JP2001268900A - 双方向型昇降圧チョッパ回路 - Google Patents

双方向型昇降圧チョッパ回路

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JP2001268900A
JP2001268900A JP2000081068A JP2000081068A JP2001268900A JP 2001268900 A JP2001268900 A JP 2001268900A JP 2000081068 A JP2000081068 A JP 2000081068A JP 2000081068 A JP2000081068 A JP 2000081068A JP 2001268900 A JP2001268900 A JP 2001268900A
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switching circuit
cascode
switching
duty ratio
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Masayuki Hattori
正行 服部
Jiro Ouchi
二郎 大内
Hiroki Goto
博樹 後藤
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Tohoku Ricoh Co Ltd
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    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
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    • H02M3/10Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M3/145Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
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  • Secondary Cells (AREA)
  • Electric Propulsion And Braking For Vehicles (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】電動車両において低電圧バッテリを使用するこ
とにより安全性を向上するとともに、加速時や登坂時に
おいては昇圧した電圧により走行性能を改善する。下り
坂走行や減速時には回生ブレーキの作用によりバッテリ
を充電可能とし、可逆運転可能な双方向型昇降圧チョッ
パ回路を提供する。 【解決手段】低電圧のバッテリEに入力端側を接続する
とともに出力端側をDCモータMに接続した双方向型昇
降圧チョッパ回路から成る。スイッチング素子とダイオ
ードDを並列に接続した複数のスイッチング回路Sと、
スイッチング回路Sを2個接続したカスコード回路Kと
を有する。DCモータMの駆動時にはバッテリEの電圧
を昇圧または降圧してDCモータMを駆動し、DCモー
タMの回生時にはDCモータEの逆起電力を昇圧または
降圧してバッテリEを充電する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、二次電池のバッテ
リを動力源としてDCモータを駆動する双方向型昇降圧
チョッパ回路に関し、特に、電気自動車等の電動車両に
最適な双方向型昇降圧チョッパ回路に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、電気自動車等の電動車両において
は、バッテリ等の二次電池を動力源としてDCモータを
駆動しており、バッテリからの電圧を昇降圧チョッパ回
路を用いて制御を行いDCモータに供給する方法が行わ
れていた。この昇降圧チョッパ回路は、一般的には一方
向型が用いられていたが、この一方向型の昇降圧チョッ
パ回路は、回生機能を持たすことができないという問題
があつた。そこで、この問題を解決するものとして双方
向型昇降圧チョッパ回路が試みられるようになってき
た。
【0003】また、電気自動車にあっては、実用的な使
用に耐え得るためには、DCモータを300〜400V
で駆動してやる必要があり、そのための電源としては4
00V以上の高電圧の出力が要求される。そのため、一
般的には低電圧の二次電池を複数個直列に接続してユニ
ット化し、所定の高電圧を得ている。これらの二次電池
はユニット化されてエンジンルームやトランクルームに
搭載されるものが多かつた。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら従来の昇
降圧チョッパ回路にあっては、回生機能は有するもの
の、昇圧或いは降圧のいずれかのみであり、バッテリか
らDCモータへの降圧動作のみの場合は、モータ電圧は
バッテリ電圧より高くできず、DCモータの回転数はD
Cモータの電圧にほぼ比例することから高速走行は実現
しにくいという問題点があった。また、バッテリからD
Cモータへの昇圧動作のみの場合は、モータ電圧はバッ
テリ電圧以下にする事が出来ないので、一般には始動抵
抗器を入れて始動時の衝撃を緩和しているが、完全には
この衝撃を緩和することができないという問題点もあっ
た。さらに、DCモータ側からバッテリ側へは降圧チョ
ッパ動作となるため、バッテリ電圧よりモータ電圧が回
生制動が効かなくなるという問題点があった。
【0005】また、電気自動車は、日常的に点検や修理
を行う必要があるので、エンジンルームやトランクルー
ムを開けることが多く、その中に高電圧の電源を搭載し
ておくことは、安全上から問題があった。また、事故等
で車両が破損した場合等も高電圧の電源が露出すること
も考えられ、安全上から好ましいものではなかった。
【0006】本発明は、このような従来の問題点に着目
してなされたもので、電動車両において低電圧バッテリ
を使用することにより安全性を向上するとともに、加速
時や登坂時においては昇圧した電圧により走行性能を改
善し、下り坂走行や減速時においては回生ブレーキの作
用によりバッテリを充電可能とし、さらに可逆運転可能
な双方向型昇降圧チョッパ回路を提供することを目的と
している。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の第1の構成は、バッテリに入力端側を接続
するとともに出力端側をDCモータに接続した双方向型
昇降圧チョッパ回路であって、スイッチング素子とダイ
オードを並列に接続した複数のスイッチング回路と、前
記スイッチング回路を2個接続したカスコード回路とを
有し、前記DCモータの駆動時においては前記バッテリ
の電圧を昇圧して前記DCモータを駆動し、前記DCモ
ータの回生時にはこのDCモータの逆起電力を昇圧して
前記バッテリを充電することを特徴としている。
【0008】上記構成によれば、電気自動車等におい
て、低電圧バッテリ(24〜48V)の使用による安全
性を確保するとともに平坦地や登坂時には昇圧した電圧
により走行性能を改善し、下り坂走行や減速時において
は回生ブレーキの作用によりバッテリを充電するので、
バッテリの有効利用を図ることが可能となる。
【0009】本発明の第2の構成は、第1のスイッチン
グ回路と第2のスイッチング回路を縦続接続して第1の
カスコード回路となし、第3のスイッチング回路と第4
のスイッチング回路を縦続接続して第2のカスコード回
路となし、前記第1のカスコード回路と第2のカスコー
ド回路の中点をインダクタを介して接続し、前記第1の
カスコード回路のコレクタを入力端とし、前記第2のカ
スコード回路のコレクタを出力端としたことを特徴とし
ている。
【0010】上記構成によれば、1個の平滑リアクトル
とIGBT(絶縁ゲート形バイポーラトランジスタ)が
2素子入りのモジュールで構成することができ、出力側
のDCモータの駆動を入力側のバッテリより昇降圧して
駆動することが可能となり、回生時には出力側のDCモ
ータより昇降圧した電圧で入力側のバッテリを充電する
ことを可能とする。
【0011】本発明の第3の構成は、第1のスイッチン
グ回路と第2のスイッチング回路を縦続接続して第1の
カスコード回路となし、第3のスイッチング回路と第4
のスイッチング回路を縦続接続して第2のカスコード回
路となし、前記第1のカスコード回路の中点に第1のイ
ンダクタを接続するとともに前記第2のカスコード回路
の中点に第2のインダクタを接続し、前記第1のカスコ
ード回路と前記第2のカスコード回路を並列接続すると
ともにこの並列接続にコンデンサを並列に接続し、前記
第1のインダクタを入力端に接続し、前記第2のインダ
クタを出力端に接続したことを特徴としている。
【0012】上記構成によれば、4素子入りや6素子入
りのIGBTモジュールを使用することができ、出力側
のDCモータの駆動を入力側のバッテリより昇圧して駆
動することが可能となり、回生時には出力側のDCモー
タより降圧した電圧で入力側のバッテリを充電すること
ができる。
【0013】本発明の第4の構成は、第1のスイッチン
グ回路と第2のスイッチング回路を縦続接続して第1の
カスコード回路となし、前記第1のカスコード回路第1
のカスコード回路の中点に第1のインダクタの一端を接
続するとともに他端を入力端に接続し、前記カスコード
回路の出力側に第2のインダクタを接続するとともに第
3のスイッチング回路を並列に接続したことを特徴とし
ている。
【0014】上記構成によれば、出力側のDCモータの
駆動を入力側のバッテリより昇圧して駆動することが可
能となり、回生時には出力側のDCモータより降圧した
電圧で入力側のバッテリを充電することができる機能を
スイッチング回路数を少なく、低コストで簡単な制御回
路で実現できる。
【0015】本発明の第5の構成は、αおよびβをスイ
ッチング回路のデューティ時比率としたとき、前記第1
のスイッチング回路のデューティ時比率をαで駆動する
とともに前記第2のスイッチング回路のデューティ時比
率を1−αで駆動し、前記第3のスイッチング回路のデ
ューティ時比率をβで駆動するとともに前記第4のスイ
ッチング回路のデューティ時比率を1−βで駆動するこ
とを特徴としている。
【0016】上記構成によれば、αおよびβを独立に設
定することで、各種の負荷特性に対応できる応用範囲の
広い制御が可能となる。
【0017】本発明の第6の構成は、αおよびβをスイ
ッチング回路のデューティ時比率としたとき、前記第1
のスイッチング回路のデューティ時比率をαで駆動する
とともに前記第2のスイッチング回路のデューティ時比
率を1−αで駆動し、前記第3のスイッチング回路のデ
ューティ時比率をβで駆動するとともに前記第4のスイ
ッチング回路のデューティ時比率を1−βで駆動し、α
=βとしている。
【0018】上記構成によれば、制御回路が単一で済
み、回路が簡単にできて低コストになり、機器の制御を
可変抵抗1個で起動から停止までスムースに制御するこ
とが可能となる。
【0019】本発明の第7の構成は、入力側から出力側
への動作が順方向で昇圧動作の場合は、前記第1のカス
コード回路の第1のスイッチング回路を常時オン状態と
するとともに前記第2のスイッチング回路をオフ状態で
駆動し、前記第2のカスコード回路の前記第3のスイッ
チング回路をデューティ時比率をβのみを変化させると
ともに前記第4のスイッチング回路を常時オフ状態と
し、入力側から出力側への動作が順方向で降圧動作の場
合は、前記第1のカスコード回路の第1のスイッチング
回路をデューティ時比率をαで駆動するとともに前記第
2のスイッチング回路をオフ状態で駆動し、前記第2の
カスコード回路の前記第3のスイッチング回路を常時オ
フ状態にするとともに前記第4のスイッチング回路を常
時オン状態とする。
【0020】出力側から入力側への回生動作時で昇圧動
作の場合は、前記第1のカスコード回路の第1のスイッ
チング回路を常時オン状態とするとともに前記第2のス
イッチング回路をデューティ時比率をαで駆動し、前記
第2のカスコード回路の前記第3のスイッチング回路を
常時オフ状態にするとともに前記第4のスイッチング回
路を常時オフ状態とし、出力側から入力側への回生動作
時で降圧動作の場合は、前記第1のカスコード回路の第
1のスイッチング回路を常時オン状態とするとともに前
記第2のスイッチング回路を常時オフ状態とし、前記第
2のカスコード回路の前記第3のスイッチング回路を常
時オフ状態にするとともに前記第4のスイッチング回路
をデューティ時比率をβで駆動することを特徴としてい
る。
【0021】上記構成によれば、チョッパ動作の動作方
向と昇降圧の各モードにおいて基本動作に問題ないスイ
ッチング回路の動作を停止させるような制御としたの
で、制御が簡単になり効率が向上する。
【0022】本発明の第8の構成は、入力側から出力側
への動作が順方向で昇圧動作の場合は、前記第1のカス
コード回路の第1のスイッチング回路をデューティ時比
率をβで駆動するとともに前記第2のスイッチング回路
を常時オフ状態とし、前記第2のカスコード回路の前記
第3のスイッチング回路を常時オン状態とするとともに
前記第4のスイッチング回路を常時オフ状態とし、入力
側から出力側への動作が順方向で降圧動作の場合は、前
記第1のカスコード回路の第1のスイッチング回路を常
時オフ状態にするとともに前記第2のスイッチング回路
をオン状態で駆動し、前記第2のカスコード回路の前記
第3のスイッチング回路をデューティ時比率αで駆動す
るとともに前記第4のスイッチング回路をオフ状態と
し、出力側から入力側への回生動作時で昇圧動作の場合
は、前記第1のカスコード回路の第1のスイッチング回
路を常時オフ状態とするとともに前記第2のスイッチン
グ回路を常時オン状態とし、前記第2のカスコード回路
の前記第3のスイッチング回路を常時オフ状態にすると
ともに前記第4のスイッチング回路をデューティ時比率
1−αで駆動し、出力側から入力側への回生動作時で降
圧動作の場合は、前記第1のカスコード回路の第1のス
イッチング回路を常時オフ状態とするとともに前記第2
のスイッチング回路デューティ時比率1−βで駆動し、
前記第2のカスコード回路の前記第3のスイッチング回
路を常時オン状態にするとともに前記第4のスイッチン
グ回路を常時オフとするように駆動することを特徴とし
ている。
【0023】上記構成によれば、チョッパ動作の動作方
向と昇降圧の各モードにおいて基本動作に問題ないスイ
ッチング回路の動作を停止させるような制御としたの
で、制御が簡単になり効率が向上する。
【0024】本発明の第9の構成は、入力側から出力側
への動作が順方向で昇圧動作の場合は、前記第1のカス
コード回路の第1のスイッチング回路をデューティ時比
率αで駆動するとともに前記第2のスイッチング回路を
常時オフ状態とし、前記第3のスイッチング回路を常時
オフ状態とし、入力側から出力側への動作が順方向で降
圧動作の場合は、前記第1のカスコード回路の第1のス
イッチング回路をオフ状態で駆動するとともに前記第2
のスイッチング回路をデューティ時比率1−αで駆動
し、前記第3のスイッチング回路を常時オフ状態にし、
出力側から入力側への回生動作時で昇圧動作の場合は、
前記第1のカスコード回路の第1のスイッチング回路を
常時オフ状態にするとともに前記第2のスイッチング回
路をデューティ時比率1−αで駆動し、前記第3のスイ
ッチング回路のみをデューティ時比率βで駆動し、出力
側から入力側への回生動作時で降圧動作の場合は、前記
第1のカスコード回路の第1のスイッチング回路をオフ
状態で駆動するとともに前記第2のスイッチング回路を
デューティ時比率1−αで駆動し、前記第3のスイッチ
ング回路を常時オフ状態にすることを特徴としている。
【0025】上記構成によれば、チョッパ動作の動作方
向と昇降圧の各モードにおいて基本動作に問題ないスイ
ッチング回路の動作を停止させるような制御としたの
で、制御が簡単になり効率が向上する。
【0026】本発明の第10の構成は、第1のスイッチ
ング回路と第2のスイッチング回路を縦続接続して第1
のカスコード回路となし、第3のスイッチング回路と第
4のスイッチング回路を縦続接続して第2のカスコード
回路となし、第5のスイッチング回路と第6のスイッチ
ング回路を縦続接続して第3のカスコード回路となし、
前記第1のカスコード回路と第2のカスコード回路およ
び第3のカスコード回路を並列に接続し、前記第1のカ
スコード回路の中点を第1のインダクタを介して入力側
と接続し、前記第1のカスコード回路と前記第2のカス
コード回路の間にコンデンサを並列に接続し、前記第2
のカスコード回路の中点と前記第3のカスコード回路の
中点の間を第2のインダクタに直列に接続されたDCモ
ータを介して接続してあることを特徴としている。
【0027】上記構成によれば、電動車両にバック機能
を与えることができるため、操作性の向上や、方向転換
等に要する動作スペースを少なくすることができ、DC
モータの利用率を大幅に改善できる。
【0028】本発明の第11の構成は、入力側および出
力側に並列にコンデンサを接続してあることを特徴とす
る。
【0029】上記構成によれば、急激な起動、停止時に
も過電流をコンデンサに吸収させることで、バッテリに
急激な充放電をさせることなく、バッテリの寿命を長く
することができる。
【0030】本発明の第12の構成は、前記スイッチン
グ回路は、スイッチング素子の絶縁ゲート形バイポーラ
トランジタのエミッタとフライホイールダイオードのア
ノードが接続され、前記絶縁ゲート形バイポーラトラン
ジタのコレクタと前記フライホイールダイオードのカソ
ードが接続されていることを特徴としている。
【0031】上記構成によれば、スイッチング素子は絶
縁ゲートを備えているので、スイッチング回路を制御す
るPWM回路とは絶縁されており、制御に悪影響を与え
るノイズの影響を受けない。
【0032】
【発明の実施の形態】以下、図面に基づき、本発明に係
る双方向昇降圧チョッパ回路の実施の形態について説明
する。本発明に係る双方向昇降圧チョッパ回路の第1の
実施の形態は、図1に示すように、低電圧(24〜48
V)のバッテリEに入力端側を接続するとともに出力端
側をDCモータMに接続した双方向型昇降圧チョッパ回
路であって、スイッチング素子である絶縁形バイポーラ
トランジスタの(IGBT)とダイオードDを並列に接
続した複数のスイッチング回路Sと、前記スイッチング
回路Sを2個接続したカスコード回路Kとを有し、前記
DCモータMの駆動時においては前記バッテリEの電圧
を昇降圧して前記DCモータMを駆動し、前記D
CモータMの回生時にはこのDCモータMの逆起電力E
Mを昇降圧して前記バッテリEを充電する構成としたも
のである。
【0033】また、この双方向昇降圧チョッパ回路のス
イッチング回路Sは、スイッチング素子として絶縁形バ
イポーラトランジスタ(IGBT)が使用されており、
この絶縁形バイポーラトランジスタ(IGBT)のエミ
ッタとフライホイールダイオードDのアノードが接続さ
れ、前記絶縁ゲート形バイポーラトランジタ(IGB
T)のコレクタと前記フライホイールダイオードDのカ
ソードが接続されている。そして、これらの絶縁形バイ
ポーラトランジスタ(IGBT)のゲートGは外部のタ
イミングの制御回路であるPWM回路に接続されてお
り、このPWM回路からのデューティ時比率α、βによ
りスイッチング回路Sの導通のタイミングをコントロー
ルすることができるようになっている。このデューティ
時比率α、βは、この双方向昇降圧チョッパ回路を搭載
すの電気自動車等の走行状態によってコントロールされ
るものであり、発進時や高速走行時、登坂時、減速時等
の走行条件に最も適した速度指令nM * によって決めら
れる。
【0034】上記のように構成された双方向昇降圧チョ
ッパ回路は、前記DCモータMの駆動時や回生時におい
て、その時の走行条件に適合した速度指令nM * のデュ
ーティ時比率α、βを変えるだけで、昇圧・降圧が容易
に制御できるものである。そのため、この双方向昇降圧
チョッパ回路は、低電圧(24〜48V)のバッテリE
を使用することによる安全性を確保し、加速時や登坂時
には昇圧した電圧による走行性能の改善を可能とし、下
り坂走行や減速時には回生ブレーキを利用してバッテリ
Eに充電することによりバツテリの利用率の向上を図れ
る等、様々な機能を同時に実現できるものである。
【0035】次に、双方向昇降圧チョッパ回路の第2の
実施の形態を図2に基づいて説明する。この双方向昇降
圧チョッパ回路は、第1のスイッチング回路S1 と第2
のスイッチング回路S2 を縦続接続して第1のカスコー
ド回路K1 となし、第3のスイッチング回路S3 と第4
のスイッチング回路S4 を縦続接続して第2のカスコー
ド回路K2 となし、前記第1のカスコード回路K1 と第
2のカスコード回路K2 の中点を平滑用リアクトルであ
るインダクタLを介して接続し、第1のカスコード回路
K1 のスイッチング回路S1 のスイッチング素子である
絶縁形バイポーラトランジスタTR1 のコレクタを入力
端P1 に接続し、第2のカスコード回路の第4のスイッ
チング回路S4 のスイッチング素子である絶縁形バイポ
ーラトランジスタTR2 のコレクタを出力端P2 に接続
したものである。
【0036】また、この双方向昇降圧チョッパ回路の入
力側にはコンデンサC1 が接続され、出力側にはコンデ
ンサC2 が接続されている。このコンデンサC1 は、回
生時の急速充電保護用コンデンサであり、回生時におけ
るバッテリEの充電時に急激な電圧の変動からバッテリ
Eを保護するものである。コンデンサC2 は、DCモー
タMの平滑用のコンデンサであり、モータ電圧EM はこ
のコンデンサC2 により平滑されほぼ脈動のない直流電
圧となる。さらに、各スイッチング回路は、それぞれ絶
縁ゲートG1 , G2 , G3 , G4 を備えており図示しな
いPWM回路に接続されて導通のタイミングが制御さ
れ、デューティ時比率をα、βとすると、それぞれのゲ
ートG1 , G2 , G3 , G4 のオン区間は、(α),
(1−α),(β),(1−β)で表される。
【0037】この双方向昇降圧チョッパ回路の動作を図
2、図3に基づいて説明する。先ず、図2において、第
2のスイッチング回路S2 の端子電圧をe2 および第3
のスイッチング回路S3 の端子電圧をe3 とすると、各
々の電圧波形は、図3(a),(b)に示すようにな
る。そして、インダクタLの端子電圧をe とする
と、、e =e2 −e3 となるので、その波形は図3
(c)に示すようになる。また、e =Ldi (t)
/dt の関係より、その平均値をe で表すと、図3
(c)の電流波形を参照して、e =1/T・∫0 T
(t)dt=L/ T・{i(t)-i(0) }=0となる。
従って、e2 ,e3 の平均値をE 2 ,E 3 と表すと、E
2 =E 3 の関係が成り立つ。ところで、図3(a),
(b)より、E 2 =αE およびE 3 =(1−β)EM
となるので、EM =α/(1−β)・E (モータ駆
動時)の関係が得られる。ここで、α=βとおけば、ボ
リューム1個での速度調整が可能となる。また、αとβ
をそれぞれ独立に駆動すれば、操作用のボリュームは2
個必要となるが、降圧動作時にはβ=0,α=0〜1と
し、昇圧動作時にはα=1,β=0〜1とすることによ
ってスイッチングロスを減らすことができ、高効率化が
可能となる。なお、回生時には、回生電圧をE*
するとE* =(1−β)・EM となり、やはりαとβ
の調整で回生電圧の制御ができることになる。
【0038】このように構成された双方向昇降圧チョッ
パ回路は、入力側から出力側への動作が順方向で昇圧動
作の場合は、前記第1のカスコード回路K1 の第1のス
イッチング回路S1 を常時オン状態とするとともに前記
第2のスイッチング回路S2をオフ状態で駆動し、前記
第2のカスコード回路K2 の前記第4のスイッチング回
路S4を常時オフ状態として前記第4のスイッチング回
路S3をデューティ時比率βのみを変化させて制御する
ものである。
【0039】また、入力側から出力側への動作が順方向
で降圧動作の場合は、前記第1のカスコード回路K1 の
第1のスイッチング回路S1 をデューティ時比率αで駆
動するとともに前記第2のスイッチング回路S2 をオフ
状態で駆動し、前記第2のカスコード回路K2 の前記第
4のスイッチング回路S4 を常時オン状態にするととも
に前記第3のスイッチング回路S3 を常時オフ状態(β
=0)として制御するものである。
【0040】また、出力側から入力側への回生動作時で
昇圧動作の場合は、前記第1のカスコード回路K1 の第
1のスイッチング回路S1 を常時オン状態とするととも
に前記第2のスイッチング回路S2 をデューティ時比率
αで駆動し、前記第2のカスコード回路K2 の前記第4
のスイッチング回路S4 を常時オン状態にするとともに
前記第3のスイッチング回路S3 を常時オフ状態として
制御する。
【0041】さらに、出力側から入力側への回生動作時
で降圧動作の場合は、前記第1のカスコード回路K1 の
第1のスイッチング回路S1 を常時オフ状態とするとと
もに前記第2のスイッチング回路S2 を常時オフ状態と
し、前記第2のカスコード回路K2 の前記第3のスイッ
チング回路S3 を常時オフ状態にするとともに前記第4
のスイッチング回路S4 をデューティ時比率βで駆動す
るものである。
【0042】次に、双方向昇降圧チョッパ回路の第3の
実施の形態を図4に基づいて説明する。この双方向昇降
圧チョッパ回路は、第1のスイッチング回路S1 と第2
のスイッチング回路S2 を縦続接続して第1のカスコー
ド回路K1 となし、第3のスイッチング回路S3 と第4
のスイッチング回路S4 を縦続接続して第2のカスコー
ド回路K2 となし、前記第1のカスコード回路K1 の中
点に第1のインダクタL1 を接続するとともに前記第2
のカスコード回路K2 の中点に第2のインダクタL2 を
接続し、前記第1のカスコード回路K1 と前記第2のカ
スコード回路K2 を並列接続するとともにこの並列接続
点P0 にコンデンサC0 を並列に接続し、前記第1のイ
ンダクタL1 を入力端P1 に接続し、前記第2のインダ
クタを出力端P2 に接続したものである。
【0043】このように構成された双方向昇降圧チョッ
パ回路は、入力側から出力側への動作が順方向で昇圧動
作の場合は、前記第1のカスコード回路K1 の第1のス
イッチング回路S1 をデューティ時比率βで駆動すると
ともに前記第2のスイッチング回路S2 を常時オフ状態
とし、前記第2のカスコード回路K2 の前記第3のスイ
ッチング回路S3 を常時オン状態とするとともに前記第
4のスイッチング回路S4 を常時オフ状態として制御す
る。
【0044】また、入力側から出力側への動作が順方向
で降圧動作の場合は、前記第1のカスコード回路K1 の
第1のスイッチング回路S1 を常時オフ状態にするとと
もに前記第2のスイッチング回路S2 をオン状態で駆動
し、前記第2のカスコード回路K2 の前記第3のスイッ
チング回路S3 をデューティ時比率をαで駆動するとと
もに前記第4のスイッチング回路S4 をオフ状態として
駆動する。
【0045】また、出力側から入力側への回生動作時で
昇圧動作の場合は、前記第1のカスコード回路K1 の第
1のスイッチング回路S1 を常時オフ状態とするととも
に前記第2のスイッチング回路S2 を常時オン状態と
し、前記第2のカスコード回路K2 の前記第3のスイッ
チング回路S3 を常時オフ状態にするとともに前記第4
のスイッチング回路S4 をデューティ時比率1−αで駆
動するように制御するものである。
【0046】さらに、出力側から入力側への回生動作時
で降圧動作の場合は、前記第1のカスコード回路K1 の
第1のスイッチング回路S1 を常時オフ状態にするとと
もに前記第2のスイッチング回路S2 をデューティ時比
率1−βで駆動し、前記第2のカスコード回路K2 の前
記第3のスイッチング回路S3 を常時オン状態にすると
ともに前記第4のスイッチング回路S4 を常時オフとす
るように制御するものである。
【0047】次に、双方向昇降圧チョッパ回路の第4の
実施の形態を図5に基づいて説明する。この双方向昇降
圧チョッパ回路は、第1のスイッチング回路S1 と第2
のスイッチング回路S2 を並列接続して第1のカスコー
ド回路K1 となし、前記第1のカスコード回路K1 の中
点に第1のインダクタL1 の一端を接続するとともにこ
のインダクタL1 の他端を入力端P1 に接続し、前記第
1のスコード回路K1の出力側に第2のインダクタL2
を接続するとともに第3のスイッチング回路S2 を並列
に接続したものである。
【0048】このように構成された双方向昇降圧チョッ
パ回路は、入力側から出力側への動作が順方向で昇圧動
作の場合は、前記第1のカスコード回路K1 の第1のス
イッチング回路S1 をデューティ時比率をαで駆動する
とともに前記第2のスイッチング回路S2 を常時オフ状
態とし、前記第3のスイッチング回路S3 を常時オフ状
態として駆動する。
【0049】また、入力側から出力側への動作が順方向
で降圧動作の場合は、前記第1のカスコード回路K1 の
第1のスイッチング回路S1 をオフ状態で駆動するとと
もに前記第2のスイッチング回路S2 をデューティ時比
率1-αで駆動し、前記第3のスイッチング回路S3 を常
時オフ状態にして駆動するものである。
【0050】また、この双方向昇降圧チョッパ回路は、
出力側から入力側への回生動作時で昇圧動作の場合は、
前記第1のカスコード回路K1 の第1のスイッチング回
路S1 を常時オフ状態にするとともに前記第2のスイッ
チング回路S2 をデューティ時比率1-αで駆動し、前記
第3のスイッチング回路S3 をデューティ時比率βで駆
動する。
【0051】さらに、出力側から入力側への回生動作時
で降圧動作の場合は、前記第1のカスコード回路K1 の
第1のスイッチング回路S1 をオフ状態で駆動するとと
もに前記第2のスイッチング回路S2 をデューティ時比
率1−αで駆動し、前記第3のスイッチング回路S3 を
常時オフ状態にして動作するものである。
【0052】次に、双方向昇降圧チョッパ回路の第5の
実施の形態を図6に基づいて説明する。この双方向昇降
圧チョッパ回路は、第1のスイッチング回路S1 と第2
のスイッチング回路S2 を縦続接続して第1のカスコー
ド回路K1 となし、第3のスイッチング回路S3 と第4
のスイッチング回路S4 を縦続接続して第2のカスコー
ド回路K2 となし、第5のスイッチング回路S5 と第6
のスイッチング回路S6 を縦続接続して第3のカスコー
ド回路K3 となし、前記第1のカスコード回路K1 と第
2のカスコード回路K2 および第3のカスコード回K3
を並列に接続し、前記第1のカスコード回路K1 の中点
を平滑用の第1のインダクタL1 を介して入力端P1 と
接続し、前記第1のカスコード回路K1 と前記第2のカ
スコード回路K2 の間に平滑用コンデンサC0 を並列に
接続し、前記第2のカスコード回路K2 の中点と前記第
3のカスコード回路K3 の中点間を平滑用の第2のイン
ダクタL2 に直列に接続されたDCモータMを介して接
続したものである。また、入力端P1 には平滑用コンデ
ンサC1 を並列に接続し、出力側にDCモータMと並列
に平滑用コンデンサC2 を接続してある。
【0053】また、この双方向昇降圧チョッパ回路に使
用されているスイッチング回路S1〜S6 には、それぞ
れ絶縁ゲートG1 〜G6 がそなえられており、図示しな
いPWM回路によりデューティ時比率α、βでオン区間
が制御されている。この双方向昇降圧チョッパ回路は、
前述の図3における解析と同様の解析を行うと、モータ
駆動時においてはEM =(2α−1)/(1−β)・E
の関係式が得られる。この関係式において、例え
ば、β=0とし、αを0〜1と変化させると、EM=−
〜+E の間で変化する両極性降圧チョッパがで
きる。また、0<β<1とすれば、両極性昇圧チョッパ
としても運転可能である。このチョッパは、勿論双方向
型であるので、回生時における回生電圧をE* とす
ると、E* =(1−β)/(2α−1)EM とな
り、双方向型の両極性昇降圧チョッパ回路となるもので
ある。
【0054】このように構成された双方向昇降圧チョッ
パ回路は、電気自動車等に使用された場合に後退(バッ
ク)機能を付加することができるので、後退用の特別な
機構を取り付ける必要がなく、簡単に実現できる。ま
た、後退走行時においても回生制動を用いることができ
るので、理想的で高機能なDCモータ制御回路とするこ
とができる。そのため使用用途も大幅に広がり、バッテ
リを電源とするDCモータ駆動の電動車両に適用するこ
とが可能となる。すなわち電気自動車、電気自転車、高
齢者用電動三輪車、障害者用電動車椅子、ゴルフカー
ト、工場内の搬送車等、殆どの汎用電動車両に使用する
ことが可能となる。
【0055】なお、本発明の双方向型昇降圧チョッパ回
路は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、
特許請求の範囲内において様々な態様が可能なことは勿
論である。例えば、出力側のDCモータの部分をバッテ
リに置き換えることも可能であり、入力側のバッテリと
出力側のバッテリとの間で電圧の高低によらず、入力側
から出力側へ、或いは出力側から入力側へ任意の方向に
充電することが可能となる。従って、電気自動車や電気
自転車への適用に際して、交流電源が無くとも、乾電池
等の一次電池やバッテリ等の充電可能な二次電池さえあ
れば、電動車両に搭載したバッテリに対して充電が可能
となり、実用に際しての信頼性が増すものである。
【0056】また、本発明の双方向型昇降圧チョッパ回
路は、広い電圧範囲で使える可変電圧源ともいえるの
で、このような用途には勿論有用となる。
【0057】さらに、バッテリや直流電源等の特性測定
用負荷として、直流抵抗を実現するのは一般に困難であ
り、高価となるものであるが、本発明の双方向型昇降圧
チョッパ回路を用いれば、流通率(α)を変化させるだ
けでバッテリの負荷抵抗とすることができるので、その
応用範囲は広がるものである。しかも、単極性のものか
ら両極性の双方向型昇降圧可能な電源が得られるので、
その有用性は極めて高いものとなる。
【0058】
【発明の効果】本発明の双方向型昇降圧チョッパ回路に
よれば、複数のスイッチング回路と、前記スイッチング
回路を2個接続したカスコード回路とを有し、DCモー
タの駆動時においてはバッテリの電圧を昇降圧してDC
モータを駆動し、DCモータの回生時にはこのDCモー
タの逆起電力を昇降圧してバッテリEを充電する構成と
したことにより、スムースな発進特性ならびに平坦地で
の高速走行性能を実現し、かつ下り坂走行や任意速度で
の減速時に回生制動によるバッテリへの充電を図り、バ
ッテリの有効利用の方法が確立できるという優れた効果
を奏する。
【0059】また、本発明の双方向型昇降圧チョッパ回
路は、低電圧のバッテリを昇圧してしてDCモータを駆
動することを可能としたことにより、電気自動車等に搭
載するバッテリは24〜48Vの低電圧のバッテリで済
むことから、保守点検や事故等の場合に万が一にバッテ
リに触れても感電の危険性がなく、安全性が高いという
効果を奏する。
【0060】さらに、本発明の双方向型昇降圧チョッパ
回路は、両極性の双方向型昇降圧チョッパとすることに
より、電動車両において特別な装備を付加することなし
に、後退(バック)機能を付加することができるので、
コストアップすることなく大幅な操作性の向上を図るこ
とができる。上記の説明において、スイッチング回路の
素子はIGBTで動作を説明したが、同等の機能を電界
効果トランジスタ(FET)でも構成できる。また、素
子に内蔵されるダイオードを利用すれば並列ダイオード
を不要とすることも可能である。また、他の同様のスイ
ッチング回路で本発明を構成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る双方向昇降圧チョッパ回路の第1
の実施の形態を示す回路図である。
【図2】本発明に係る双方向昇降圧チョッパ回路の第2
の実施の形態を示す回路図である。
【図3】図2の双方向昇降圧チョッパ回路の動作を説明
する波形図である。
【図4】本発明に係る双方向昇降圧チョッパ回路の第3
の実施の形態を示す回路図である。
【図5】本発明に係る双方向昇降圧チョッパ回路の第4
の実施の形態を示す回路図である。
【図6】本発明に係る双方向昇降圧チョッパ回路の第5
の実施の形態を示す回路図である。
【符号の説明】
C0 〜C2 コンデンサ E バッテリ G1 G6 ゲート K1 〜K3 カスコード回路 L1 〜L2 インダクタ M DCモータ S1 〜S6 スイッチング回路 α デューティ時比率 β デューティ時比率 IGBT 絶縁形バイポーラトランジスタ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) // H01M 10/44 H01M 10/44 P (72)発明者 大内 二郎 宮城県柴田郡柴田町大字中名生字神明堂3 番地の1 東北リコー株式会社内 (72)発明者 後藤 博樹 宮城県黒川郡富谷町あけの平1丁目9−2 Fターム(参考) 5G003 AA07 BA01 CA11 DA07 DA16 FA06 GB03 5G060 AA04 AA08 CA02 CA03 DA01 DB08 5H030 AS08 BB10 5H115 PG04 PI16 PO17 PU02 PV03 PV23 QE01 QE03 QE04 QE06 QE08 QE10 QI04 5H730 AA17 AS04 AS05 AS08 AS13 BB13 BB14 BB57 BB81 DD03 FG05

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】バッテリに入力端側を接続するとともに出
    力端側をDCモータに接続した双方向型昇降圧チョッパ
    回路であって、スイッチング素子とダイオードを並列に
    接続した複数のスイッチング回路と、前記スイッチング
    回路を2個接続したカスコード回路とを有し、 前記DCモータの駆動時においては前記バッテリの電圧
    を昇圧または降圧して前記DCモータを駆動し、前記D
    Cモータの回生時にはこのDCモータの逆起電力を昇圧
    または降圧して前記バッテリを充電することを特徴とす
    る双方向型昇降圧チョッパ回路。
  2. 【請求項2】第1のスイッチング回路と第2のスイッチ
    ング回路を縦続接続して第1のカスコード回路となし、
    第3のスイッチング回路と第4のスイッチング回路を縦
    続接続して第2のカスコード回路となし、前記第1のカ
    スコード回路と第2のカスコード回路の中点をインダク
    タを介して接続し、前記第1のカスコード回路のコレク
    タを入力端に接続し、前記第2のカスコード回路のコレ
    クタを出力端に接続し、かつDCモータと並列にコンデ
    ンサを接続したことを特徴とする双方向型昇降圧チョッ
    パ回路。
  3. 【請求項3】第1のスイッチング回路と第2のスイッチ
    ング回路を縦続接続して第1のカスコード回路となし、
    第3のスイッチング回路と第4のスイッチング回路を縦
    続接続して第2のカスコード回路となし、前記第1のカ
    スコード回路の中点に第1のインダクタを接続するとと
    もに前記第2のカスコード回路の中点に第2のインダク
    タを接続し、前記第1のカスコード回路と前記第2のカ
    スコード回路を並列接続するとともにこの並列接続点に
    コンデンサを並列に接続し、前記第1のインダクタを入
    力端に接続し、前記第2のインダクタを出力端に接続し
    たことを特徴とする双方向型昇降圧チョッパ回路。
  4. 【請求項4】第1のスイッチング回路と第2のスイッチ
    ング回路を縦続接続して第1のカスコード回路となし、
    前記第1のカスコード回路の中点に第1のインダクタの
    一端を接続するとともに第1のインダクタの他端を入力
    端に接続し、前記カスコード回路の出力側に第2のイン
    ダクタを接続するとともに第3のスイッチング回路を並
    列に接続したことを特徴とする双方向型昇降圧チョッパ
    回路。
  5. 【請求項5】前記スイッチング回路のデューティ時比率
    をαおよびβとしたとき、前記第1のスイッチング回路
    のデューティ時比率をαで駆動するとともに前記第2の
    スイッチング回路のデューティ時比率を1−αで駆動
    し、前記第3のスイッチング回路のデューティ時比率を
    βで駆動するとともに前記第4のスイッチング回路のデ
    ューティ時比率を1−βで駆動することを、特徴とする
    請求項1,2または3記載の双方向型昇降圧チョッパ回
    路。
  6. 【請求項6】前記スイッチング回路のデューティ時比率
    をαおよびβとしたとき、前記第1のスイッチング回路
    のデューティ時比率をαで駆動するとともに前記第2の
    スイッチング回路のデューティ時比率を1−αで駆動
    し、前記第3のスイッチング回路のデューティ時比率を
    βで駆動するとともに前記第4のスイッチング回路のデ
    ューティ時比率を1−βで駆動し、α=βとしたこと
    を、特徴とする請求項1,2または3記載の双方向型昇
    降圧チョッパ回路。
  7. 【請求項7】入力側から出力側への動作が順方向で昇圧
    動作の場合は、前記第1のカスコード回路の第1のスイ
    ッチング回路を常時オン状態とするとともに前記第2の
    スイッチング回路をオフ状態で駆動し、前記第2のカス
    コード回路の前記第3のスイッチング回路をデューティ
    時比率をのみを変化させるとともに前記第4のスイッチ
    ング回路を常時オフ状態とし、 入力側から出力側への動作が順方向で降圧動作の場合
    は、前記第1のカスコード回路の第1のスイッチング回
    路をデューティ時比率αで駆動するとともに前記第2の
    スイッチング回路をオフ状態で駆動し、前記第2のカス
    コード回路の前記第3のスイッチング回路を常時オフ状
    態にするとともに前記第4のスイッチング回路を常時オ
    ン状態とし、 出力側から入力側への回生動作時で昇圧動作の場合は、
    前記第1のカスコード回路の第1のスイッチング回路を
    常時オフ状態とするとともに前記第2のスイッチング回
    路をデューティ時比率αで駆動し、前記第2のカスコー
    ド回路の前記第3のスイッチング回路を常時オフ状態に
    するとともに前記第4のスイッチング回路を常時オン状
    態とし、 出力側から入力側への回生動作時で降圧動作の場合は、
    前記第1のカスコード回路の第1のスイッチング回路を
    常時オン状態とするとともに前記第2のスイッチング回
    路を常時オフ状態とし、前記第2のカスコード回路の前
    記第3のスイッチング回路を常時オフ状態にするととも
    に前記第4のスイッチング回路をデューティ時比率βで
    駆動することを、特徴とする請求項2記載の双方向型昇
    降圧チョッパ回路。
  8. 【請求項8】入力側から出力側への動作が順方向で昇圧
    動作の場合は、前記第1のカスコード回路の第1のスイ
    ッチング回路をデューティ時比率βで駆動するとともに
    前記第2のスイッチング回路を常時オフ状態とし、前記
    第2のカスコード回路の前記第3のスイッチング回路を
    常時オン状態とするとともに前記第4のスイッチング回
    路を常時オフ状態とし、 入力側から出力側への動作が順方向で降圧動作の場合
    は、前記第1のカスコード回路の第1のスイッチング回
    路を常時オフ状態にするとともに前記第2のスイッチン
    グ回路をオン状態で駆動し、前記第2のカスコード回路
    の前記第3のスイッチング回路をデューティ時比率をα
    で駆動するとともに前記第4のスイッチング回路をオフ
    状態とし、 出力側から入力側への回生動作時で昇圧動作の場合は、
    前記第1のカスコード回路の第1のスイッチング回路を
    常時オフ状態とするとともに前記第2のスイッチング回
    路を常時オン状態とし、前記第2のカスコード回路の前
    記第3のスイッチング回路を常時オフ状態にするととも
    に前記第4のスイッチング回路をデューティ時比率1−
    αで駆動し、 出力側から入力側への回生動作時で降圧動作の場合は、
    前記第1のカスコード回路の第1のスイッチング回路を
    常時オフ状態にするとともに前記第2のスイッチング回
    路をデューティ時比率1−βで駆動し、前記第2のカス
    コード回路の前記第3のスイッチング回路を常時オン状
    態にするとともに前記第4のスイッチング回路を常時オ
    フとするように駆動することを、特徴とする請求項3記
    載の双方向型昇降圧チョッパ回路。
  9. 【請求項9】入力側から出力側への動作が順方向で昇圧
    動作の場合は、前記第1のカスコード回路の第1のスイ
    ッチング回路をデューティ時比率αで駆動するとともに
    前記第2のスイッチング回路を常時オフ状態とし、前記
    第3のスイッチング回路を常時オフ状態とし、 入力側から出力側への動作が順方向で降圧動作の場合
    は、前記第1のカスコード回路の第1のスイッチング回
    路をオフ状態で駆動するとともに前記第2のスイッチン
    グ回路をデューティ時比率1−αで駆動し、前記第3の
    スイッチング回路を常時オフ状態にし、 出力側から入力側への回生動作時で昇圧動作の場合は、
    前記第1のカスコード回路の第1のスイッチング回路を
    常時オフ状態にするとともに前記第2のスイッチング回
    路をデューティ時比率1−αで駆動し、前記第3のスイ
    ッチング回路をデューティ時比率βで駆動し、 出力側から入力側への回生動作時で降圧動作の場合は、
    前記第1のカスコード回路の第1のスイッチング回路を
    オフ状態で駆動するとともに前記第2のスイッチング回
    路をデューティ時比率1−αで駆動し、前記第3のスイ
    ッチング回路を常時オフ状態にすることを、特徴とする
    請求項4記載の双方向型昇降圧チョッパ回路。
  10. 【請求項10】第1のスイッチング回路と第2のスイッ
    チング回路を縦続接続して第1のカスコード回路とな
    し、第3のスイッチング回路と第4のスイッチング回路
    を縦続接続して第2のカスコード回路となし、第5のス
    イッチング回路と第6のスイッチング回路を縦続接続し
    て第3のカスコード回路となし、前記第1のカスコード
    回路と第2のカスコード回路および第3のカスコード回
    路を並列に接続し、前記第1のカスコード回路の中点を
    第1のインダクタを介して入力端と接続し、前記第1の
    カスコード回路と前記第2のカスコード回路の間にコン
    デンサを並列に接続し、前記第2のカスコード回路の中
    点と前記第3のカスコード回路の中点の間を第2のイン
    ダクタに直列に接続されたDCモータを介して接続して
    あることを、特徴とする双方向型昇降圧チョッパ回路。
  11. 【請求項11】入力側および出力側に並列にコンデンサ
    を接続してあることを特徴とする請求項1,2,3,
    4,5,6,7,8,9または10記載の双方向型昇降
    圧チョッパ回路。
  12. 【請求項12】前記スイッチング回路は、絶縁ゲート形
    バイポーラトランジタのエミッタとフライホイールダイ
    オードのアノードが接続され、前記絶縁ゲート形バイポ
    ーラトランジタのコレクタと前記フライホイールダイオ
    ードのカソードが接続されていることを、特徴とする請
    求項1,2,3,4,5,6,7,8,9または10記
    載の双方向型昇降圧チョッパ回路。
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