CN1981426A - 电源装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种电源装置。该电源装置可取出单相三线式输出，能够最大限度利用发电机的输出能力并大幅减少部件数量。在DC变换部(2)上对发电机(1)的输出进行整流。在DC－DC变换部(3)上对DC变换部(2)的输出进行电压调整，进而在DC－AC变换部(4)上变换为规定频率的AC输出。DC－AC变换部(4)包括：中点变换部(4－1)，其用于形成从DC－DC变换部(3)输出的直流电压的中点；逆变器(4－2)；以及滤波器(4－3)，该电源装置将单相三线式输出向输出线(5－1～5－5)输出。

Description

电源装置
技术领域
本发明涉及电源装置，尤其涉及以由发动机驱动的发电机等为电源、能够取出单相三线式输出的电源装置。
背景技术
发动机驱动式发电机等发电装置，作为从携带使用到紧急时用的各种用途的电源装置得到普及。这种电源装置具有结构规模小的特点，但为了能够适应各种负载，能够取出单相三线式输出的要求也随之提高。
图5是现有的能够取出单相三线式输出的电源装置的功能框图。如图所示，电源装置具备由发动机驱动的发电机1。在发电机1的定子上分别独立地卷绕2系统的输出线圈1-1、1-1’。输出线圈1-1、1-1’的输出分别被由整流电路构成的DC变换部2、2’整流，进而通过由DC-DC变换器构成的DC-DC变换部3、3’进行电压调节，供给至DC-AC变换部4、4’。有时也把DC变换部和DC-DC变换器汇集起来构成兼作整流电路的晶闸管式调节器。DC-AC变换部4、4’分别包括逆变器(inverter)，将DC-DC变换部3、3’的DC输出进行DC-AC变换，输出规定频率的AC输出。
在DC-AC变换部4、4’的输出侧，各线5-1、5-2、5-3、5-4的单侧线5-2和5-3结合成为共同线5-5。作为单相三线式输出，可以从共同线5-5和线间5-1或者5-5和5-4之间取出AC100V，并可从线5-1和5-4之间取出AC200V。这样的电源装置记载于专利文献1中。
专利文献1：日本特开2000-209872号公报
根据上述现有的电源装置，能够使用便携式或可搬运型的小型发电机容易地取出单相三线式输出。但是在该电源装置中，独立设置2系统的输出线圈，并且在对其输出分别独立地进行DC变换、DC-DC变换和DC-AC变换后再结合，因此导致在仅使用共同线和其它线之间的单侧的一个输出，例如仅使用AC100V时，能够取出的最大输出被限制为发电机全部输出能力的一半程度。
另外，由于从发电机的输出线圈到DC-AC变换部的输出电路必须为2系统，从而引起以逆变器为首的大量电路部件的数量增加，部件数量的增加使得成本上升以及电路结构复杂化难以避免。
发明内容
本发明的目的在于解决上述问题，在能够取出单相三线式输出的电源装置中，能最大限度地利用发电机的输出能力，并能大幅减少部件数量。
为了解决上述问题，本发明的电源装置具有逆变器，该逆变器将直流电源输出变换为规定频率的交流电而输出，所述电源装置的第一特征在于，所述电源装置设置有DC-DC变换器，该DC-DC变换器对所述直流电源输出进行开关、调整为规定电压并供给所述逆变器，并且在所述DC-DC变换器的输出侧设置有中点变换单元，该中点变换单元用于形成从所述DC-DC变换器输出的直流电压的中点。
本发明的第二特征在于，所述中点变换单元由为了形成从所述DC-DC变换器输出的直流电压的1/2中点而被开关驱动的开关电路构成。
本发明的第三特征在于，所述开关电路由彼此串联连接的一组开关元件构成，所述一组开关元件被交替地开关驱动。
本发明的第四特征在于，所述DC-DC变换器为升压型DC-DC变换器。
根据本发明的第一特征，在使用共同线和其它线之间的单侧的一个输出时，也能够取出与发电机的全部输出能力相称的最大输出。另外，由于从发电机的输出线圈到逆变器的输出电路能够构成为1系统，从而能够大幅减少部件数量。
根据第二特征，由于利用开关电路的开关动作，形成从DC-DC变换器输出的直流电压的1/2中点，从而能够简单地形成中点。
根据第三特征，开关电路由彼此串联连接的一组开关元件构成，交替地开关驱动这些开关元件，形成从DC-DC变换器输出的直流电压的1/2中点，从而能够简单地形成中点。并且，对一组的开关元件只要交替地开关驱动以使输出的平均电压实质上成为1/2即可，不必同步于逆变器的驱动，容易进行该驱动。当然也可以同步于逆变器的驱动。
根据第四特征，能够利用DC-DC变换器容易且充足地形成为了从逆变器的输出侧取出单相三线式输出而必须向其输入侧供给的电压，因此不必使发电机或整流电路为高电压规格。并且也可以根据需要来选择高电压/低电流、低电压/大电流的规格。
附图说明
图1是表示本发明涉及的电源装置的功能框图。
图2是表示DC-DC变换部和DC-AC变换部的具体例的电路图。
图3是表示图2的动作的时序图。
图4是表示本发明涉及的电源装置的具体电路的一例的电路图。
图5是现有的电源装置的功能框图。
标号说明
1发电机；1-1、1-1’输出线圈；2、2’DC变换部(驱动用逆变器)；2-1～2-6、3-1、4-1-1、4-1-2、4-2-1～4-2-4、6-2-1～6-2-4、6-3-1～6-3-4 MOSFET；3、3’DC-DC变换部；4、4’DC-AC变换部；4-1中点变换部；4-2逆变器；4-3滤波器；5-1～5-5输出线；6双向DC-DC变换器；6-1变压器；6-1-1低压侧线圈；6-1-2高压侧线圈；6-2低压侧开关部；6-3高压侧开关部；6-4 LC谐振电路；7电池；C1～C6电容器；L1～L4线圈；D1二极管。
具体实施方式
以下参照附图对本发明进行详细说明。图1是表示本发明涉及的电源装置的功能框图。对图1中与图5相同或等同的部分标注相同编号。在图1中，发电机1例如由三相的多极磁铁发电机构成。发电机1具有卷绕于定子上的1系统的输出线圈1-1。
DC变换部2具有桥接的整流元件，作为对发电机1的输出进行整流的整流电路发挥作用。DC-DC变换部3由DC-DC变换器构成，调整DC变换部2的输出电压，供给至下级的DC-AC变换部4。
为了在DC-AC变换部4的输出侧获得规定的AC电压峰值，DC-AC变换部4的输入电压必须大于等于单相三线式的输出电压，DC-DC变换部3调整DC变换部2的输出电压，输出DC-AC变换部4的输入侧所需的电压。由于发电机1或DC变换部2不必为高电压规格，因此构成DC-DC变换部3的DC-DC变换器可以是升压型DC-DC变换器。
DC-AC变换部4将DC-DC变换部3的输出变换为规定频率的AC电力并输出。DC-AC变换部4构成为包括：中点变换部，其用于形成从DC-DC变换部3输出的DC电压的中点；逆变器以及滤波器。从DC-AC变换部4的输出侧能取出单相三线式输出，例如从线5-5和5-1之间以及5-5和5-4之间能够取出AC100V，从线5-1和5-4之间能够取出AC200V。
图2是表示DC-DC变换部3和DC-AC变换部4的具体例的电路图。另外，与图1相同或等同的部分标记相同编号。
DC-DC变换部3具有电容器C1、C2；扼流圈(choke coil)L1；MOSFET 3-1和二极管D1。当MOSFET 3-1导通时该DC-DC变换部3在扼流圈L1中储存能量，储存的能量在MOSFET 3-1截止时放出到输出侧，从而作为进行升压的升压型DC-DC变换器发挥作用。通过对MOSFET 3-1的导通期间进行PWM调制，而调整输出的DC电压。当DC变换部2输出例如DC200V时，DC-DC变换部3输出DC320V，作为为了从线5-1和5-4之间取出AC200V所需的DC-AC变换部4的充足的输入。
DC-AC变换部4构成为包括：中点变换部4-1，其用于形成从DC-DC变换部3输出的直流电压的中点；逆变器4-2；以及滤波器4-3。
中点变换部4-1构成为包括：在DC-DC变换部3的输出线之间串联连接的一组MOSFET 4-1-1、4-1-2，并且从两者的连接点引出用于形成中点的输出线。如果例如以1/2占空比来交替地对MOSFET 4-1-1、4-1-2进行导通驱动，使输出的实质平均电压为1/2，则能够形成DC-DC变换部3的输出电压的1/2中点。
逆变器4-2构成为将四个MOSFET 4-2-1～4-2-4桥接。并且该驱动能够像公知的方法那样，交替地使MOSFET4-2-1和4-2-4组成的对、以及4-2-2和4-2-3组成的对导通、截止来进行。
滤波器4-3由电容器C3、C4和线圈L2～L4构成，并与中点变换部4-1和逆变器4-2的输出侧连接。滤波器4-3使中点变换部4-1和逆变器4-2的输出平滑化，并输出单相三线式输出。例如向线5-5和5-1之间以及5-5和5-4之间输出AC100V，向线5-1和5-4之间输出AC200V。
图3是表示以上动作的时序图。如图3(a)、(b)所示，使逆变器4-2的MOSFET4-2-1和4-2-4组成的对、以及4-2-2和4-2-3组成的对交替地导通、截止，若对其导通期间进行PWM调制，则能够如图3(c)所示向输出线5-1和5-4之间输出AC200V。
另外，如图3(d)、(e)所示，若以1/2占空比使中点变换部4-1的MOSFET 4-1-1、4-1-2交替地导通、截止，则能够使输出线5-5成为AC200V的中点。因此能够向输出线5-5和5-1之间以及5-5和5-4之间输出AC100V。并且，MOSFET 4-1-1、4-1-2的导通、截止不必同步于逆变器4-2的动作周期，只要进行驱动以使两者的导通、截止导致的输出的平均电压实质上为1/2，即能够在输出线5-5形成中点。
图4是表示本发明的电源装置的具体电路的一例的电路图，对与图2相同或等同的部分标注相同编号。三相发电机1与发动机连接，是由发动机驱动的发动机驱动式发电机，这里是也能够作为发动机起动用电动机工作的电动机兼用的发电机。
发电机1与发动机(未图示)连接。发电机1的输出侧与DC变换部2连接。DC变换部2具有桥接的整流元件，对发电机1的输出进行整流。另外，在DC变换部2的各整流元件上并联连接有MOSFET等开关元件2-1～2-6，这些开关元件构成驱动用逆变器，该驱动用逆变器通过这些开关元件的导通、截止、将DC电压变换为三相的AC电压而施加于发电机1。DC变换部3的整流元件可以是MOSFET的开关元件的寄生二极管，也可以是另外连接的正负接面二极管。
DC变换部2的输出侧与DC-DC变换部3连接。DC-DC变换部3的输出侧与DC-AC变换部4连接。DC-DC变换部3和D-AC变换部4与图2相同，因而省略说明。
DC变换部2和DC-DC变换部3的连接点与双向DC-DC逆变器6的二次侧连接，DC-DC变换器6的一次侧与例如由电池(12V)构成的电池7连接。
双向DC-DC变换器6使得在电池7与DC变换部2的输出之间双向地电力通融，包括变压器6-1，该变压器6-1具有一次侧的低压侧线圈6-1-1和二次侧的高压侧线圈6-1-2。该双向DC-DC变换器6的升压比由低压侧线圈6-1-1和高压侧线圈6-1-2的匝数比决定。
低压侧开关部6-2插入在低压侧线圈6-1-1侧，高压侧开关部6-3插入在高压侧线圈6-1-2侧。低压侧开关部6-2例如构成为将四个MOSFET 6-2-1～6-2-4桥接，高压侧开关部6-3也同样地由四个MOSFET 6-3-1～6-3-4构成。
在低压侧开关部6-2和高压侧开关部6-3的各MOSFET 6-2-1～6-2-4、6-3-1～6-3-4上并联连接二极管等整流元件。这些整流元件也可以是MOSFET的寄生二极管，还可以是另外连接的正负接面二极管。如果把并联连接的整流元件合并，则可以把低压侧开关部6-2和高压侧开关部6-3分别认为是开关/DC变换部。
在变压器6-1的高压侧线圈6-1-2侧插入LC谐振电路6-4。LC谐振电路6-4具有如下功能：当驱动低压侧开关部6-2和高压侧开关部6-3中的至少一方时，使流过的电流成为正弦波状，降低开关损失，并防止因大电流而导致MOSFET损坏。这是由于能够在正弦波状电流的零交叉点附近使MOSFET导通、截止。另外，LC谐振电路6-4也可以设置于一次侧而非二次侧。
低压侧开关部6-2的MOSFET 6-2-1～6-2-4和高压侧开关部6-3的MOSFET 6-3-1～6-3-4被由CPU等构成的控制电路(未图示)进行开关控制。另外，连接于一次侧和二次侧的电容器C5、C6是输出平滑用电容器。
下面说明图4的动作。为了使双向DC-DC变换器6自动地双向进行电力变换，使其低压侧开关部6-2和高压侧开关部6-3完全同步，即以同一驱动信号进行驱动。像公知技术那样，通过在低压侧开关部6-2中使MOSFET 6-2-1和6-2-4组成的对、MOSFET 6-2-2和6-2-3组成的对交替地导通、截止，在高压侧开关部6-3中使MOSFET 6-3-1和6-3-4组成的对、MOSFET 6-3-2和6-3-3组成的对交替地导通、截止，来进行该驱动。
在发动机起动时，进行从双向DC-DC变换器6的一次侧向二次侧的电力变换，并将由此被升压的电池7的DC电压供给至驱动用逆变器(DC变换部)2。驱动用逆变器2将该DC电压变换为三相AC电压，施加于发电机1，使发电机1作为发动机起动用电动机而起动。像公知技术那样对驱动用逆变器的MOSFET 2-1～2-6进行PWM驱动，来进行该起动。此时，根据发电机(电动机)1的动作利用由逆起电压(逆起電压)引起的电流分配变化进行相位判别，能够进行无传感器的同步驱动。
发动机起动时，发电机1被发动机驱动而产生输出。发电机1的输出由DC变换部(驱动用逆变器)2进行整流。此时，构成驱动用逆变器的MOSFET 2-1～2-6不驱动，发电机1的输出由DC变换部2的整流元件进行整波整流。DC变换部2的输出由DC-DC变换部3进行平滑/调整。DC电压的调整例如通过对MOSFET进行PWM调制而实现。DC-DC变换部3的输出进一步由DC-AC变换部4变换为规定频率的AC输出。DC-AC变换部4如参照图2所说明的那样，输出单相三线式输出。
此时如果电池7的剩余量少，则双向DC-DC变换器6进行从二次侧向一次侧的电力变换，利用经过降压后的DC变换部2的输出对电池7进行充电。而当成为过载状态、发电机1的输出无法应对负载时，则通过双向DC-DC变换器6进行电力变换以便还从电池7供给电力。
如此，双向DC-DC变换器6按照基于变压器6-1的匝数比的一次侧和二次侧的相对电压差，在一次侧和二次侧自动地进行电力交换，使彼此电力通融。
本发明不仅对于由发电机和DC变换部(整流电路)构成的直流电源的情况适用，而且适用于燃料电池等直流电源的情况。

Claims (4)

1、一种电源装置，该电源装置具有逆变器，该逆变器将直流电源输出变换为规定频率的交流电而输出，其特征在于，
所述电源装置设置有DC-DC变换器，该DC-DC变换器对所述直流电源输出进行开关、调整为规定电压并供给所述逆变器，
并且在所述DC-DC变换器的输出侧设置有中点变换单元，该中点变换单元用于形成从所述DC-DC变换器输出的直流电压的中点。
2、根据权利要求1所述的电源装置，其特征在于，所述中点变换单元由开关电路构成，该开关电路为了形成从所述DC-DC变换器输出的直流电压的1/2中点而被开关驱动。
3、根据权利要求2所述的电源装置，其特征在于，所述开关电路由彼此串联连接的一组开关元件构成，所述一组开关元件被交替地开关驱动。
4、根据权利要求1至3中任一项所述的电源装置，其特征在于，所述DC-DC变换器为升压型DC-DC变换器。
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