逆變器。
具體實施例方式以下，參照附圖，對本發明的實施例進行說明。圖1是代表性的施工機械用混合電源系統的圖。在圖1中，混合電源系統1由主電源10、電動裝置20和副電源50構成。主電源10由發動機11、發電機12和逆變器13組成。電動裝置20由逆變器21和 電動機22組成。逆變器13和逆變器21經由正極線14及負極線15連接。在正極線14與 負極線15之間施加電壓V0。副電源50由交流耦合雙向DC-DC變換器和蓄電池構成。圖2是用于說明應用本發明的交流耦合雙向DC-DC變換器的圖。其中，主電源10 的電壓是經由驅動器提供的由發電電動機產生的電力的電壓，等效表現為電池11。在圖2中，交流耦合雙向DC-DC變換器50A，是用變壓器50D將作為初級側逆變器 的低壓側逆變器50B和作為次級側逆變器的高壓側逆變器50C進行交流耦合而成的結構。 即，交流耦合DC-DC變換器50A是變壓器耦合型升壓器。以下，預先將變壓器50D的低壓側線圈50d和高壓側線圈50e的繞線比設為1比 1。在低壓側逆變器50B和高壓側逆變器50C中，低壓側逆變器50B的正極和高壓側 逆變器50C的負極按照成為加極性的方式串聯電連接。即，交流耦合雙向DC-DC變換器50A 按照與主電源10成為同極性的方式與主電源10并聯連接。低壓側逆變器50B包括與變壓器50D的低壓側線圈50d橋式連接的4個IGBT51、 52、53、54、和分別與IGBT51、52、53、54并聯地且極性相反地連接的二極管151、152、153、 154而構成。這里所說的橋式連接是指低壓側線圈50d的一端與IGBT51的發射極和IGBT52 的集電極連接、另一端與IGBT53的發射極和IGBT54的集電極連接的結構。IGBT51、52、53、 54通過柵極被施加開關信號而導通，電流從集電極流向發射極。蓄電池30的正極端子30a經由正極線31與IGBT51的正極電連接。IGBT51的發 射極與IGBT52的集電極電連接。IGBT52的發射極經由負極線32與蓄電池30的負極端子 30b電連接。負極線32與負極線15連接。同樣，蓄電池30的正極端子30a經由正極線31與IGBT53的集電極電連接。IGBT53 的發射極與IGBT54的集電極電連接。IGBT54的發射極經由負極線32與蓄電池30的負極 端子30b電連接。
IGBT51的發射極(二極管151的陽極)及IGBT52的集電極(二極管152的陰極) 與變壓器50D的低壓側線圈50d的一個端子連接，并且IGBT53的發射極(二極管153的陽 極)及IGBT54的集電極(二極管154的陰極)與變壓器50D的低壓側線圈50d的另一個
端子連接。高壓側逆變器50C包括與變壓器50D的高壓側線圈50e橋式連接的4個IGBT55、 56、57、58、和分別與IGBT55、56、57、58并聯地且極性相反地連接的二極管155、156、157、 158而構成。這里所說的橋式連接是指高壓側線圈50e的一端與IGBT55的發射極和IGBT56 的集電極連接、另一端與IGBT57的發射極和IGBT58的集電極連接的結構。IGBT55、56、57、 58通過柵極被施加開關信號而導通，電流從集電極流向發射極。IGBT55、57的集電極經由正極線14與主電源10的正極線14電連接。IGBT55的 發射極與IGBT56的集電極電連接。IGBT57的發射極與IGBT58的集電極電連接。IGBT56、 58的發射極與正極線31即低壓側逆變器50B的IGBT51、53的集電極電連接。IGBT55的發射極(二極管155的陽極)及IGBT56的集電極(二極管156的陰極) 與變壓器50D的高壓側線圈50e的一個端子電連接，并且IGBT57的發射極(二極管157的 集電極)及IGBT58的集電極(二極管158的陰極)與變壓器50D的高壓側線圈50e的另 一個端子電連接。在IGBT55、57的集電極所連接的正極線14與IGBT56、58的發射極所連接的正極 線31之間，電連接有電容器33。電容器33用于吸收脈動電流。變壓器50D具有固定值L的漏電感。漏電感可通過調整變壓器50D的低壓側線圈 50d和高壓側線圈50e的間隙而得到。在圖1中，分割成在低壓側線圈50d側為L/2，在高 壓側線圈50e側為L/2。(IGBT的導通、截止動作)下面，對IGBT的導通、截止動作進行說明。其中，以下為了便于說明，設“導通期 間”是指處于導通狀態的期間，“截止期間”是指處于截止狀態的期間。圖3是表示在低壓側逆變器50B和高壓側逆變器50C中設置的IGBT的導通、截止 動作的圖。圖3中，在低壓側逆變器50B中，IGBT51、54的組(以下稱為第一臂Si)的2個 IGBT被同時導通、截止。另外，IGBT52、53的組(以下稱為第二臂S2)的2個IGBT被同時 導通、截止。第一臂Sl和第二臂S2被交替導通、截止。因此，第一臂Sl的導通期間和第二 臂S2的截止期間相等。第一臂Sl的截止期間和第二臂S2的導通期間相等。在高壓側逆變器50C中，IGBT55、58的組(稱為第三臂S3)的2個IGBT被同時導 通、截止。IGBT56、57的組(以下稱為第四臂S4)的2個IGBT被同時導通、截止。第三臂 S3和第四臂S4被交替導通、截止。因此，第三臂S3的導通期間和第四臂S4的截止期間相 等。第三臂S3的截止期間和第四臂S4的導通期間相等。各臂的導通、截止是根據設置于外部的柵極電壓控制裝置70的指令信號進行的。各臂以固定的周期T重復導通期間和截止期間。另外，被控制成第一臂Sl的導通 期間和第三臂S3的導通期間相同。因此，如果設定了第一臂Sl的導通期間，則第一臂Sl 的截止期間被確定。另外，其他臂的導通、截止期間也自動被確定。通常，在交流耦合雙向DC-DC變換器50A中，將各臂的導通期間和截止期間設定成相同來進行導通、截止動作。以下，將導通期間相對于周期T的比例稱作導通占空比(on-duty)，或僅稱為占空 比(duty)。另外，將截止期間相對于周期T的比例稱為截止占空比(off-duty)。單位是％。 如果確定了第一臂Sl的占空比，則其他臂的占空比也自動被確定。圖4是低壓側逆變器50B的2個臂的導通、截止動作中產生的電壓vl的示意圖。 將第一臂Sl的占空比設為50%。此時，第二臂S2的占空比也同樣為50%。在圖4中，橫軸是時間，縱軸是在變壓器50D的線圈50d的兩端產生的電壓vl。在第一臂Sl導通、第二臂S2截止的期間，電壓vl成為蓄電池30的電壓VI。另一 方面，在第一臂Sl截止、第二臂S2導通的期間，電壓Vl成為-VI。S卩，在周期T中，0. 5T的 期間是正的矩形電壓Vl，0. 5T的期間是負的矩形電壓-Vl。高壓側逆變器50C的第三臂S3和第四臂S4的導通、截止動作的情況，也與圖4基 本上相同。(基于開關控制的電力傳送)下面，對主電源10和副電源50之間的電力傳送進行說明。在圖2所示的交流耦合雙向DC-DC變換器50A中，對各臂的IGBT進行高速開關控 制，從而使調整變壓器50D的低壓側線圈50d和高壓側線圈50e的間隙所得到的固定值L 的漏電感暫時蓄積電力。然后，根據需要，將暫時蓄積于漏電感的電力從主電源10向副電 源50傳送(再生模式)，或者從副電源50向主電源10傳送(動力運行模式)。(1)動力運行模式下的電力傳送在圖1中，假設發電機12、電動機22進行工作而消耗電力的情況。如果消耗電力， 則主電源10的電壓VO下降。另一方面，從操作性的觀點出發，優選主電源10的電壓VO在 一定的范圍內。因此，在動力運行模式下，相對于高壓側逆變器50C的電壓v2，將低壓側逆變器 50B的電壓vl的相位設為超前相位。圖5是表示動力運行模式下的電壓vl和電壓v2的關系的圖。在圖5中，橫軸是時間，縱軸是電壓。在動力運行模式下，使電壓Vl相對于電壓v2超前相位差δ。通過將檢測到的電 壓VO反饋并將其與指令電壓VOs進行比較來確定相位差δ。在超前相位的情況下，低壓側 逆變器50Β使通過調整低壓側線圈50d和高壓側線圈50e的間隙而得到的漏電感暫時蓄積 電力。然后，將暫時蓄積于漏電感的蓄電池30的電壓Vl的約2倍的高電壓的電力傳送到 主電源10側。由此，能夠抑制主電源10的電壓VO的下降。(2)再生模式下的電力傳送在圖1中，假設發電機12、電動機22減速 制動后向電源系統內輸出電力的情況。 如果輸出電力，則主電源10的電壓VO上升。另一方面，從操作性的觀點出發，優選主電源 10的電壓VO在一定的范圍內。因此，在再生模式下，相對于高壓側逆變器50C的電壓v2，將低壓側逆變器50B的 電壓vl的相位設為滯后相位。圖6是表示再生模式下的電壓vl和電壓v2的關系的圖。在圖6中，橫軸是時間，縱軸是電壓。
在再生模式下，使電壓Vl相對于電壓v2滯后相位差δ。通過將檢測出的電壓VO 反饋并將其與指令電壓VOs進行比較來確定相位差δ。在滯后相位的情況下，高壓側逆變 器50C使漏電感暫時蓄積電力。然后，將暫時蓄積于漏電感的主電源10的電壓VO的大致 一半的低電壓的電力傳送到蓄電池30側。由此，能夠抑制主電源10的電壓VO的上升。此外，以下為了便于說明，將柵極電壓控制裝置70對第一臂Sl指示的占空比稱為 “指令占空比”。如果確定了指令占空比，則所有臂的導通占空比和截止占空比被自動確定。另外，在圖2中，變壓器50D的低壓側線圈50d和高壓側線圈50e的繞線比設為1 比1。因此，在將各臂的占空比設為50 %的情況下，理想情況下，通過在低壓側逆變器 50B側產生的電壓vl而流入到低壓側線圈50d的電流iLl，應該和通過在高壓側逆變器50C 側產生的電壓v2而流入到高壓側線圈50e的電流iL2的大小相等。不過，電流流動的方向 相反。可是，在向各臂的IGBT輸出柵極電壓信號的柵極電壓控制裝置70中有機械誤差 (偏差)。另外，構成各逆變器的IGBT自身也有偏差。因此，使各臂動作而產生的電壓vl和電壓v2的占空比，嚴格意義上不是50%。即， 低壓側電流iLl和高壓側電流iL2的電流差Δ iL = iLl-iL2不為零。以下，對占空比的變更方法進行說明。(占空比的變更方法)圖7(a)是表示電壓vl的電壓波形的圖。圖7 (b)是表示產生電壓vl的第一臂Sl 和第二臂S2的導通、截止動作的圖。圖7(a)的橫軸是時間，縱軸是電壓。電壓vl中交替地重復出現電壓Vl和電 壓-VI，其周期是T。圖7(b)的橫軸是時間，縱軸是導通、截止的定時。因為各臂以周期T 反復被導通、截止，所以僅對1個周期T(tl t3)進行說明。在圖7 (a)中，實線部V50是從柵極電壓控制裝置70向第一臂Sl指示的指令占空 比為50%的情況。此時，第一臂Sl的導通期間(tl t2)和截止期間(t2 t3)相同(= 0. 5T)。第二臂S2的截止期間(tl t2)和導通期間(t2 t3)也相同(=0. 5T)。在想要將第一臂Sl的占空比增大1 %的情況下，將第一臂Sl的占空比設為51 %， 變更為對應的導通期間(tl t4)。另外，變更為對應的截止期間(t4 t3)。同時，將第二臂S2的占空比設為49%，變更為對應的導通期間(t4 t3)。將截 止占空比設為51%，變更為對應的截止期間(tl t4)。用虛線部V51表示占空比變更后的電壓vl。第三臂S3和第四臂S4的占空比的變更除了符號不同之外，與圖7的情況完全相 同。如上所述，能夠通過柵極電壓控制裝置70進行對各臂的占空比的變更，從而以變 更后的占空比進行各臂的導通、截止動作。然后，說明對電壓Vl和電壓v2設置相位差時的占空比變更。圖8(a)是再生模式下的電壓vl的電壓波形、和此時的第一臂Sl及第二臂S2的 導通、截止的定時。圖8(b)是再生模式下的電壓v2的電壓波形、和此時的第三臂S3及第 四臂S4的導通、截止的定時。圖8(a)的實線部V50是占空比50%下的電壓波形。圖8 (b)
9的實線部V50是占空比50%下的電壓波形。電壓vl相對于電壓v2為滯后相位。以下，說明將維持著相位差的電壓vl和電壓 v2的占空比從50%變更為51%的情況。圖8(a)中，在電壓v2的情況下，柵極電壓控制裝置70向第三臂S3指示的導通期 間(tl t2)和截止期間(t2 t3)相同(=0. 5T)。向第四臂S4指示的截止期間(tl t2)和導通期間(t2 t3)也相同(=0. 5T)。在想要將第三臂S3的占空比增大1 %的情況下，將第三臂S3的占空比設為51 %， 變更為對應的導通期間(tl t4)。將截止占空比設為49%，變更為對應的截止期間(t4 t3)。同時，將第四臂S4的占空比設為49%，變更為對應的導通期間(t4 t3)。將截 止占空比設為51%，變更為對應的截止期間(tl t4)。圖8(b)中，是電壓vl的電壓波形相對于電壓v2的波形在時間軸上向右偏移了與 相位差S對應的相位時間δ t的情形。以下，例如將從tl偏移為tl+ δ t的時間表示為 tl’。對于其他標號也相同。在想要將第一臂Sl的占空比增大1 %的情況下，將第一臂Sl的占空比設為51 %， 變更為對應的導通期間(tl’ t4’)。將截止占空比設為49%，變更為對應的截止期間 (t4， t3，)。同時，將第二臂S2的占空比設為49%，變更為對應的導通期間(t4’ t3’)。將 截止占空比設為51%，變更為對應的截止期間(tl’ t4’)。因為上述說明的再生模式下的占空比變更在動力運行模式下也基本相同，所以省 略其說明。此外，圖8中為了簡化說明，在維持著相位差δ的情況下對占空比進行了變更。例 如，對電壓VO進行檢測，將檢測出的電壓VO反饋，從而能夠在變更電壓Vl和電壓V2的相 位差δ的同時變更指令占空比。此時，在圖8中，只要將相位差δ變更為相位差δ ’、變更 為相位差δ ’所對應的相位時間δ t’即可。(占空比和電流差ΔiL的關系)然后，對利用了上述說明的占空比的變更方法的實驗及其實驗結果進行說明。圖9(a) (e)是表示以柵極電壓控制裝置指示的指令占空比為參數的低壓側電 流iLl、高壓側電流iL2和電流差Δ iL的各電流波形的圖。在圖9中，橫軸是時間(μ sec)，縱軸是電流(A)。用粗實線表示低壓側電流iLl， 用細實線表示高壓側電流iL2，用粗虛線表示電流差AiL。動作條件是無相位差 無負載。低壓側電流iLl和高壓側電流iL2是在圖2的低壓側線圈50d和高壓側線圈50e 的附近分別設置電流傳感器來測定的。根據情況，可以利用低壓側電流iLl和高壓側電流 iL2相互沿相反方向流動，用電流鉗測定低壓側電流iLl與高壓側電流iL2之差。此時，能 夠立即求出差電流AiL。圖9 (a)是柵極電壓控制裝置70的指令占空比為49. 89%的情況。高壓側電流iL2 與低壓側電流iLl相比電流振幅大。電流差Δ iL的峰值大致為-30A。圖9(b)是柵極電壓控制裝置70的指令占空比為49. 94%的情況。低壓側電流iLl 和高壓側電流iL2的電流波形大致相同。電流差AiL的峰值在幾A以內。
圖9 (c)是柵極電壓控制裝置70的指令占空比為50. 00%的情況。高壓側電流iL2 與低壓側電流iLl相比負側的電流振幅大。電流差Δ iL的峰值為27A左右。圖9 (d)是柵極電壓控制裝置70的指令占空比為50. 06%的情況。高壓側電流iL2 與低壓側電流iLl相比負側的電流振幅大。電流差Δ iL的峰值為60A左右。圖9 (e)是柵極電壓控制裝置70的指令占空比為50. 11 %的情況。高壓側電流iL2 與低壓側電流iLl相比負側的電流振幅大。電流差Δ iL的峰值為75A左右。圖10是表示圖9中的電流差AiL的峰值所對應的指令占空比和峰值的關系的 圖。在圖中，橫軸是指令占空比(％)，縱軸是電流(A)。根據圖10，用具有大致正斜率的一次曲線來表示電流差的峰值相對于指令占空比 的關系。在圖10的情況下，峰值的絕對值成為最小的指令占空比大致為49. 94%。因此，可 知如果將柵極電壓控制裝置70的指令占空比從初始設定的50 %變更為49. 94 %，則能夠將 勵磁電流的峰值從27A抑制在幾A以下。此外，圖10所示的指令占空比和電流差的峰值的關系是將特定的柵極電壓控制 裝置70和特定的交流耦合雙向DC-DC變換器50A組合而得到的，在其他組合的情況下會成 為與圖9不同的特性。即，在其他組合的情況下，需要重新求出最佳的指令占空比。下面，對基于上述占空比的變更方法和指令占空比與峰值的關系的本發明的實施 例進行說明。實施例1根據圖10，電流差Δ iL的峰值相對于指令占空比單調增加。因此，在實施例1中，按以下方針進行指令占空比的變更。1、在電流差AiL的峰值比閾值Ac大的情況下，為了減小電流差AiL，按照比當前 的指令占空比小的方式變更指令占空比。2、在電流差AiL的峰值比-Ac小的情況下，為了增加電流差AiL，按照比當前的 指令占空比大的方式變更指令占空比。3、在電流差AiL在-Ac Ac的范圍以內的情況下，維持當前的指令占空比而不 進行變更。圖11是將本發明應用于交流耦合DC-DC雙向變換器50A的實施例1的進程圖。其 中，實施例1是適用于檢查時等只調整一次的情況的方法。指令占空比變更的進程是在將動作條件設為固定的情況下進行的。例如，預先將 輸出電壓VO設為固定的250V。首先，將檢測出的輸出電壓VO (這里為250V)反饋，確定電壓vl與電壓v2的相位 差S。因為將電壓VO設為固定且無負載，所以以后相位差δ也固定。然后，在該相位差 δ下，以初始指令占空比使交流耦合DC-DC雙向變換器50Α的各臂動作(步驟S10)。而后，測定在各臂的動作中產生的低壓側電流iLl和高壓側電流iL2，從低壓側電 流iLl中減去高壓側電流iL2來計算電流差Δ iL,求出電流差Δ iL的峰值(步驟S20)。然后，根據電流差AiL的峰值的大小，進入到接下來的3個進程的其中一個(步 驟 S30)。在電流差Δ iL的峰值在-20A 20A的范圍以內的情況下，維持柵極電壓控制裝 置70的指令占空比并結束進程(步驟S40)。
在電流差Δ iL的峰值比20A大的情況下，以比當前的指令占空比所對應的導通時 間小25nSec的方式進行運算(步驟S50)。在電流差Δ iL的峰值比-20A小的情況下，以比當前的指令占空比所對應的導通 時間大25nSec的方式進行運算(步驟S60)。將運算出的變更導通時間所對應的變更占空比輸入到柵極電壓控制裝置70(步 驟 S70)。被輸入了變更占空比的柵極電壓控制裝置70，將所輸入的變更占空比作為新的指 令占空比，使交流耦合DC-DC雙向變換器50A的各臂動作。以下，反復執行該循環。此外，在步驟S50、S60中以25nseC大小的變更單位進行了指令占空比的變更，但 是能夠在考慮周期T的大小和實驗結果之后適當設定變更單位。根據上述實施例1的進程，即使在初始指令占空比下電流差Δ iL的峰值的絕對值 在規定值以上(這里為20A)，由于每經過一次循環都使峰值更接近規定范圍，所以能夠快 速且容易地得到峰值的絕對值在20A以下的占空比值。S卩，根據實施例1，能夠將交流耦合DC-DC雙向變換器50A的變壓器的勵磁電流的 峰值抑制在規定值以下。由此，能夠抑制構成交流耦合DC-DC雙向變換器50A的IGBT的峰 值電流、浪涌電壓，從而不會導致IGBT的破損。另外，因為能夠將勵磁電流的峰值抑制在規定值以下，所以能夠在不超規格的情 況下選定IGBT的額定電流和額定電壓。由此，實現了交流耦合DC-DC雙向變換器50A的小 型化和制造成本的降低。此外，在步驟SlO中，例如能夠將初始指令占空比設定為50%，但不一定需要設定 為50%。也可以基于其他檢查結果或以往的數據等，將其他占空比(例如49.9%)設定為 初始指令占空比。只是，初始指令占空比應該設為占空比50%附近的值。在上述實施例1中，將輸出電壓VO設定成了 250V，但也可適當設定輸出電壓V0， 然后在圖11的進程中求出最佳占空比。另外，雖然將電流差AiL的閾值設定成了 20A，但 也可進行適當變更。實施例2實施例1是適用于在檢查時等只對交流耦合DC-DC雙向變換器50A調整一次的情 況的最佳占空比確定方法。該情況下，將輸出電壓VO設為固定并將電壓Vl與電壓V2的相 位差δ設為固定，求出了最佳的占空比。在混合施工機械的運轉中，根據運轉狀態(動力運行模式、再生模式、無負載)而 電壓vl和電壓ν2的相位差δ變化較大。實施例2是如下方法在混合施工機械運轉中，即使相位差δ發生了變化，也能始 終將交流耦合DC-DC雙向變換器50Α的臂的占空比調整成最佳占空比。圖12是將本發明應用于運轉中的混合施工機械所安裝的交流耦合DC-DC雙向變 換器50Α的實施例2的進程圖。主電源10的電壓VO不固定，根據運轉狀態而上升或下降。始終檢測電壓VO (步 驟S100)，將檢測出的電壓VO反饋，然后基于電壓VO處于上升的方向或下降的方向的判斷 結果，來確定電壓Vl和電壓V2的相位差δ (步驟Sl 10)。將確定出的相位差δ輸入到柵極電壓控制裝置70(步驟S120)。
然后，柵極電壓控制裝置70以輸入的相位差δ和初始指令占空比來使交流耦合 DC-DC雙向變換器50Α的各臂動作(步驟S130)。而后，測定在各臂的動作中產生的低壓側電流iLl和高壓側電流iL2，計算電流差 Δ iL，求出電流差Δ iL的峰值(步驟S140)。然后，根據電流差AiL的峰值的大小，進入到接下來的3個進程的其中一個(步 驟 S150)。在電流差Δ iL的峰值在-20A 20A的范圍以內的情況下，維持柵極電壓控制裝 置70的指令占空比(步驟S160)。在電流差Δ iL的峰值比20A大的情況下，以比當前的指令占空比所對應的導通時 間小25nsec的方式進行運算(步驟S170)。在電流差Δ iL的峰值比-20A小的情況下，以比當前的指令占空比所對應的導通 時間大25nSec的方式進行運算(步驟S180)。將運算出的變更導通時間所對應的變更占空比輸入到柵極電壓控制裝置70(步 驟 S190)。被輸入了變更占空比的柵極電壓控制裝置70，將所輸入的變更占空比作為新的指 令占空比，并且以在被輸入變更占空比的時刻重新確定出的相位差S來使交流耦合雙向 DC-DC變換器50A的各臂動作。以下，反復執行該循環。此外，在步驟S170、S180中用25nseC大小的變更單位進行了指令占空比的變更。 與實施例1的情況同樣，能夠在考慮周期T的大小和實驗結果之后適當設定變更單位。根據實施例2，在混合施工機械的運轉中，即使在初始指令占空比下電流差AiL 的峰值的絕對值在規定值以上(這里為20A)，由于每經過一次循環都使峰值更接近規定范 圍，所以能夠快速且容易地得到峰值的絕對值在20A以下的占空比值。由此，能夠抑制構成交流耦合DC-DC雙向變換器50A的IGBT的峰值電流、浪涌電 壓，從而不會導致IGBT的破損。另外，因為能夠將勵磁電流的峰值抑制在規定值以下，所以能夠在不超規格的情 況下選定IGBT的額定電流和額定電壓。由此，實現了交流耦合DC-DC雙向變換器50A的小 型化和制造成本的降低。另外，因為根據來自柵極電壓控制裝置70的指令信號能夠一并變更各臂的占空 比，所以，例如即使在混合施工機械運轉中也能夠容易且快速地變更各占空比，能夠將勵磁 電流的峰值的絕對值始終抑制在規定值以下。此外，在上述實施例中，將變壓器50D的初級側和次級側的匝數比設定成了 1比1。 變壓器50D的匝數比也可以是其他值。S卩，在將交流耦合DC-DC雙向變換器50A的變壓器50D的匝數比設定為附比 N2的情況下，通過電流傳感器檢測低壓側電流iLl和高壓側電流iL2，并根據式AiL = iLl-α iL2求出電流差iL即可。其中，α = Ν1/Ν2.此外，該情況下，因為無法用電流鉗等 一并檢測低壓側電流iLl和高壓側電流iL2，所以需要用2個電流傳感器檢測各自的電流值。 此外，本發明不僅能夠應用在實施例中應用的混合施工機械中，還能夠應用在利 用混合電源系統的電動汽車中。
權利要求
一種變壓器耦合型升壓器的開關控制方法，其特征在于，所述變壓器耦合型升壓器由初級側逆變器、次級側逆變器和變壓器構成；所述初級側逆變器包括與所述變壓器的初級側線圈橋式連接的4個IGBT、和與各個IGBT并聯且極性相反地連接的二極管而構成；對于使所述4個IGBT中的2個IGBT同時導通、截止的第一臂和使其他2個IGBT同時導通、截止的第二臂而言，第一臂和第二臂由交替導通、截止的2個臂構成；所述次級側逆變器包括與所述變壓器的次級側線圈橋式連接的4個IGBT、和與各個IGBT并聯且極性相反地連接的二極管而構成；對于使所述4個IGBT中的2個IGBT同時導通、截止的第三臂和使其他2個IGBT同時導通、截止的第四臂而言，第三臂和第四臂由交替導通、截止的2個臂構成；所述初級側逆變器的正極和所述次級側逆變器的負極按照成為加極性的方式串聯連接；所述初級側逆變器和所述次級側逆變器通過所述變壓器耦合；分別檢測所述變壓器的初級側線圈中流動的初級側線圈電流和所述變壓器的次級側線圈中流動的次級側線圈電流，計算檢測出的所述初級側線圈電流與所述次級側線圈電流的電流差，并基于計算出的電流差來變更所述4個臂的導通期間和截止期間。
2.根據權利要求1所述的變壓器耦合型升壓器的開關控制方法，其特征在于， 使所述各臂的導通期間和截止期間的周期維持恒定，按照使所述第一臂的導通期間和截止期間的比例與所述第三臂的導通期間和截止期 間的比例始終相同的方式進行變更。
3.根據權利要求2所述的變壓器耦合型升壓器的開關控制方法，其特征在于，在所述電流差比預先設定的閾值電流Ac大的情況下，按照減小第一臂和第三臂的導 通期間的方式進行變更；在所述電流差比-Ac小的情況下，按照增大第一臂和第三臂的導通期間的方式進行變更；在所述電流差在-Ac Ac的范圍以內的情況下，維持第一臂和第三臂的導通期間。
4.根據權利要求1 3中任意一項所述的變壓器耦合型升壓器的開關控制方法，其特 征在于，根據指令信號一并進行所述各臂的導通期間和截止期間的比例的變更。全文摘要
本發明的目的在于提供一種抑制變壓器耦合型升壓器的變壓器的勵磁電流的增加、實現變壓器耦合型升壓器的小型化的變壓器耦合型升壓器的開關控制方法。為此，在本發明中，分別檢測變壓器的初級側線圈中流動的初級側線圈電流和所述變壓器的次級側線圈中流動的次級側線圈電流，計算檢測出的所述初級側線圈電流與所述次級側線圈電流的電流差，并基于計算出的電流差進行控制，使所述變壓器耦合型升壓器中設置的4個臂的導通期間和截止期間的周期維持恒定，使第一臂的導通期間和截止期間的比例與第三臂的導通期間和截止期間的比例始終相同。
文檔編號H02M3/28GK101981795SQ20098011108
公開日2011年2月23日 申請日期2009年3月19日 優先權日2008年3月31日
發明者茂木淳 申請人:株式會社小松制作所