CN113472183B - 开关装置、开关电源装置及车辆 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及开关装置、开关电源装置及车辆，其以不使用浪涌电流防止电路的方式抑制切换电路中流动的浪涌电流的产生。开关装置具备：切换电路，具有切换继电器，对于与作为外部电源的多相交流电源的各相对应的多个电力转换电路中的、除与外部电源的特定相对应的特定电力转换电路以外的其他电力转换电路，该切换继电器能够将其他电力转换电路的连接目的地切换成与该其他电力转换电路对应的相或特定相；以及控制部，其在基于交流电压估计的所述交流电压进行零交叉的时刻，控制所述切换继电器的动作。

Description

开关装置、开关电源装置及车辆
技术领域
本发明涉及开关装置、开关电源装置及车辆。
背景技术
专利文献1公开了一种开关电源装置，其具备将交流电压转换为直流电压的多个电力转换电路。该开关电源装置具备：在与多个电力转换电路分别对应的交流电源的相和多个电力转换电路共用的相之间进行切换的切换电路。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2017-169350号公报
发明内容
发明要解决的问题
然而，在这种现有技术中，由于未考虑切换电路的切换时机，所以根据切换电路的切换时机不同，会在切换电路所具备的切换继电器的触点中流过浪涌电流，导致切换电路的可靠性降低。因此，在现有技术中，在抑制流过切换电路的浪涌电流的产生方面还有改进的余地。
本发明的非限制性的实施例有助于提供如下开关装置、开关电源装置及车辆，其以不使用浪涌电流防止电路的方式抑制切换电路中流动的浪涌电流的产生。
解决问题的方案
本发明的一实施例的开关装置具备：切换电路，具有切换继电器，对于与作为外部电源的多相交流电源的各相对应的多个电力转换电路中的、除与所述外部电源的特定相对应的特定电力转换电路以外的其他电力转换电路，所述切换继电器能够将所述其他电力转换电路的连接目的地切换成与该其他电力转换电路对应的相或所述特定相；以及控制部，其在基于交流电压估计的所述交流电压进行零交叉的时刻，控制所述切换继电器的动作。
本发明的一实施例的开关电源装置具备上述开关装置和多个所述电力转换电路。
本发明的一实施例的车辆具备上述开关电源装置。
发明效果
根据本发明的一实施例，能够构建以不使用浪涌电流防止电路的方式抑制切换电路中流动的浪涌电流的产生的开关装置、开关电源装置及车辆。
本发明的一实施例的进一步的优点及效果将通过说明书及附图予以阐明。上述优点和/或效果分别由若干个实施方式、以及说明书及附图中公开的特征提供，但未必需要为了获得一个或一个以上的同一特征的优点和/或效果而提供全部特征。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式的车辆的结构的图。
图2是表示本发明的实施方式的开关电源装置的结构例的图。
图3是用于说明开关电源装置的动作的图。
图4是用于说明本实施方式的通过开关装置控制切换继电器的方法的流程图。
图5是用于说明切换继电器的动作时序的时序图。
图6是用于说明在零交叉点附近将切换继电器切换时的效果的图。
附图标记说明
1-1 电容器
1-2 电容器
1-3 电容器
2 切换电路
2a 切换继电器
3-1 线圈
3-2 线圈
3-3 线圈
4-1 电力转换电路
4-2 电力转换电路
4-3 电力转换电路
5 噪声滤波器
10 开关装置
11 控制部
12 零交叉点检测部
100 开关电源装置
300 车辆
具体实施方式
下面，参照附图对本发明的适宜的实施方式进行详细说明。此外，在本说明书及附图中，对于实质上具有相同功能的构成要素，赋予相同的附图标记，而省略重复说明。
(实施方式)
图1是表示本发明的实施方式的车辆的结构的图。车辆300例如是小客车、卡车、公共汽车、摩托车等。车辆300包括：开关电源装置100、车载电池110、车载电器150、DCDC(Direct Current to Direct Current，直流-直流)转换器130、逆变器120以及电机140。
开关电源装置100是将从交流电源200供给的交流电转换为直流，并向车载电池110供给的电力转换装置。后面将描述开关电源装置100的结构的细节。此外，除了车辆300以外，开关电源装置100也可以设置在例如飞机、游戏设备、无中断电力转换电路等中。
交流电源200例如是搭载在快速充电设备上的电源、商业电源等。交流电源200是单相交流电源、两相交流电源、三相交流电源等。车载电池110是储存用于驱动搭载在车辆300上的行驶用电机(主电动机)、车载电器150等的电力的装置，例如是锂离子电池、镍氢电池等。车载电器150例如是导航、音频装置、空调、电动窗、除雾器、ECU(Electronic ControlUnit，电子控制单元)、GPS(Global Positioning System，全球定位系统)模块、车载摄像头等。逆变器120是将直流电压转换为交流电压并向主电动机进行供给的电力转换装置。
接着，参照图2说明开关电源装置100的结构例。图2是表示本发明的实施方式的开关电源装置的结构例的图。开关电源装置100具备开关装置10、多个电力转换电路4-1、4-2、4-3以及控制部11。以下，在不区分多个电力转换电路4-1、4-2、4-3的情况下，将其统称为“电力转换电路4”。
开关装置10具备切换电路2和多个噪声滤波器5-1、5-2、5-3。以下，在不区分多个噪声滤波器5-1、5-2、5-3的情况下，将其统称为“噪声滤波器5”。在与多个电力转换电路4-1、4-2、4-3分别对应的各个相，设置有噪声滤波器5。噪音滤波器5是用于抑制噪声从交流电源200进入电力转换电路4以及噪声从电力转换电路4流出到交流电源200的噪声去除单元。
在电源线L1上设置的噪声滤波器5-1具备电容器1-1和线圈3-1。电源线L1是在交流电源200为单相交流电源时流动单相电流，在交流电源200为三相交流电源时流动例如U相(第一相)电流的电线。在电源线L2上设置的噪声滤波器5-2具备电容器1-2和线圈3-2。电源线L2是在交流电源200为单相交流电源时流动单相电流，在交流电源200为三相交流电源时流动例如V相(第二相)电流的电线。在电源线L3上设置的噪声滤波器5-3具备电容器1-3和线圈3-3。电源线L3是在交流电源200为三相交流电源时，流动例如W相(第三相)电流的电线。作为中性线的电源线N从交流电源200延伸到各电力转换电路4。
以下，在不区分电容器1-1、1-2、1-3的情况下，将其统称为“电容器1”；在不区分线圈3-1、3-2、3-3的情况下，将其统称为“线圈3”。电容器1是X电容器、Y电容器等。线圈3是共模扼流圈(common mode choke coil)、常模扼流圈(normal mode choke coil)等。线圈3例如设置于切换电路2的电力转换电路4侧。
此外，线圈3的设置位置不限于图示的例子，也可以设置于切换电路2的交流电源200侧。但是，在将线圈3设置于切换电路2的交流电源200侧的情况下，当切换电路2的切换继电器2a处于连接交流电源200的电源线L1与电力转换电路4-2的模式时，流经该线圈3-1的电流的额定电流需为在将线圈3设置于切换电路2的电力转换电路4侧时流过线圈3-1的电流的两倍。因此，在将线圈3设置于切换电路2的交流电源200侧时，线圈3的额定值变大，因线圈3的铁损及铜损而产生的热会随之增加。另外，线圈3的铁损导致电力损失增加。因此，优选地，线圈3设置于切换电路2的电力转换电路4侧。
切换电路2是将向多个电力转换电路4供给交流电流的交流电源200的相，在与多个电力转换电路4分别对应的相和多个电力转换电路4共用的相之间进行切换的切换单元。
切换电路2例如具备切换继电器2a、线圈2b及驱动电路2c。驱动电路2c将从控制部11输入的控制信号放大到可以驱动切换继电器2a的值，并施加到线圈2b。
控制信号是指示切换继电器2a的连接状态的信号，例如是可取高电平或低电平，即可取二值的矩形波信号。通过将由驱动电路2c放大后的信号施加到线圈2b，切换继电器2a在连接到电源线L1的状态和连接到电源线L2的状态之间进行切换。此外，切换电路2不限于机械式的切换单元，也可以由半导体开关元件构成。
电力转换电路4例如具备：将交流电压转换为直流电压的ACDC(AlternatingCurrent to Direct Current，交流-直流)转换器、和将该直流电压转换为规定值的电压的DCDC转换器。此外，电力转换电路4不限于具备ACDC转换器和DCDC转换器这二者的电路，也可以仅具备ACDC转换器。
控制部11具备：零交叉点检测部12，其检测交流电压的零交叉时间点即零交叉点(Zero-Crossing Point,ZCP)；以及控制信号生成部13，其生成用于驱动切换继电器2a的控制信号。
接着，参照图2和图3说明开关电源装置100的动作。图3是用于说明开关电源装置的动作的图。在交流电源200为单相交流电源时，如图3所示，通过使切换继电器2a与电源线L1连接，在电源线L1中流动的单相交流电流在切换电路2处被分配到线圈3-1和线圈3-2，并被提供给电力转换电路4-1和电力转换电路4-2。由此，即使在交流电源200为单相交流电源时，也因能够利用多个额定容量小的电力转换电路4而能够增大开关电源装置100整体的额定容量。
另外，在交流电源200为三相交流电源时，如图2所示，通过使切换继电器2a与电源线L2连接，流过电源线L1的第一相交流电流和流过电源线L2的第二相交流电流被分别提供给电力转换电路4-1和电力转换电路4-2。由此，能够利用多个电力转换电路4进一步增大开关电源装置100整体的额定容量。
然而，在将交流电源的峰值附近的电压施加于开关电源装置100的时间点，例如，如果使切换继电器2a与电源线L1或电源线L2接触，则也有可能在切换继电器的触点处流动浪涌电流(过电流)，导致该触点磨损或断裂。
若作为用于防止这种过电流的方法而设置浪涌电流防止电路，则浪涌电流防止电路不仅阻碍开关装置10的小型化，而且还会增加开关装置10的制造成本。加之，构成开关装置10的部件数量增加，由此可能使结构复杂化，进而使可靠性降低，因此是不优选的。
本实施方式的开关装置10构成为，通过在交流电压的零交叉时间点附近进行使切换继电器2a与电源线L1或电源线L2接触的控制，从而以不追加浪涌电流防止电路的方式防止继电器2a的磨损等。下面，参照图4等说明在交流电压的零交叉时间点附近使切换继电器2a与电源线L1或电源线L2接触的动作。
图4是用于说明本实施方式的通过开关装置控制切换继电器的方法的流程图。
控制信号生成部13输入电压信息，并基于电压信息测量交流电压的有效值和频率，该电压信息是表示由图中未示出的电压检测单元检测到的交流电压的值的信息，(步骤S1)。
接着，控制信号生成部13使用交流电压的有效值等，根据式(1)计算相位角θ[°](步骤S2)。相位角是交流电压与由零交叉点检测部12检测到的交流电压之间的相位差。式(1)的Vth可由式(2)计算。式(1)中的V_ATTpeak可由式(3)计算。Vth是被与检测ZCP的交流电压进行比较的模拟参考电压(阈值)。由于交流电压因规格不同而不同，因此设置约为交流电压的几十分之一的模拟参考电压(阈值)。V_ATTpeak是将交流电压的峰值模拟转换得到的值。Vrms是交流电压的有效值。Voh是比较器的电源电压。常数a是用于将有效值转换为比较值的修正系数。常数b是用于将电源电压转换为比较值的修正系数。常数c是用于将交流电压转换为V_ATTpeak的修正系数。
Vth＝{(a×Vrms)+(b×VOH)}×10-3 …式(2)
控制信号生成部13使用相位角，根据式(4)计算检测延迟时间(ZCP_Delay)(步骤S3)。f是交流电源的频率。检测延迟时间是从交流电压进行零交叉起至零交叉点检测部12检测到零交叉点为止所需的时间。产生检测延迟时间的原因是，零交叉点检测部12在检测交流电压的零交叉点的过程中执行用于获得交流电压的平均值等的滤波处理，从而使得在从交流电压进行了零交叉的时刻起至零交叉点检测部12检测到零交叉点的时刻为止的期间发生时间滞后。
控制信号生成部13根据式(5)计算用于使切换继电器2a动作的控制信号的输出时间点(SWrelayEN)，并在计算出的输出时间点，例如将控制信号的输出从高电平切换成低电平(步骤S4)。
SW relay EN＝ZCPdetect-(ZCP_Delay+SW_R_delay) …式(5)
式(5)中的“ZCPdetect”表示零交叉点检测部12检测到零交叉点的时刻，即，零交叉点检测时刻。
式(5)中的“SW_R_delay”是切换继电器2a的动作延迟时间。动作延迟时间例如是从控制信号输入到切换电路2的驱动电路2c的时刻起至切换继电器2a与电源线L1或电源线L2接触的时刻为止所需的时间。动作延迟时间因切换电路2的规格、切换电路2的制造公差等不同而变化。控制信号生成部13例如通过参照将多个切换电路2各自的规格与动作延迟时间相互关联得到的表格信息、将多个切换电路2各自的制造公差的平均值与动作延迟时间相互关联得到的表格信息等，读出与切换继电器2a的规格等对应的动作延迟时间，并设定到式(5)中。这些表格信息可以预先记录在开关装置10的存储装置中，也可以从开关装置10的外部设备(中心服务器等)分发。
此外，控制信号生成部13可以通过从零交叉点检测时刻仅减去检测延迟时间来计算控制信号的输出时间点。在使用以这种方式计算出的控制信号的输出时间点的情况下，也可以在零交叉点附近使电源线L1或电源线L2与切换继电器2a接触，所以可以减小浪涌电流造成的影响。
但是，通过从零交叉点检测时刻减去检测延迟时间和动作延迟时间这二者，可以补偿切换电路2的切换时间点，在更接近零交叉点的时间点使切换继电器2a接触电源线L1或电源线L2。由此，可以进一步减小浪涌电流造成的影响。因此，优选地，控制信号生成部13构成为，从零交叉点检测时刻减去检测延迟时间和动作延迟时间这二者。
接着，参照图5详细说明切换继电器2a的动作时间点。图5是用于说明切换继电器的动作时间点的时序图。图5示出了电源线L1的交流电压、零交叉点检测部12检测到的电源线L1的零交叉点检测时间点、控制信号的状态、突跳起动指令的状态、切换继电器2a的动作状态、控制部11的动作状态。横轴表示时间。
例如，在接通开关电源装置100的电源的时刻t1之后，控制信号生成部13在测量交流电压的电压值和频率的同时等待相位切换指令。相位切换指令例如是从安装在车载设备中的相位切换应用程序输入的指令。
当在时刻t2输入了相位切换指令时，控制信号生成部13等待规定时间，直到交流电源的有效值稳定为止。该等待时间例如是1[秒]。
控制信号生成部13在等待时间过去之后的时刻t3，开始上述检测延迟时间的运算。此外，关于检测延迟时间的运算次数，可以根据交流电源200的规格、构成控制部11的处理器的规格等适当地设置。
在从时刻t3起经过了一定时间后的时刻t4，控制部11将突跳起动指令设定为有效状态(例如低电平)。突跳起动指令是决定是否使控制信号生成部13的控制信号输出有效的信号。此外，至少在从时刻t5起至经过上述检测延迟时间为止的期间，将突跳起动指令维持在有效状态。突跳起动的功能如下：当将切换继电器2a切换时，在线圈之间施加高于通常的电压，从而使得能够承受切换的能量。
结束了检测延迟时间的运算的控制信号生成部13，在根据式(5)计算的输出时间点即时刻t5，将控制信号的输出从高电平切换到低电平。由此，在从时刻t5起经过了一定时间的时刻t6，切换继电器2a与电源线L1或电源线L2接触。如图5所示，可以看出，由于时刻t6是交流电压的零交叉点附近的时刻，所以继电器2a在交流电压的零交叉点附近被切换。
图6是用于说明在零交叉点附近将切换继电器切换时的效果的图。图6示出了施加到电源线L1的交流电压的波形(L1电压)、施加到电源线L2的交流电压的波形(L2电压)以及流过电源线L2的浪涌电流(L2电流)。L2电流是随着切换继电器2a的切换而流动的过电流。
图6的上部示出了在从零交叉点经过了例如几毫秒的时刻，将切换继电器2a切换时流动的浪涌电流的波形。图6的下部示出了在零交叉点附近将切换继电器2a切换时流动的浪涌电流的波形。
本实施方式的控制部11基于交流电压计算从交流电压进行零交叉起至控制部11检测出交流电压的零交叉为止所需的检测延迟时间。然后，控制部11使用该检测延迟时间，对控制部11检测到交流电压的零交叉点的零交叉点检测时刻进行修正，并在修正后的零交叉点检测时刻控制切换继电器2a的动作。由此，可以在零交叉点附近将切换继电器2a切换，无须使用浪涌电流防止电路就可以抑制浪涌电流的产生。
此外，在本实施方式中，说明了对一条电源线分别设置一个电容器1和一个线圈3的结构的例子，但是也可以对一条电源线设置多个电容器1和多个线圈3。例如，可以将由电容器1和线圈3而成的组在切换电路2的交流电源200侧设置一组或多组，且将其在切换电路2的电力转换电路4侧设置一组或多组。由此，能够进一步抑制噪声的进入和噪声的流出。
另外，在对一条电源线设置多个由电容器1和线圈3而成的组时，优选地，将多个线圈3全部设置于切换电路2的电力转换电路4侧。通过这样构成，与在切换电路2的交流电源200侧设置线圈3时相比，能够抑制因线圈3产生的电力损失。通过在开关电源装置100中设置以上述方式构成的开关装置10，能够实现在提高电力转换效率的同时对噪声具有鲁棒性的开关电源装置100。
如上所述，本实施方式的开关装置10具备：切换电路，具有切换继电器，对于与作为外部电源的多相交流电源的各相对应的多个电力转换电路中的、除与外部电源的特定相对应的特定电力转换电路以外的其他电力转换电路，该切换继电器能够将其他电力转换电路的连接目的地切换成与该其他电力转换电路对应的相或特定相；以及控制部，其在基于交流电压估计的交流电压进行零交叉的时刻，控制所述切换继电器的动作。
根据这种结构，即使在从交流电压进行了零交叉的时刻起至检测出零交叉点为止的期间存在检测延迟时间，也可以通过对检测到零交叉的时刻进行修正，在零交叉点附近将切换继电器切换。由此，例如，可以防止切换电路在如下时间点动作：向开关电源装置施加交流电源的峰值附近的电压的时间点。因此，无须使用浪涌电流防止电路，就可以防止由于浪涌电流流动而导致的切换继电器的触点的磨损。
虽然上面参照附图描述了各种实施方式，但是不言而喻，本发明不限于这样的示例。显然，只要是本领域技术人员，就可以在权利要求书记载的范畴内想出各种变更例或修改例，可以明确它们当然也属于本发明的技术范围。另外，在不脱离发明的要点的范围内，上述实施方式中的各构成要素可以被任意组合。
以上，对本发明的具体例进行了详细说明，但是这些不过是例示，并非对权利要求书进行限定。权利要求书中公开的技术包括对以上例示的具体例进行的各种变形、变更。
工业实用性
本发明的一个实施例适合用于停车辅助装置、停车辅助系统。

Claims (7)

1.一种开关装置，其特征在于，具备：
切换电路，具有切换继电器，对于与作为外部电源的多相交流电源的各相对应的多个电力转换电路中的、除与所述外部电源的特定相对应的特定电力转换电路以外的其他电力转换电路，所述切换继电器能够将所述其他电力转换电路的连接目的地切换成与该其他电力转换电路对应的相或所述特定相；以及
控制部，其在基于交流电压估计的所述交流电压进行零交叉的时刻，控制所述切换继电器的动作，
其中，所述控制部基于所述交流电压，计算从所述交流电压进行零交叉起至所述控制部检测出所述交流电压的零交叉点为止所需的检测延迟时间，使用该检测延迟时间对所述控制部检测到所述交流电压的零交叉点的零交叉点检测时刻进行修正，并在修正后的零交叉点检测时刻控制所述切换继电器的动作。
2.如权利要求1所述的开关装置，其中，
所述控制部除了使用所述检测延迟时间以外，还使用所述切换继电器的动作延迟时间来修正所述零交叉点检测时刻。
3.如权利要求1所述的开关装置，其中，
还具备噪声滤波器，该噪声滤波器具有去除噪声的电容器和线圈，
所述线圈设置于所述切换电路的所述电力转换电路侧。
4.如权利要求3所述的开关装置，其中，
所述噪声滤波器具备多个所述电容器和多个所述线圈，
多个所述线圈全部设置于所述切换电路的所述电力转换电路侧。
5.如权利要求3所述的开关装置，其中，
所述线圈是共模扼流圈或常模扼流圈。
6.一种开关电源装置，其特征在于，具备：
权利要求1所述的开关装置；以及
多个所述电力转换电路。
7.一种车辆，其特征在于，具备权利要求6所述的开关电源装置。
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