CN103765744A - 电容器预充电电路、电动机驱动系统、电动助力转向系统、气囊系统 - Google Patents

电容器预充电电路、电动机驱动系统、电动助力转向系统、气囊系统 Download PDF

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Abstract

降低电容器预充电电路中的损耗（发热），使电路小型化。本发明的电容器预充电电路通过利用开关电容分压电路对电源电压进行分压，在抑制作为充电对象的电容器的两端电压的同时进行充电。

Description

电容器预充电电路、电动机驱动系统、电动助力转向系统、气囊系统
技术领域
本发明涉及对电容器进行预充电的电路。
背景技术
EPS（电动助力转向）系统由于瞬间地向电动机供应大电流，在电源电路内需要大容量的电容器（电解电容）。对于气囊系统也同样地配备由大容量电容器（电解电容）构成的备份电源电路，使得在汽车碰撞时即使来自蓄电池的电力供应中断，也能够使电流流过气囊内的引爆器（squib）使气囊充气。
由于在接通电源时流向上述电容器的浪涌电流有使电容器发生故障的可能性，因此需要在抑制浪涌电流的同时缓慢地进行充电的软启动预充电电路。
在下述专利文献1中记载了在预充电线路51与供电线路52之间由切换电路22切换电路连接的预充电电路。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2007-336609号公报
发明内容
发明要解决的课题
类似上述专利文献1的现有的预充电电路中，通过在经由电阻器限制电流的同时对电容器充电来实现软启动预充电电路。但限流用电阻器中的损耗（发热）较大，需要大容量的电阻器，妨碍了电路集成化。
具体地，对电容器C0施加电压VB时，相对于从电源供应的C0VB2的能量，电容器C0储存了C0VB2/2的能量。剩余的C0VB2/2为限流用电阻器中的损耗（发热）。充电初期电容器C0两端电压VC较低时，如果突然施加电压VB，则电位差VB－VC被施加到电容器，因此产生上述损耗（发热）。
本发明为解决上述问题而完成，以降低电容器预充电电路中的损耗（发热），使电路小型化为目的。
用于解决课题的方案
本发明的电容器预充电电路利用开关电容分压电路对电源电压进行分压来抑制作为充电对象的电容器的两端电压，同时进行充电。
发明效果
通过本发明的电容器预充电电路，能够抑制电路内的损耗（发热），使电路小型化。
附图说明
图1是实施方式1的预充电电路10的概要电路图。
图2是开关电容分压电路11仅配备一个分压用电容器时的概要电路图。
图3是表示切换施加到电容器C0两端的电压的变化情况的图。
图4是表示Mode1和Mode2各自的电容器C0两端电压VC的变化的图。
图5是表示Mode2中电容器C0与分压用电容器C1的连接方式的图。
图6是表示Mode1中电容器C0与分压用电容器C1的连接方式的图。
图7是表示开关电容分压电路11的详细结构与Mode2中的动作的图。
图8是表示开关电容分压电路11的详细结构与Mode1中的动作的图。
图9是实施方式2的预充电电路10的概要电路图。
图10是表示实施方式2中切换施加到电容器C0两端的电压的变化情况的图。
图11是表示Mode3中电容器C0与分压用电容器的连接方式的图。
图12是表示Mode2中电容器C0与分压用电容器的连接方式的图。
图13是表示Mode1.5中电容器C0与分压用电容器的连接方式的图。
图14是表示Mode1中电容器C0与分压用电容器的连接方式的图。
图15是表示实施方式2中电容器C0的两端电压VC的变化的图。
图16是表示实施方式2中的开关电容分压电路11的详细结构和Mode3中的动作的图。
图17是表示实施方式2中的开关电容分压电路11的详细结构和Mode2中的动作的图。
图18是表示实施方式2中的开关电容分压电路11的详细结构和Mode1.5中的动作的图。
图19是表示实施方式2中的开关电容分压电路11的详细结构和Mode1中的动作的图。
图20是实施方式3的预充电电路10的概要电路图。
图21是表示实施方式3中电容器C0的两端电压VC的变化的图。
图22是表示实施方式4的开关电容分压电路11的控制电路例的图。
图23是表示实施方式4的开关电容分压电路11的控制电路的其它结构例的图。
图24是表示在开关电容分压电路11的开关频率fsw可变的情况下两端电压VC与电容器充电电流IC的随时间变化的图。
图25是表示开关频率fsw以与图24不同的方式变化的情况下的例子的图。
图26是表示开关频率fsw以与图24～图25不同的方式变化的情况下的例子的图。
图27是实施方式6的电动机驱动系统100的结构图。
图28是实施方式7的电动助力转向系统200的结构图。
图29是实施方式8的气囊系统300的结构图。
具体实施方式
<实施方式1>
图1是本发明的实施方式1的预充电电路10的概要电路图。预充电电路10包括开关电容分压电路11、控制器12、开关SW0。在此为了说明预充电电路10的概念，仅表示电路整体的概要，针对详细的电路图在后述的图5之后说明。
电池电压VB为从发电机或蓄电池供应的电压。控制器12控制开关电容分压电路11和开关SW0。开关SW0为切换是否直接将蓄电池电压VB供应到负载的开关。开关电容分压电路11通过在与电容器C0之间分担蓄电池电压VB进行分压。由此，能够使电容器C0的两端电压VC不急剧增大而缓慢地对电容器C0充电。
具体地，电源接通时断开开关SW0，开关电容分压电路11分担电源电压VB并施加到电容器C0。开关电容分压电路11随着电容器C0中电荷蓄积而改变分压比，阶段地逐渐施加高电压。在电容器C0中蓄积了电荷并且两端电压接近VB时，闭合开关SW0。
图2是开关电容分压电路11仅配备一个分压用电容器（C1）时的概要电路图。省略了控制器12。以下相同。在具有一个分压用电容器的情况下，施加到电容器C0两端的电压可在VB/2与VB两阶段中切换。
图3是表示切换施加到电容器C0两端的电压的变化情况的图。将电容器C0的两端电压为VB/2的状态称为Mode2，将两端电压为VB的状态称为Mode1。图3的阴影部分表示相当于损耗（发热）的区域。
图4是表示Mode1和Mode2各自中的电容器C0两端电压VC的变化的图。在各Mode中，电容器C0的两端电压VC趋向各Mode中的渐近值。以下针对各Mode的渐近值进行说明。
图5是表示Mode2中电容器C0与分压用电容器C1的连接方式的图。控制器12在Mode2中交替地反复电容器C0与分压用电容器C1串联连接的状态和并联连接的状态。由此将蓄电池单元VB分压为VB/2。
实际上如图4所示，观测到两端电压VC趋向VB/2，严格上并不是产生VB/2电压。但如果改变角度，在分压用电容器C1与电容器C0串联连接的状态下从电源供应的电荷q被变换成分压用电容器C1与电容器C0并联连接的状态下的2倍的2q，根据能量守恒定律可认为等价于将蓄电池电压VB分压为VB/2。
令分压用电容器C1的两端电压为VC1，则图5的左侧状态下的各两端电压可从以下式1～式2求得。
VC＝C0×VB/（C0＋C1）……（式1）
VC1＝C1×VB/（C0＋C1）……（式2）
令此时储存在电容器C0和分压用电容器C1中的电荷分别为q0、q1，令图5右侧状态时储存在电容器C0和分压用电容器C1中的电荷的合计为qall，则得到以下式3。
qall＝q0＋q1
＝C0×C1×VB/（C0＋C1）＋C0×C1×VB/（C0＋C1）
＝2×C0×C1×VB/（C0＋C1）……（式3）
令此时的电容器C0和分压用电容器C1两端电压为Vall（1），则得到以下式4。
Vall（1）＝qall/（C0＋C1）
＝2×C0×C1×VB/（C0＋C1）2……（式4）
令反复图5左侧的状态和右侧的状态k次后的电容器C0和分压用电容器C1两端电压为Vall（k），则可如下所示地近似。
Vall（k＋1）
＝Vall（k）＋Δqall/（C0＋C1）
＝Vall（k）＋2×C0×C1×（VB－2×Vall（k））/（C0＋C1）2
在此，若令k→∞，由于Vall（∞）收敛，因此Δqall→0。因此，VB－2×Vall（k）→0，即，Vall（∞）收敛为VB/2。
图6是表示Mode1中电容器C0与分压用电容器C1的连接方式的图。图6左侧状态中，闭合开关SW1将分压用电容器C1连结到电源侧，并且断开开关SW2将电容器C0从电源切断。图6右侧状态中，断开开关SW1将各电容器从电源切断，闭合开关SW2使分压用电容器C1和电容器C0并联连接。在该状态下，储存在分压用电容器C1的电荷移动到电容器C0。
通过反复图6左侧和右侧的状态，能够实现与模拟滤波器等中使用的狭义的开关电容相同的动作。令该动作的开关频率为f，则开关电容分压电路11等价于电阻R＝1/（fC1）
通过使用图5～图6中说明的Mode2和Mode1，如图4中所示，电容器C0的两端电压VC首先在Mode2中趋近VB/2，接着在Mode1中趋近VB。若从微观观察两端电压VC的电压变化曲线，如图4的放大圆内所示，随着开关动作而阶段状地上升。
图7是表示开关电容分压电路11的详细结构与Mode2中的动作的图。图7左侧和右侧的状态分别对应图5左侧和右侧的状态。图7左侧的状态中，闭合开关SW1和SW4，断开开关SW2和SW3，使分压用电容器C1和电容器C0串联连接。图7右侧的状态中，闭合开关SW2和SW3，断开开关SW1和SW4，使分压用电容器C1和电容器C0并联连接。反复执行该动作，实现Mode2的动作。
图8是表示开关电容分压电路11的详细结构与Mode1中的动作的图。图8左侧和右侧的状态分别对应图6左侧和右侧的状态。图8左侧的状态中，闭合开关SW1和SW3，断开开关SW2和SW4，将从电源（VB）供应的电荷储存到分压用电容器C1。图8右侧的状态中，闭合开关SW2和SW3，断开开关SW1和SW4，将储存在分压用电容器C1的电荷转移到电容器C0。反复地执行该动作，实现Mode1的动作。
<实施方式1：总结>
如上，本实施方式1的预充电电路10利用开关电容分压电路11对电池电压VB进行分压，能够缓慢地将电荷储存到电容器C0中。由此能够实现软启动预充电电路。
具体地，由于通过开关电容分压电路11能够缓和电容器C0的两端电压VC与施加电压之间的电位差，因此能够减少预充电电路10中的损耗（发热）。
此外，本实施方式1的预充电电路10通过在Mode1与Mode2之间切换分压用电容器C1与电容器C0之间的连接方式，来在VB/2和VB两阶段之间切换电容器C0的两端电压VC。由此能够将预充电电路10中的损耗（发热）减少为1/2。
此外，作为抑制电容器C0两端电压的方法，从减少损耗的角度可考虑使用斩波器的方法或通过开关电容进行分压的方法。通过如本发明使用开关电容分压电路11，由于不需要扼流线圈，可认为本发明的方法特别地适用于低电力的用途。
<实施方式2>
图9是实施方式2的预充电电路10的概要电路图。本实施方式2中的预充电电路10配备两个分压用电容器（C1和C2）。在具有两个分压用电容器的情况下，可实现分压比为1/3的Mode3、分压比为1/2的Mode2、分压比为1的Mode1。进一步地通过调整电容器的组合，还能够实现分压比为2/3的Mode1.5。
图10是表示本实施方式2中切换施加到电容器C0两端的电压的变化情况的图。本实施方式2中，能够使两端电压VC在四阶段中变化。
图11是表示Mode3中电容器C0与分压用电容器的连接方式的图。控制器12在Mode3中交替地反复电容器C0与分压用电容器（C1和C2）串联连接的状态和这三个电容器相互并联连接的状态。由此将电池电压VB分压为VB/3。
图12是表示Mode2中电容器C0与分压用电容器的连接方式的图。控制器12在Mode2中交替地反复电容器C0与分压用电容器（C1和C2）串联连接的状态和这三个电容器相互并联连接的状态。在图12左侧的状态中，分压用电容器C1与C2并联连接。由此将电池电压VB分压为VB/2。
图13是表示Mode1.5中电容器C0与分压用电容器的连接方式的图。控制器12在Mode1.5中交替地反复电容器C0与分压用电容器（C1和C2）串联连接的状态和这三个电容器相互并联连接的状态。在图13左侧的状态中，分压用电容器C1与C2并联连接。在图13右侧的状态中，分压用电容器C1与C2串联连接，进一步地这两个分压用电容器与电容器C0并联连接。由此将电池电压分压VB为2VB/3。
图14是表示Mode1中电容器C0与分压用电容器的连接方式的图。控制器12在Mode1中交替地反复将电容器C0从电源切断并且分压用电容器C1与C2并联连接的状态和这三个电容器相互并联连接的状态。由此将电池电压VB分压为VB/2。
图15是表示本实施方式2中电容器C0的两端电压VC的变化的图。如图15所示，通过本实施方式2，使得两端电压VC从低电压缓慢地上升到高电压，由此能够减少预充电电路10中的损耗（发热）。
图16是表示本实施方式2中的开关电容分压电路11的详细结构和Mode3中的动作的图。图16左侧和右侧的状态分别对应图11左侧和右侧的状态。图16左侧的状态中，闭合开关SW1、SW5、SW9，断开开关SW2、SW3、SW4、SW6、SW7、SW8，使分压用电容器（C1和C2）与电容器C0串联连接。图16右侧的状态中，闭合开关SW2、SW6、SW7、SW8，断开开关SW1、SW3、SW4、SW5、SW9，使各电容器并联连接。反复执行该动作，实现Mode3的动作。
图17是表示本实施方式2中的开关电容分压电路11的详细结构和Mode2中的动作的图。图17左侧和右侧的状态分别对应图12左侧和右侧的状态。图17左侧的状态中，闭合开关SW1、SW3、SW4、SW9，断开开关SW2、SW5、SW6、SW7、SW8，使分压用电容器C1和C2并联连接构成的合成电容与电容器C0串联连接。图17右侧的状态中，闭合开关SW2、SW6、SW7、SW8，断开开关SW1、SW3、SW4、SW5、SW9，使各电容器并联连接。反复执行该动作，实现Mode2的动作。
图18是表示实施方式2中的开关电容分压电路11的详细结构和Mode1.5中的动作的图。图18左侧和右侧的状态分别对应图13左侧和右侧的状态。图18左侧的状态中，闭合开关SW1、SW3、SW4、SW9，断开开关SW2、SW5、SW6、SW7、SW8，使分压用电容器C1和C2并联连接构成的合成电容与电容器C0串联连接。图18右侧的状态中，闭合开关SW2、SW5、SW8，断开开关SW1、SW3、SW4、SW6、SW7、SW9，使分压用电容器C1和C2串联连接，进一步地使这两个分压用电容器与电容器C0并联连接。反复执行该动作，实现Mode1.5的动作。
图19是表示实施方式2中的开关电容分压电路11的详细结构和Mode1中的动作的图。图19左侧和右侧的状态分别对应图14左侧和右侧的状态。图19左侧的状态中，闭合开关SW1、SW4、SW7、SW8，断开开关SW2、SW3、SW5、SW6、SW9，将电容器C0从电源切断并使分压用电容器C1和C2并联连接。图19右侧的状态中，闭合开关SW2、SW6、SW7、SW8，断开开关SW1、SW3、SW4、SW5、SW9，使各电容器并联连接。反复执行该动作，实现Mode1的动作。
<实施方式2：总结>
如上，本实施方式2的预充电电路10具备两个分压用电容器，切换分压用电容器与电容器C0之间的连接方式以及分压用电容器相互之间的连接方式。由此实现四种动作模式，能够使两端电压VC在四个阶段中切换，缓慢上升。
<实施方式3>
图20是本发明的实施方式3的预充电电路10的概要电路图。如图20所示，通过反复如下三种状态能够实现将电池电压VB分压为VB/6的Mode6：（a）分压用电容器C1、C2与电容器C0串联连接的状态，（b）将分压用电容器C1的电荷转移到分压用电容器C2与电容器C0串联连接所得的合成电容的状态，（c）将分压用电容器C2的电荷转移到电容器C0的状态。
图21是表示实施方式3中电容器C0的两端电压VC的变化的图。如图21所示，通过在充电的开始阶段中实施Mode6，能够比实施方式2进一步地减少损耗（发热）。
<实施方式4>
图22是表示实施方式4的开关电容分压电路11的控制电路例的图。各开关的结构和动作与实施方式1～3相同。
在图22所示的电路例中，开关电容分压电路11配备定序器（sequencer）111、计数器112、时钟113。计数器112根据时钟113输出的基准时钟测量从电源接通经过的时间，经过规定的时间后将模式切换信号114（例如指示图21的Mode1～Mode6的切换的信号）输出到定序器111。定序器111根据模式切换信号114指定的模式接通关断开关组SWn。
图23是表示实施方式4的开关电容分压电路11的控制电路的其它结构例的图。在图23所示的电路例中配备电压检测器115代替计数器112。电压检测器115检测电容器C0的两端电压VC，在该电压达到规定值时向定序器111输出模式切换信号114。两端电压VC与储存在电容器C0中的电荷对应。
在图23中，电压检测器115也可测量分压用电容器的端子电压来替代电容器C0的两端电压。此时，电容器C0的两端电压VC可通过运算求出。同样地可测量分压用电容器中储存的电荷。
<实施方式4：总结>
如上，本实施方式4的预充电电路10以经过时间、分压用电容器或电容器C0的端子电压、分压用电容器或电容器C0中储存的电荷为基准来切换开关电容分压电路11的模式。以经过时间为基准的情况下，在从电源接通开始经过了规定时间后的时刻切换Mode。在以端子电压或储存电荷为基准的情况下，测量端子电压，进一步地根据需要使用各电容器的电容量计算储存电荷，在这些值达到规定值的时刻切换Mode。或者也可在电容器C0与分压用电容器各自储存的电荷的比达到规定比例时切换Mode。
图22所示的电路例中由于不需要电压检测器115，能够以更简单的电路构成预充电电路10。由此能够减少电路的故障率，提高可靠性。另一方面，图23所示的电路例中，即使在因VB或C0等常数变化而使两端电压VC与设计值不同的情况下，也能够按照变化来执行动作。
通过以上的实施方式1～4说明的预充电电路10由于能够减少预充电电路10中的损耗（发热），因此能够利用小型的LSI（ASIC，专用集成电路）等实现现有技术中利用大容量电阻器构成的电路。这种情况下，由于开关电容分压电路11能够集成到一片LSI中，因此能够使装置整体小型化。进一步地，分压用电容器可外置于LSI外或内置在LSI内。
<实施方式5>
图24是表示在开关电容分压电路11的开关频率fsw可变的情况下两端电压VC与电容器充电电流IC的随时间变化的图。预充电电路10的结构与实施方式1～4相同。图24表示充电电流IC的曲线中，开关频率fsw固定时的充电电流以虚线表示，可变时的充电电流以实线表示。
图24所示的例子中，在充电电流IC增大的各模式初始阶段中，控制器12降低开关频率fsw并且抑制充电电流IC。由此，能够抑制充电电流IC的峰值，防止发热集中。
图25是表示开关频率fsw以与图24不同的方式变化的情况下的例子的图。图25所示的例子中，在充电电流IC变小的各模式的后半提高开关频率fsw并且增大充电电流IC。由此，能够抑制充电电流IC的峰值，防止发热集中，并且在模式后半增大充电电流IC，缩短充电时间。
图26是表示开关频率fsw以与图24～图25不同的方式变化的情况下的例子的图。图26所示的例子中，在各模式的初始阶段降低开关频率fsw，之后缓慢升高。
除了图24～图26所示的例子之外，可在构成开关电容分压电路11的半导体元件中设置温度传感器，根据温度传感器检测到的温度来改变开关频率fsw。例如，控制器12在温度高时降低开关频率fsw，在温度降低时提高开关频率fsw，能够抑制充电电流IC并且抑制发热。
<实施方式6>
图27是本发明的实施方式6的电动机驱动系统100的结构图。电动机驱动系统100具有电动机驱动电路13和电动机14作为实施方式1～5中说明的预充电电路10的负载。控制开关电容分压电路11的控制器12可与控制电动机驱动电路13的控制器共用。
在电源接通时通过开关电容分压电路11向电容器C0充入电荷，在稳定工作时通过开关SW0向电容器C0充入电荷。在瞬时需要大能量时，存储在电容器C0中的能量通过电动机驱动电路13供应到电动机14。
<实施方式7>
图28是本发明的实施方式7的电动助力转向系统200的结构图。电动助力转向系统200具有电动机驱动电路13和电动机14作为实施方式1～5中说明的预充电电路10的负载。电动机14驱动电动助力转向系统200的操舵机构15。
操舵机构15由于瞬时地需要大电力，能够对使用本发明的预充电电路10进行充电的电容器C0进行有效的利用。
<实施方式8>
图29是实施方式8的气囊系统300的结构图。气囊系统300具有引爆器驱动电路16和引爆器17作为实施方式1～5中说明的预充电电路10的负载。
车辆发生碰撞等而受到冲击时，储存在电容器C0中的能量通过引爆器驱动电路16供应到引爆器17，可使引爆器17引发来使气囊膨胀。由于气囊17瞬间地需要大电力，能够对使用本发明的预充电电路10进行充电的电容器C0进行有效的利用。
符号说明
10：预充电电路、11：开关电容分压电路、12：控制器、13：电动机驱动电路、14：电动机、15：操舵机构、16：引爆器驱动电路、17：引爆器、100：电动机驱动系统、200：电动助力转向系统、300：气囊系统、C0：电容器、C1和C2：分压用电容器、SW0～SW9：开关。

Claims (13)

1.一种电容器预充电电路，是对与负载并联连接的电容器进行充电的电路，其特征在于，包括：
连接到所述电容器的分压电容器；和
交替地切换所述电容器连接到电源与否的开关，
所述开关还切换所述电容器与所述分压电容器并联连接或串联连接。
2.如权利要求1所述的电容器预充电电路，其特征在于：
包括多个所述分压电容器，
所述开关切换所述多个分压电容器相互之间的连接方式。
3.如权利要求2所述的电容器预充电电路，其特征在于：
所述开关对所述多个分压电容器中的至少任意两个的相互并联连接或串联连接进行切换。
4.如权利要求1所述的电容器预充电电路，其特征在于：
包括控制所述开关的动作的控制器，
所述控制器控制所述开关的动作，使得所述电容器的端子电压随着从接通电源时经过的时间而上升。
5.如权利要求1所述的电容器预充电电路，其特征在于：
包括控制所述开关的动作的控制器，
所述控制器控制所述开关的动作，使得表示所述电容器所分担的电压相对于电源电压的比例的分压比随着从接通电源时经过的时间而上升。
6.如权利要求1所述的电容器预充电电路，其特征在于：
包括控制所述开关的动作的控制器，
所述控制器控制所述开关的动作，使得表示向所述电容器供应的电荷量相对于从电源供应的电荷量的比例的电荷转换比随着从接通电源时经过的时间或随着所述电容器的端子电压的上升而上升。
7.如权利要求1所述的电容器预充电电路，其特征在于：
包括控制所述开关的动作的控制器，
所述控制器使得所述开关切换所述电容器连接到电源与否的频率在对所述电容器充电的期间改变。
8.如权利要求7所述的电容器预充电电路，其特征在于：
所述控制器使在所述开关切换所述电容器与所述分压电容器之间的连接方式后经过了规定时间时的所述频率，较之所述开关切换了所述电容器与所述分压电容器之间的连接方式时的所述频率高。
9.如权利要求7所述的电容器预充电电路，其特征在于：
所述控制器使得所述频率随着所述电容器预充电电路的温度升高而降低。
10.如权利要求1所述的电容器预充电电路，其特征在于：
所述开关由多个子开关构成，
所述多个子开关安装在同一半导体元件内。
11.一种电动机驱动系统，其特征在于，包括：
权利要求1所述的电容器预充电电路；和
与所述电容器并联连接的电动机驱动电路。
12.一种电动助力转向系统，其特征在于，包括：
权利要求1所述的电容器预充电电路；
与所述电容器并联连接的电动机驱动电路；
由所述电动机驱动电路驱动的电动机；和
由所述电动机驱动的转向机构。
13.一种气囊系统，其特征在于，包括：
权利要求1所述的电容器预充电电路；
与所述电容器并联连接的引爆器驱动电路；和
由所述引爆器驱动电路驱动的引爆器。
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