JP2004282824A

JP2004282824A - Power supply and operation method thereof

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Publication number: JP2004282824A
Application number: JP2003067860A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Matsumura; 毅松村; Hirotaka Asami; 浩隆浅見; Takahisa Masashiro; 尊久正代; Keiichi Saito; 景一斉藤; Hiroshi Wakagi; 寛若木; Takuya Sudo; 卓也須藤; Koji Arai; 幸次新井
Original assignee: Shindengen Electric Manufacturing Co Ltd; Origin Electric Co Ltd; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Shindengen Electric Manufacturing Co Ltd; Origin Electric Co Ltd; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2003-03-13
Filing date: 2003-03-13
Publication date: 2004-10-07
Anticipated expiration: 2023-03-13
Also published as: JP4099090B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a step up/down type power supply, along with its operation method, capable of stably controlling an output voltage. <P>SOLUTION: In a power supply 2, an input voltage is stepped down by switching operation of a step-down switching element 11, which is charged to a load 34. When an output voltage reaches a first reference voltage, the step-down switching element 11 is switched to pentode operation for controlling conductive resistance, so that an input voltage is stepped down once. The voltage is stepped up by switching operation of a step-up switching element 21, which is used as an output voltage. The operation to switch from a step-down process to a step-up process is stable. When the output voltage reaches a second reference voltage, the step-down switching element 11 is shifted from the pentode operation to triode operation, reducing a loss. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電源装置の技術にかかり、特に、昇降圧型の電源装置を用い、負荷を充電する場合の電源装置とその運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図５の符号１０２は一般的な昇降圧型の電源装置を示しており、符号１３０は、その電源装置１０２に直流電圧を供給する電源用回路ブロックを示している。
【０００３】
この電源装置１０２は、制御回路１１０と、降圧用回路ブロック１０４と、チョークコイル１０５と、昇圧用回路ブロック１０６とを有している。
【０００４】
電源用回路ブロック１３０の高電圧側の端子を入力端子１３６とし、接地電位側の端子を接地端子１３７とすると、入力端子１３６と、電源装置１０２全体の出力端子１３８との間には、降圧用回路ブロック１０４とチョークコイル１０５と昇圧用回路ブロック１０６とが、入力端子１３６から見てこの順序で接続されている。
【０００５】
電源装置１０２の接地端子は電気的には電源用回路ブロック１３０の接地端子と同じであるから、同じ符号１３７を付す。
【０００６】
出力端子１３８と接地端子１３７の間には負荷１３４が接続されており、出力端子１３８に出力電圧Ｖ_ｏｕｔが現れると、負荷１３４には出力電圧Ｖ_ｏｕｔが印加される。
【０００７】
出力端子１３８から負荷１３４に供給される電流を出力電流Ｉ_ｏｕｔとすると、出力電圧Ｖ_ｏｕｔと出力電流Ｉ_ｏｕｔは不図示のセンサーによって検出され、検出結果は制御回路１１０に入力されており、その検出結果に基いて、降圧用及び昇圧用回路ブロック１０４、１０６は、制御回路１１０によって制御されている。
【０００８】
降圧用回路ブロック１０４が動作する場合、昇圧用回路ブロック１０６はチョークコイル１０５と出力端子１３８とを直結する。そして、電源用回路ブロック１３０が出力し、入力端子１３６に印加されている直流の入力電圧Ｖ_ｉｎは、降圧用回路ブロック１０４内のトランジスタとチョークコイル１０５の動作によって降圧され、出力端子１３８から出力される。
【０００９】
逆に、昇圧用回路ブロック１０６が動作する場合、降圧用回路ブロック１０４は入力端子１３６とチョークコイル１０５とを直結し、降圧用回路ブロック１０４内のトランジスタとチョークコイル１０５の動作によって、入力端子１３６の入力電圧Ｖ_ｉｎは昇圧して出力される。
【００１０】
負荷１３４が放電した二次電池であって、負荷１３４を充電する場合、先ず、出力端子１３８の電圧が入力電圧Ｖ_ｉｎよりも小さい間、降圧用回路ブロック１０４の動作によって負荷１３４を充電し、出力端子１３８の出力電圧Ｖ_ｏｕｔが入力電圧Ｖｉ_ｎ付近まで上昇すると、動作が降圧ブロック１０４から昇圧ブロック１０６に切り換わり、昇圧ブロック１０６によって負荷１３４が充電され、出力電圧Ｖ_ｏｕｔは入力電圧Ｖ_ｉｎを超えて上昇する。
【００１１】
負荷１３４を充電する出力電流Ｉ_ｏｕｔは定電流になっており、出力端子１３８の出力電圧Ｖ_ｏｕｔは直線的に上昇する。
【００１２】
【特許文献１】特開平１０−４２５５０号公報
【特許文献２】特開平５−３２８７１２号公報
【特許文献３】実開平６−７０４８６号公報
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら降圧用回路ブロック１０４と昇圧用回路ブロック１０６の動作が切り替わる際、動作が不安定になるという問題がある。
【００１３】
本発明は上記従来技術の不都合を解決するために創作されたものであり、その目的は、出力電圧Ｖ_ｏｕｔを安定して制御できる電源装置の運転方法を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１記載の発明は、チョークコイルと降圧用スイッチング素子と昇圧用スイッチング素子とを有し、直流電圧源の高電圧側の端子と低電圧側の端子のいずれか一方を入力端子とし、他方を接地端子としたときに、前記チョークコイルの第一の端子は、前記降圧用スイッチング素子によって前記入力端子に接続され、前記チョークコイルの第二の端子は、前記昇圧用スイッチング素子によって前記接地端子に接続された電源装置を運転し、前記電源装置の出力端子の電圧を上昇させる電源装置の運転方法であって、前記出力端子の電圧が、前記入力端子の電圧と前記接地端子の電圧との間の電圧である第一の基準電圧に達するまでの間、前記降圧用スイッチング素子をスイッチング動作させ、前記入力端子の電圧を降圧させて前記出力端子から出力する降圧工程と、前記出力端子の電圧が前記第一の基準電圧に達した後は、前記出力端子の電圧が、前記第一の基準電圧と同極性で、前記入力端子の電圧よりも絶対値が大きな第二の基準電圧に達するまでの間、前記降圧用スイッチング素子を、その両端に電圧降下が生じる五極管動作させながら前記昇圧用スイッチング素子をスイッチング動作させて前記第一の端子の電圧を昇圧させ、前記出力端子から出力する降昇圧工程と、前記第二の基準電圧に達した後は、前記昇圧用スイッチング素子をスイッチング動作させ、前記第一の端子の電圧を昇圧させて前記出力端子から出力する昇圧工程とを有する運転方法である。
請求項２記載の発明は、前記降昇圧工程では、前記第一の端子の電圧が定電圧になるように、前記降圧用スイッチング素子の両端に生じる電圧降下の大きさを制御する請求項１記載の運転方法である。
請求項３記載の発明は、前記降圧工程の間、前記昇圧用スイッチング素子を開放状態に置き、前記昇圧工程の間、前記降圧用スイッチング素子を、両端の電圧降下が可及的に小さくする三極管動作の状態に置く請求項１又は請求項２のいずれか１項記載の運転方法である。
請求項４記載の発明は、チョークコイルと降圧用スイッチング素子と昇圧用スイッチング素子とを有し、直流電圧源の高電圧側の端子と低電圧側の端子のいずれか一方を入力端子とし、他方を接地端子としたときに、前記チョークコイルの第一の端子は、前記降圧用スイッチング素子によって前記入力端子に接続され、前記チョークコイルの第二の端子は、前記昇圧用スイッチング素子によって前記接地端子に接続された電源装置であって、該電源装置は、前記降圧用スイッチング素子と前記昇圧用スイッチング素子の動作を制御する制御回路を有し、前記制御回路は、前記出力端子の電圧が上昇する場合に、前記出力端子の電圧が、前記入力端子の電圧と前記接地端子の電圧との間の電圧である第一の基準電圧に達するまでの間、前記降圧用スイッチング素子をスイッチング動作させ、前記入力端子の電圧を降圧させて前記出力端子から出力するように構成され、前記出力端子の電圧が前記第一の基準電圧に達した後は、前記出力端子の電圧が、前記第一の基準電圧と同極性で、前記入力端子の電圧よりも絶対値が大きな第二の基準電圧に達するまでの間、前記降圧用スイッチング素子を、その両端に電圧降下が生じる五極管動作させながら前記昇圧用スイッチング素子をスイッチング動作させて前記第一の端子の電圧を昇圧させ、前記出力端子から出力するように構成され、前記第二の基準電圧に達した後は、前記昇圧用スイッチング素子をスイッチング動作させ、前記第一の端子の電圧を昇圧させて前記出力端子から出力するように構成された電源装置である。
請求項５記載の発明は、前記制御回路は、前記五極管動作では、前記第一の端子の電圧が定電圧になるように、前記降圧用スイッチング素子の両端に生じる電圧降下の大きさを制御するように構成された請求項４記載の電源装置である。
請求項６記載の発明は、前記制御回路は、前記第二の基準電圧に達した後は、前記昇圧用スイッチング素子を開放状態に置き、前記降圧用スイッチング素子を、両端の電圧降下が可及的に小さくする三極管動作の状態に置くように構成された請求項４又は請求項５のいずれか１項記載の電源装置である。
【００１５】
本発明は上記のように構成されており、降圧用整流素子と昇圧用整流素子を設け、降圧用又は昇圧用スイッチング素子が導通すると、チョークコイルにエネルギーが蓄積され、降圧用又は昇圧用スイッチング素子が遮断すると、チョークコイルに蓄積されたエネルギーにより、降圧用又は昇圧用整流素子を介して負荷に電流が供給されるように構成されている。
【００１６】
そして、降圧用スイッチング素子がスイッチング動作すると、入力電圧は降圧して出力され（降圧工程）、昇圧用スイッチング素子がスイッチング動作すると、入力電圧は昇圧して出力される（昇圧工程）ようになっている。
【００１７】
降圧工程では、昇圧用スイッチング素子は開放状態（遮断状態）に置かれ、昇圧工程では、降圧用スイッチング素子は、導通抵抗が可及的に小さい三極管動作に置かれる。また、スイッチング動作中の導通状態は三極管動作であり、できるだけ高効率に電圧変換するようになっている。
【００１８】
降圧工程から昇圧工程に切り替わる間に、降圧用スイッチを五極管動作させ、第一の端子の電圧の絶対値を、入力電圧の電圧の絶対値よりも小さくし、昇圧用スイッチング素子をスイッチング動作させると、第一の端子の電圧が昇圧して出力端子から出力される（降昇圧工程）。
【００１９】
従って、負荷を充電する際、降圧工程から降昇圧工程を経て昇圧工程に移行するので、出力端子の電圧が入力端子の電圧と略等しくなったときの不安定動作は除かれる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図１の符号２と、図２の符号３は、本発明に用いることができる電源装置であり、同じ部材には同じ符号を付すと、電源装置２、３は、制御回路１０と、降圧用回路ブロック４と、チョークコイル５と、昇圧用回路ブロック６とを有している。
【００２１】
これら電源装置２、３は、両方とも、電源用回路ブロック３０から供給される直流電圧を昇降圧変換し、負荷３４に供給するように構成されているが、図１の電源装置２は、入力電圧Ｖ_ｉｎと出力電圧Ｖ_ｏｕｔが正電圧である電源装置であり、図２の電源装置３は、負電圧の電源装置である。
【００２２】
各回路ブロック３０、４、６の内部構成を説明すると、電源用回路ブロック３０は、商用電源を整流平滑し、直流電圧を生成する直流電圧源３１と、直流電圧源３１に対して並列接続された入力コンデンサ３２とを有しており、入力コンデンサ３２により、直流電圧源３１が出力する直流電圧からリップル成分が除去され、リップル成分の少ない直流電圧が入力端子３６と接地端子３７の間に印加されるように構成されている。電源装置２、３の接地端子は、電源用回路ブロック３０の接地端子と電気的に同じ場所なので、同じ符号３７を付す。
【００２３】
降圧用回路ブロック４は、降圧用スイッチング素子１１と降圧用整流素子１２とを有している。
【００２４】
コイル５の一端を第一の端子として符号５１で示すと、第一の端子５１は、降圧用スイッチング素子１１によって入力端子３６に接続され、降圧用整流素子１２によって接地端子３７に接続されている。
【００２５】
降圧用整流素子１２の接続の向き（極性）は、降圧用スイッチング素子１１が導通したときに逆バイアスされる向きであり、正電圧出力の電源装置２では、第一の端子５１が降圧用整流素子１２のカソード側に接続され、接地端子３７がアノード側に接続されている。負電圧出力の電源装置３では、それとは反対である。
【００２６】
次に、昇圧用回路ブロック６は、昇圧用スイッチング素子２１と昇圧用整流素子２２と出力コンデンサ３３とを有している。
【００２７】
コイル５の、第一の端子５１とは反対側の端子を第二の端子５２とすると、第二の端子５２は、昇圧用整流素子２２によって出力端子３８に接続されており、昇圧用スイッチ素子２１によって接地端子３７に接続されている。
【００２８】
出力コンデンサ３３は、出力端子３８と接地端子３７の間に接続されており、昇圧用スイッチング素子２１が導通すると、第二の端子５２は接地端子３７に接続される。
【００２９】
この状態では、昇圧用整流素子２２の両端に出力コンデンサ３３に充電された電圧が印加される。
【００３０】
昇圧用整流素子２２の極性は、出力コンデンサ３３の電圧が印加されるときに逆バイアスとなる極性で接続されており、正電圧出力の電源装置２の場合、降圧用整流素子２２のアノード側が第二の端子５２に接続され、カソード側が出力端子３８に接続されている。負電圧出力の電源装置３の場合、それとは反対である。
【００３１】
入力電圧Ｖ_ｉｎの絶対値が出力コンデンサ３３の電圧、即ち、出力端子３８の電圧の絶対値よりも大きい場合、昇圧用スイッチング素子２１が開放状態（遮断状態）であり、降圧用スイッチング素子１１が導通すると、入力端子３６は、降圧用スイッチング素子１１と、チョークコイル５と、昇圧用整流素子５２とを介して出力端子３８に接続され、昇圧用整流素子２２は順バイアスされ、電源用回路ブロック３０から、負荷３４及び出力コンデンサ３３に電流が供給される。
【００３２】
このとき、降圧用スイッチング素子１１がスイッチング動作をしていると、導通状態から遮断状態に転じたときに、チョークコイル５に起電力が生じ、それによって降圧用整流素子１２と昇圧用整流素子２２とが順バイアスされ、チョークコイル５に蓄積されたエネルギーが出力電流Ｉ_ｏｕｔとなって、負荷３４及び出力コンデンサ３３に供給される。
【００３３】
降圧用スイッチング素子１１が上記のようにスイッチング動作を行う期間を降圧工程と呼ぶと、降圧工程では入力電圧Ｖ_ｉｎは降圧され、入力電圧Ｖ_ｉｎよりも絶対値の小さな電圧が出力電圧Ｖ_ｏｕｔとなる。
【００３４】
逆に、入力電圧Ｖ_ｉｎの絶対値が出力電圧Ｖ_ｏｕｔの絶対値よりも小さい状態で、電源用回路ブロック３０から負荷３４及び出力コンデンサ３３に電流を供給する場合は、降圧用スイッチング素子１１は可及的に導通抵抗が小さい三極管動作で導通状態を維持し、第一の端子５１に入力電圧Ｖ_ｉｎと略等しい電圧が印加される状態で昇圧用スイッチング素子２１がスイッチング動作する。
【００３５】
これを説明すると、先ず、昇圧用スイッチング素子２１が導通すると、第二の端子５２が接地端子３７に接続され、チョークコイル５に電流が流れ、次に、昇圧用スイッチング素子２１が導通から遮断に転じると、チョークコイル５に起電力が生じ、その電圧によって昇圧用整流素子２２が順バイアスされ、チョークコイル５に蓄積されたエネルギーが出力電流Ｉ_ｏｕｔとなって、出力端子３８から出力されるる。
【００３６】
昇圧用スイッチング素子２１が上記のようなスイッチング動作を行う工程を昇圧工程と呼び、この昇圧工程では、入力電圧Ｖ_ｉｎは昇圧され、出力電圧Ｖ_ｏｕｔは入力電圧Ｖ_ｉｎよりも絶対値が大きくなる。
【００３７】
この電源装置２、３では、制御回路１０に、出力端子３８に現れる出力電圧Ｖ_ｏｕｔと、入力端子３６の入力電圧Ｖ_ｉｎと、第一の端子５１の電圧Ｖ_１の大きさが入力され、また、不図示の電流センサにより、出力端子３８から負荷３４に供給される出力電流Ｉ_ｏｕｔの大きさと、チョークコイル５に流れる電流の大きさが検出され、制御回路に入力されている。
【００３８】
また、制御回路１０内には、入力電圧Ｖ_ｉｎと接地端子３７の間の電圧である第一の基準電圧Ｖ_ｒｅｆ１と、第一の基準電圧Ｖ_ｒｅｆ１と同極性で、入力電圧Ｖ_ｉｎよりも絶対値の大きな電圧である第二の基準電圧Ｖ_ｒｅｆ２とが設定されており、後述する降昇圧工程で、出力電圧Ｖ_ｏｕｔと入力電圧Ｖ_ｉｎの大小関係を判別し、第一の端子５１の電圧Ｖ_１を制御するように構成されている。
【００３９】
この電源装置２、３の運転方法を説明すると、負荷３４が未充電の二次電池であり、出力端子３８の電位が接地電位に近い場合、先ず、降圧工程によって入力電圧Ｖ_ｉｎを降下させ、負荷３４を充電する。このとき、測定された出力電流Ｉ_ｏｕｔの値から降圧用スイッチング素子１１のデューティを制御し、負荷３４には定電流を供給する。定電流が供給されることにより、出力電圧Ｖ_ｏｕｔの絶対値は直線的に大きくなる。
【００４０】
出力端子３８の電圧Ｖ_ｏｕｔの絶対値が大きくなり、第一の基準電圧Ｖ_ｒｅｆ１に達すると、降圧用スイッチング素子１１のスイッチング動作を終了させ、導通抵抗が制御可能な五極間動作に切り換える。この状態で降圧用スイッチング素子１１に電流が流れると、降圧用スイッチング素子１１の両端に電圧降下が生じる。
【００４１】
その電圧降下の大きさは、制御回路１０によって制御されており、入力電圧Ｖ_ｉｎの変動や、流れる電流量の変動による電圧変動分が打ち消され、第一の端子５１の電圧Ｖ_１が予め設定された設定電圧Ｖ_ｃを維持するようにされている。
【００４２】
設定電圧Ｖ_ｃは一定電圧であり、第一の基準電圧Ｖ_ｒｅｆ１と接地電位（接地端子３７の電圧）の間の電圧に設定されている。また、絶対値は、このときの出力端子３８の出力電圧Ｖ_ｏｕｔ、即ち、第一の基準電圧Ｖ_ｒｅｆ１の絶対値以下の値が採用されている。従って、出力電圧Ｖ_ｏｕｔが正電圧の電源装置２では、ゼロＶ（接地電位）≦Ｖ_ｃ≦Ｖ_ｒｅｆ１であり、負電圧の場合、ゼロＶ（接地電位）≧Ｖ_ｃ≧Ｖ_ｒｅｆ１である。
【００４３】
第一の端子５１の電圧Ｖ_１は、チョークコイルと昇圧用回路ブロック６とで構成される昇圧回路の入力電圧となっているから、昇圧用回路ブロック６は動作可能となり、制御回路１０が昇圧用スイッチング素子２１をスイッチング動作させると、第一の端子Ｖ_１の電圧は昇圧され、出力端子３７の出力電圧Ｖ_ｏｕｔとなる。
【００４４】
このとき、出力電流Ｉ_ｏｕｔの測定値から昇圧用スイッチ素子２１のデューティを制御し、出力電流Ｉ_ｏｕｔを定電流に制御し、負荷３４を定電流充電する。
【００４５】
負荷３４の充電に従い、出力電圧Ｖ_ｏｕｔの絶対値が増大し、入力電圧Ｖ_ｉｎの絶対値よりも大きくなると、降圧用スイッチング素子１１が五極管動作から三極管動作に移行し、その両端の電圧降下がゼロとなっても昇圧用回路ブロック６は動作可能な状態になる。
【００４６】
ここでは、出力電圧Ｖ_ｏｕｔが増大し、その絶対値が入力電圧Ｖ_ｉｎの絶対値を超え、第二の基準電圧Ｖ_ｒｅｆ２に達したときに、降圧用スイッチング素子１１が五極管動作から三極管動作に移行するように設定されており、降圧用スイッチング素子１１が三極管動作に移行した後は、昇圧用スイッチング素子２１のスイッチング動作による昇圧工程で、負荷３４に定電流が供給される。最終的に、出力電圧Ｖ_ｏｕｔの絶対値が、第二の基準電圧Ｖ_ｒｅｆ２の絶対値を超えて大きくなり、目標電圧Ｖ_ｅｎｄに達すると充電作業は終了する。
【００４７】
図３は、正電圧出力の電源装置２の場合の、出力電圧Ｖ_ｏｕｔと第一の端子５１の電圧Ｖ_１の変化を示すグラフである。Ｖ_ｓａｔは降圧用スイッチング素子１１の三極管動作時の導通電圧である。降圧用スイッチング素子１１と昇圧用スイッチング素子２１に同種類の素子を用いた場合、両方のスイッチング素子１１、２１のＶ_ｓａｔは略等しくなる。
【００４８】
また、符号Ｖ_Ｆは降圧用整流素子１２の順方向導通電圧であり、昇圧用整流素子２２が同種類の素子であれば両者のＶ_Ｆは等しい。
【００４９】
出力電圧Ｖ_ｏｕｔが第一の基準電圧Ｖ_ｒｅｆ１に達する時刻ｔ_１までは、第一の端子５１の電圧Ｖ_１はＶ_ｉｎ−Ｖ_ｓａｔと−Ｖ_Ｆの間で振動している。時刻ｔ_１の経過後、出力電圧Ｖ_ｏｕｔが第二の基準電圧Ｖ_ｒｅｆ２に達する時刻ｔ_２までの間は、設定電圧Ｖ_Ｃが維持される。時刻ｔ_２の経過後は、Ｖ_ｉｎ−Ｖ_ｓａｔとなる。
【００５０】
図４のグラフは従来技術の運転方法の場合であり、出力電圧Ｖ_ｏｕｔが入力電圧Ｖ_ｉｎに達するまでは降圧動作し、入力電圧Ｖ_ｉｎを超えると昇圧動作に移行している。この場合、出力電圧Ｖ_ｏｕｔが入力電圧Ｖ_ｉｎに近い時刻ｔ_ａの付近で不安定になる。
【００５１】
本発明では、時刻ｔ_ａに相当する時刻では、第一の端子５１の電圧Ｖ_１が入力電圧Ｖ_ｉｎよりも低い設定電圧Ｖ_ｃにされており、しかも、その設定電圧Ｖ_ｃは一定電圧に制御されているから、動作が不安定になることはない。
【００５２】
なお、本発明で用いた降圧用スイッチング素子１１は、バイポーラトランジスタ、ＭＯＳトランジスタ、ＩＧＢＴ等の半導体素子等のトランジスタであり、導通抵抗を可及的に小さくできる三極管動作と、導通抵抗が可変の五極管動作ができるようになっている。
【００５３】
また、本発明の昇圧用スイッチング素子１１は、三極管動作ができればよく、五極管動作可能なトランジスタの他、三極管動作のみができるリレー素子のような素子を用いることもできる。
【００５４】
また、降圧用及び昇圧用整流素子１２、２２は、ｐｎ接合ダイオードやショットキーダイオードの他、ＭＯＳトランジスタを用い、それに逆方向に電流を流す場合も含まれる。
【００５５】
【発明の効果】
動作が安定な電源を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】正電圧出力の昇降圧型の電源装置の回路図
【図２】負電圧出力の昇降圧型の電源装置の回路図
【図３】本発明の運転方法を説明するためのグラフ
【図４】従来の運転方法を説明するためのグラフ
【図５】従来の昇降圧型電源装置の回路ブロック図
【符号の説明】
２、３……電源装置
５……チョークコイル
１０……制御回路
１１……降圧用スイッチング素子
２１……昇圧用スイッチング素子
３０……直流電圧源
３６……入力端子
３７……接地端子
５１……第一の端子
５２……第二の端子[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to the technology of a power supply device, and more particularly to a power supply device for charging a load using a step-up / step-down power supply device and an operation method thereof.
[0002]
[Prior art]
Reference numeral 102 in FIG. 5 indicates a general buck-boost power supply device, and reference numeral 130 indicates a power supply circuit block that supplies a DC voltage to the power supply device 102.
[0003]
The power supply device 102 includes a control circuit 110, a step-down circuit block 104, a choke coil 105, and a step-up circuit block 106.
[0004]
Assuming that the terminal on the high voltage side of the power supply circuit block 130 is the input terminal 136 and the terminal on the ground potential side is the ground terminal 137, a step-down circuit is provided between the input terminal 136 and the output terminal 138 of the power supply device 102 as a whole. The circuit block 104, the choke coil 105, and the boosting circuit block 106 are connected in this order as viewed from the input terminal 136.
[0005]
Since the ground terminal of the power supply device 102 is electrically the same as the ground terminal of the power supply circuit block 130, the same reference numeral 137 is assigned.
[0006]
A load 134 is connected between the output terminal 138 and the ground terminal 137. When the output voltage V _out appears at the output terminal 138, the output voltage V _out is applied to the load 134.
[0007]
Assuming that the current supplied from the output terminal 138 to the load 134 is the output current _Iout , the output voltage _Vout and the output current _Iout are detected by a sensor (not shown), and the detection result is input to the control circuit 110. The step-down and step-up circuit blocks 104 and 106 are controlled by the control circuit 110 based on the detection result.
[0008]
When the step-down circuit block 104 operates, the step-up circuit block 106 directly connects the choke coil 105 and the output terminal 138. Then, the DC input voltage Vin output from the power supply circuit block 130 and applied to the input terminal 136 is stepped down by the operation of the transistor and the choke coil 105 _in the step-down circuit block 104 and output from the output terminal 138. Is done.
[0009]
Conversely, when the step-up circuit block 106 operates, the step-down circuit block 104 directly connects the input terminal 136 and the choke coil 105, and the input terminal 136 is operated by the operation of the transistor and the choke coil 105 in the step-down circuit block 104. the input voltage V _in of the output is boosted.
[0010]
A secondary battery load 134 is discharged, when charging the load 134, first, between the voltage of the output terminal 138 is less than the input voltage V _in, the load 134 is charged by the operation of the step-down circuit block 104, When the output voltage _{V out} of _the output terminal 138 rises to near the input voltage Vi _n, the operation is switched from the step-down block 104 to the booster block 106, the load 134 is charged by the boosted block 106, the output voltage _{V out} is input voltage _{V in} Rise beyond.
[0011]
The output current I _out for charging the load 134 is a constant current, and the output voltage V _out of the output terminal 138 increases linearly.
[0012]
[Patent Document 1] Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-42550 [Patent Document 2] Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-328712 [Patent Document 3] Japanese Utility Model Application Laid-Open No. 6-70486 [Problems to be Solved by the Invention]
However, there is a problem that the operation becomes unstable when the operation of the step-down circuit block 104 and the operation of the step-up circuit block 106 are switched.
[0013]
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-described disadvantages of the related art, and an object of the present invention is to provide a method of operating a power supply device capable of stably controlling an output voltage _Vout .
[0014]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problem, the invention according to claim 1 includes a choke coil, a step-down switching element, and a step-up switching element, and includes one of a high-voltage terminal and a low-voltage terminal of a DC voltage source. When one is an input terminal and the other is a ground terminal, the first terminal of the choke coil is connected to the input terminal by the step-down switching element, and the second terminal of the choke coil is A method of operating a power supply, wherein a power supply connected to the ground terminal is operated by a boosting switching element to increase a voltage of an output terminal of the power supply, wherein the voltage of the output terminal is a voltage of the input terminal. The step-down switching element performs a switching operation until reaching a first reference voltage which is a voltage between the voltage of the input terminal and the voltage of the input terminal. A step-down step of stepping down and outputting from the output terminal, and after the voltage of the output terminal reaches the first reference voltage, the voltage of the output terminal has the same polarity as the first reference voltage, Until the second reference voltage having an absolute value larger than the voltage of the input terminal reaches the second reference voltage, the step-down switching element performs a pentode operation in which a voltage drop occurs at both ends thereof, and the step-up switching element performs a switching operation. And boosting the voltage of the first terminal, and a step-down step of outputting from the output terminal, and after reaching the second reference voltage, the step-up switching element performs a switching operation, and the first A boosting step of boosting the voltage of the terminal and outputting the boosted voltage from the output terminal.
According to a second aspect of the present invention, in the step-down step, a magnitude of a voltage drop generated at both ends of the step-down switching element is controlled such that a voltage of the first terminal becomes a constant voltage. It is a driving method.
The invention according to claim 3, wherein the step-up switching element is placed in an open state during the step-down step, and the voltage drop across the step-down switching element is made as small as possible during the step-up step. An operation method according to any one of claims 1 and 2, wherein the operation method is in an operating state.
The invention according to claim 4 includes a choke coil, a step-down switching element, and a step-up switching element, wherein one of a high-voltage terminal and a low-voltage terminal of the DC voltage source is used as an input terminal, and the other is used as an input terminal. Is a ground terminal, the first terminal of the choke coil is connected to the input terminal by the step-down switching element, and the second terminal of the choke coil is the ground terminal by the step-up switching element. A power supply device connected to the power supply device, the power supply device has a control circuit for controlling the operation of the step-down switching element and the step-up switching element, the control circuit increases the voltage of the output terminal In this case, the step-down is performed until the voltage of the output terminal reaches a first reference voltage that is a voltage between the voltage of the input terminal and the voltage of the ground terminal. The switching element performs a switching operation, is configured to step down the voltage of the input terminal and output from the output terminal, and after the voltage of the output terminal reaches the first reference voltage, the voltage of the output terminal However, until the voltage reaches the second reference voltage having the same polarity as the first reference voltage and an absolute value larger than the voltage of the input terminal, the step-down switching element is subjected to a voltage drop at both ends thereof. The voltage of the first terminal is boosted by performing a switching operation of the boosting switching element while operating the arc tube, and is configured to be output from the output terminal, and after reaching the second reference voltage, A power supply device configured to perform a switching operation of a boosting switching element to boost a voltage of the first terminal and output the boosted voltage from the output terminal.
According to a fifth aspect of the present invention, in the pentode operation, the control circuit reduces a magnitude of a voltage drop generated across the step-down switching element such that a voltage of the first terminal becomes a constant voltage. 5. The power supply according to claim 4, wherein the power supply is configured to control.
According to a sixth aspect of the present invention, after the control circuit reaches the second reference voltage, the control circuit puts the boosting switching element in an open state, and the voltage drop across the stepping-down switching element is as large as possible. The power supply device according to claim 4 or 5, wherein the power supply device is configured to be placed in a triode operation state in which the power supply device is reduced in size.
[0015]
The present invention is configured as described above, and is provided with a step-down rectifying element and a step-up rectifying element. When the step-down or step-up switching element conducts, energy is accumulated in the choke coil, and the step-down or step-up switching element is provided. Is shut off, a current is supplied to the load via the step-down or step-up rectifying element by the energy stored in the choke coil.
[0016]
When the step-down switching element performs a switching operation, the input voltage is stepped down and output (step-down step). When the step-up switching element performs a switching operation, the input voltage is stepped up and output (step-up step). I have.
[0017]
In the step-down step, the step-up switching element is placed in an open state (cut-off state), and in the step-up step, the step-down switching element is placed in a triode operation with a conduction resistance as small as possible. The conduction state during the switching operation is a triode operation, and voltage conversion is performed with as high efficiency as possible.
[0018]
During switching from the step-down step to the step-up step, the step-down switch is operated as a pentode, the absolute value of the voltage at the first terminal is made smaller than the absolute value of the input voltage, and the step-up switching element is switched. Then, the voltage of the first terminal is boosted and output from the output terminal (step-down step).
[0019]
Therefore, when charging the load, since the process shifts from the step-down step to the step-up step via the step-up step, the unstable operation when the voltage at the output terminal becomes substantially equal to the voltage at the input terminal is eliminated.
[0020]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Reference numeral 2 in FIG. 1 and reference numeral 3 in FIG. 2 are power supply devices that can be used in the present invention. When the same reference numerals are given to the same members, the power supply devices 2 and 3 are connected to the control circuit 10 and the It has a circuit block 4, a choke coil 5, and a boosting circuit block 6.
[0021]
Both of the power supply devices 2 and 3 are configured to step up / down convert a DC voltage supplied from the power supply circuit block 30 and supply the DC voltage to the load 34. The power supply device 2 in FIG. a power supply voltage V _in and the output voltage V _out is a positive voltage, the power supply device 3 in FIG. 2 is a power supply of the negative voltage.
[0022]
Explaining the internal configuration of each of the circuit blocks 30, 4, and 6, the power supply circuit block 30 is connected in parallel to a DC voltage source 31 that rectifies and smoothes commercial power and generates a DC voltage, and a DC voltage source 31. The input capacitor 32 removes a ripple component from the DC voltage output from the DC voltage source 31, and applies a DC voltage with a small ripple component between the input terminal 36 and the ground terminal 37. It is configured to be. The ground terminals of the power supply devices 2 and 3 are electrically the same as the ground terminals of the power supply circuit block 30, and therefore, are denoted by the same reference numerals 37.
[0023]
The step-down circuit block 4 includes a step-down switching element 11 and a step-down rectifier 12.
[0024]
When one end of the coil 5 is indicated by a reference numeral 51 as a first terminal, the first terminal 51 is connected to the input terminal 36 by the step-down switching element 11 and connected to the ground terminal 37 by the step-down rectifier 12. .
[0025]
The connection direction (polarity) of the step-down rectifying element 12 is the direction in which the step-down switching element 11 is reverse-biased when the step-down switching element 11 is turned on. In the positive voltage output power supply device 2, the first terminal 51 is connected to the step-down rectifier. The element 12 is connected to the cathode side, and the ground terminal 37 is connected to the anode side. The opposite is true for the power supply 3 with a negative voltage output.
[0026]
Next, the boosting circuit block 6 includes a boosting switching element 21, a boosting rectifying element 22, and an output capacitor 33.
[0027]
Assuming that a terminal of the coil 5 on the side opposite to the first terminal 51 is a second terminal 52, the second terminal 52 is connected to the output terminal 38 by the step-up rectifying element 22, and the step-up switch element 21 is connected to the ground terminal 37.
[0028]
The output capacitor 33 is connected between the output terminal 38 and the ground terminal 37. When the boosting switching element 21 is turned on, the second terminal 52 is connected to the ground terminal 37.
[0029]
In this state, the voltage charged in the output capacitor 33 is applied to both ends of the boosting rectifying element 22.
[0030]
The polarity of the step-up rectifying element 22 is connected in a reverse bias when the voltage of the output capacitor 33 is applied. In the case of the power supply device 2 having a positive voltage output, the anode side of the step-down rectifying element 22 is the second side. The second terminal 52 is connected, and the cathode side is connected to the output terminal 38. The opposite is true for the power supply 3 with a negative voltage output.
[0031]
Absolute value the voltage of the output capacitor 33 of the input voltage V _in, that is, greater than the absolute value of the voltage of the output terminal 38, the step-up switching element 21 is in an open state (disconnected state), the step-down switching element 11 When conducting, the input terminal 36 is connected to the output terminal 38 via the step-down switching element 11, the choke coil 5, and the step-up rectifier 52, and the step-up rectifier 22 is forward-biased, and the power supply circuit block. From 30, a current is supplied to the load 34 and the output capacitor 33.
[0032]
At this time, when the step-down switching element 11 performs a switching operation, when the conduction state changes to the cut-off state, an electromotive force is generated in the choke coil 5, thereby causing the step-down rectification element 12 and the step-up rectification element 22. Are forward-biased, and the energy stored in the choke coil 5 becomes the output current I _out and is supplied to the load 34 and the output capacitor 33.
[0033]
When the period during which the step-down switching element 11 performs a switching operation as described above is referred to as a step-down process, the input voltage V _in the step-down process is stepped down, a small voltage of absolute value than the input voltage V _in and the output voltage V _out Become.
[0034]
Conversely, in a state of being smaller than the absolute value of the absolute value of the output voltage V _out of _the input voltage V _in, the case of supplying a current from the power source circuit block 30 to the load 34 and the output capacitor 33, the step-down switching element 11 maintaining the conductive state in the conduction resistance is small triode operation as much as possible, boosting switching element 21 in a state in which a voltage substantially equal to the input voltage V _in to the first terminal 51 is applied to operate the switching.
[0035]
To explain this, first, when the boosting switching element 21 becomes conductive, the second terminal 52 is connected to the ground terminal 37, a current flows through the choke coil 5, and then the boosting switching element 21 is turned off from conduction. When the choke coil 5 turns, an electromotive force is generated in the choke coil 5, the boost rectifying element 22 is forward-biased by the voltage, and the energy stored in the choke coil 5 becomes the output current I _out and is output from the output terminal 38.
[0036]
The process of boosting switching element 21 performs a switching operation as described above is referred to as a step-up process, in this boosting step, the input voltage V _in is boosted, the output voltage V _out is the absolute value becomes larger than the input voltage V _in .
[0037]
In the power supply device 2, the control circuit 10, the output voltage _{V out} at the output terminal 38, the input voltage _{V in} at the input terminal 36, the magnitude of the voltage _{V 1} of the first terminal 51 is inputted, Further, the magnitude of the output current I _out supplied from the output terminal 38 to the load 34 and the magnitude of the current flowing through the choke coil 5 are detected by a current sensor (not shown) and input to the control circuit.
[0038]
The control circuit 10, a first reference voltage _{V ref1} is a voltage between the ground terminal 37 and the input voltage _{V in,} the same polarity as the first reference voltage _{V ref1,} than the input voltage _{V in} a large voltage of absolute value and a second reference voltage V _ref2 is set in later-described down conversion process, to determine the magnitude of the output voltage V _out and the input voltage V _in, the first terminal 51 It is configured to control the voltage V _1.
[0039]
To explain the operating method of the power supply device 2, the load 34 is a secondary battery uncharged, when the potential of the output terminal 38 is close to the ground potential, first, lowers the input voltage V _in by the step-down process, The load 34 is charged. At this time, the duty of the step-down switching element 11 is controlled from the measured value of the output current I _out , and a constant current is supplied to the load 34. By supplying the constant current, the absolute value of the output voltage V _out increases linearly.
[0040]
When the absolute value of the voltage _{Vout at} the output terminal 38 increases and reaches the first reference voltage _Vref1 , the switching operation of the step-down switching element 11 is terminated, and the operation is switched to a five-pole operation in which the conduction resistance can be controlled. When a current flows through the step-down switching element 11 in this state, a voltage drop occurs at both ends of the step-down switching element 11.
[0041]
The magnitude of the voltage drop is controlled by the control circuit 10, variation and the input voltage V _in, the voltage variation due to variation in the amount of current flowing is canceled, the set voltage V ₁ of the first terminal 51 in advance It is adapted to maintain been set voltage V _c.
[0042]
Set voltage V _c is constant voltage, is set to a voltage between the first reference voltage V _ref1 ground potential (voltage of the ground terminal 37). As the absolute value, a value equal to or less than the output voltage V _out of the output terminal 38 at this time, that is, the absolute value of the first reference voltage V _ref1 is used. Therefore, in the power supply device 2 in which the output voltage V _out is a positive voltage, zero V (ground potential) ≦ V _c ≦ V _ref1 , and in the case of a negative voltage, zero V (ground potential) ≧ V _c ≧ V _ref1 .
[0043]
Since the voltage V1 of the _first terminal 51 is the input voltage of the booster circuit composed of the choke coil and the booster circuit block 6, the booster circuit block 6 becomes operable, and the control circuit 10 When the switching element 21 for switching is operated, the voltage of the first terminal V ₁ is boosted and becomes the output voltage V _out of the output terminal 37.
[0044]
At this time, by controlling the duty of the step-up switching element 21 from the measured value of the output current I _out, to control the output current I _out to a constant current, the load 34 to a constant current charge.
[0045]
According charging of the load 34, the absolute value increases the output voltage V _out, becomes greater than the absolute value of the input voltage V _in, the step-down switching element 11 is shifted from the pentode operation triode operation, the voltage across Even if the drop becomes zero, the boosting circuit block 6 becomes operable.
[0046]
Here, the output voltage V _out increases, its absolute value exceeds the absolute value of the input voltage V _in, when it reaches the second reference voltage V _ref2, triode voltage-falling switching element 11 from the pentode operation After the step-down switching element 11 shifts to the triode operation, a constant current is supplied to the load 34 in the step of boosting by the switching operation of the step-up switching element 21. Eventually, when the absolute value of the output voltage V _out exceeds the absolute value of the second reference voltage V _ref2 and reaches the target voltage V _end , the charging operation ends.
[0047]
3, when the power supply 2 of the positive voltage output is a graph showing changes in voltage V ₁ of the output voltage V _out and the first terminal 51. V _sat is a conduction voltage when the step-down switching element 11 operates as a triode. When the same type of element is used for the step-down switching element 11 and the step-up switching element 21, V _sat of both the switching elements 11 and 21 becomes substantially equal.
[0048]
Further, reference numeral V _F is the forward conduction voltage of the voltage-falling rectifier element 12, V _F of both long step-up rectifying element 22 is the same type of elements are equal.
[0049]
Output voltage _{V out} is until the time _{t 1} to reach the first reference voltage _{V ref1,} the voltage _{V 1} of the first terminal 51 is oscillating between _V in _{-V sat} and -V _F. After a time _{t 1,} until time _{t 2} when _the output voltage _{V out} reaches the second reference voltage _{V ref2} is set voltage _{V C} is maintained. After the lapse of the time _{t 2} _is a V _{in -V sat.}
[0050]
Graph in Figure 4 shows the case of the operating method of the prior art, until the output voltage V _out reaches the input voltage V _in is shifted to the step-up operation and the step down operation, exceeds the input voltage V _in. In this case, the output voltage _{V out} becomes unstable in the vicinity of the time _{t a} close to the input voltage _{V in.}
[0051]
In the present invention, the time corresponding to the time t _a, and the voltage V ₁ of the first terminal 51 is in the lower set voltage V _c than the input voltage V _in, moreover, to the set voltage V _c is a constant voltage Since it is controlled, the operation does not become unstable.
[0052]
The step-down switching element 11 used in the present invention is a transistor such as a semiconductor element such as a bipolar transistor, a MOS transistor, or an IGBT. It is capable of operating an arc tube.
[0053]
Further, the boosting switching element 11 of the present invention only needs to be capable of triode operation, and may use a transistor such as a relay element capable of only triode operation in addition to a transistor capable of pentode operation.
[0054]
The step-down and step-up rectifier elements 12 and 22 include a case where a MOS transistor is used in addition to a pn junction diode or a Schottky diode, and a current flows in the reverse direction.
[0055]
【The invention's effect】
A power supply with stable operation can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit diagram of a step-up / step-down power supply device having a positive voltage output. FIG. 2 is a circuit diagram of a step-up / step-down power supply device having a negative voltage output. FIG. 3 is a graph illustrating an operation method of the present invention. FIG. 5 is a graph for explaining a conventional operation method. FIG. 5 is a circuit block diagram of a conventional buck-boost power supply device.
2, 3 Power supply device 5 Choke coil 10 Control circuit 11 Step-down switching element 21 Step-up switching element 30 DC voltage source 36 Input terminal 37 Ground terminal 51 First terminal 52... Second terminal

Claims

It has a choke coil, a step-down switching element and a step-up switching element, and when one of a high-voltage terminal and a low-voltage terminal of a DC voltage source is used as an input terminal and the other is used as a ground terminal, A first terminal of the choke coil is connected to the input terminal by the step-down switching element, and a second terminal of the choke coil operates a power supply connected to the ground terminal by the step-up switching element. And an operating method of the power supply device for increasing the voltage of the output terminal of the power supply device,
Until the voltage of the output terminal reaches a first reference voltage that is a voltage between the voltage of the input terminal and the voltage of the ground terminal, the step-down switching element performs a switching operation, A step of stepping down a voltage to output from the output terminal,
After the voltage at the output terminal reaches the first reference voltage, the voltage at the output terminal has the same polarity as the first reference voltage, and has a second absolute value greater than the voltage at the input terminal. Until the reference voltage is reached, the step-down switching element performs a switching operation of the step-up switching element while performing a pentode operation in which a voltage drop occurs at both ends thereof, thereby boosting the voltage of the first terminal, A step-up / step-down step of outputting from an output terminal;
A boosting step of, after reaching the second reference voltage, switching the boosting switching element to boost the voltage of the first terminal and outputting the boosted voltage from the output terminal.

2. The operating method according to claim 1, wherein in the step-down step, a magnitude of a voltage drop generated between both ends of the step-down switching element is controlled such that a voltage of the first terminal becomes a constant voltage. 3.

2. The step-up switching element is placed in an open state during the step-down step, and the step-down switching element is put into a triode operation state in which a voltage drop across both ends is as small as possible during the step-up step. 3. Or the driving method according to claim 2.

It has a choke coil, a step-down switching element and a step-up switching element, and when one of a high-voltage terminal and a low-voltage terminal of a DC voltage source is used as an input terminal and the other is used as a ground terminal, A first terminal of the choke coil is connected to the input terminal by the step-down switching element, and a second terminal of the choke coil is connected to the ground terminal by the step-up switching element. hand,
The power supply device has a control circuit for controlling the operation of the step-down switching element and the step-up switching element,
The control circuit is configured such that when the voltage of the output terminal rises, the voltage of the output terminal reaches a first reference voltage which is a voltage between the voltage of the input terminal and the voltage of the ground terminal. During the switching operation of the step-down switching element, configured to step down the voltage of the input terminal and output from the output terminal,
After the voltage at the output terminal reaches the first reference voltage, the voltage at the output terminal has the same polarity as the first reference voltage, and has a second absolute value greater than the voltage at the input terminal. Until the reference voltage is reached, the step-down switching element performs a switching operation of the step-up switching element while performing a pentode operation in which a voltage drop occurs at both ends thereof, thereby boosting the voltage of the first terminal, It is configured to output from the output terminal,
A power supply device configured to, after reaching the second reference voltage, perform a switching operation of the boosting switching element to boost the voltage of the first terminal and output the boosted voltage from the output terminal.

The control circuit is configured to control a magnitude of a voltage drop generated across the step-down switching element so that a voltage of the first terminal becomes a constant voltage in the pentode operation. Item 5. The power supply according to Item 4.

The control circuit, after reaching the second reference voltage, put the boosting switching element in an open state,
The power supply device according to claim 4, wherein the step-down switching element is placed in a triode operation state in which a voltage drop across both ends is made as small as possible.