JP2006014545A - Step-up device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、入力電圧を昇圧する昇圧装置に関するものである。 The present invention relates to a booster that boosts an input voltage.
近年、電動モータは鉄道などの電車に用いられるだけでなく、自動車においてもその走行用に搭載されるようになっている。このような自動車における電動モータとしては、駆動電圧が200〜300V程度の直流電圧により、インバータを介して駆動される例がある。 In recent years, electric motors are used not only for trains such as railways, but also for automobiles for traveling. As an electric motor in such an automobile, there is an example in which a driving voltage is driven via an inverter with a DC voltage of about 200 to 300V.
その一方で、自動車に搭載される電動モータの駆動電圧は、自動車の加速力の向上を目指して高電圧に移行しており、500Vを超える駆動電圧が必要とされるようになっている。 On the other hand, the drive voltage of the electric motor mounted on the automobile has shifted to a high voltage with the aim of improving the acceleration force of the automobile, and a drive voltage exceeding 500V is required.
このため、駆動電圧としては、上述のように500Vを超えるほどの高電圧と、放電速度の緩和のために充電池の容積の増加の両方を調整しながら負荷の駆動を行う必要がある。 For this reason, as the drive voltage, it is necessary to drive the load while adjusting both the high voltage exceeding 500 V as described above and the increase in the capacity of the rechargeable battery in order to reduce the discharge rate.
このような様々な状況に応じて、入力電圧Vinを調整して負荷に駆動電圧を印加するものとして、一般に昇圧装置(昇圧回路)が使用される。この昇圧装置は、ジェネレータ等からの入力電圧Vinの電気エネルギーをコイル(リアクタ)で増大させながらチョッパ制御して電圧を出力するものであり、一定周期におけるパルスのオン時間とオフ時間の比によって昇圧比を制御する。 In general, a booster (a booster circuit) is used to adjust the input voltage Vin and apply a drive voltage to a load in accordance with various situations. This boosting device outputs a voltage by controlling the chopper while increasing the electric energy of the input voltage Vin from a generator or the like with a coil (reactor), and boosts the voltage by the ratio of the ON time and OFF time of a pulse in a fixed period. Control the ratio.
チョッパ制御を利用した昇圧装置は、上述の通り、一定周期におけるパルスのオン時間とオフ時間の比によって昇圧比を制御するものであるが、この昇圧比が大きくなると、電子回路の波形の立ちあがり時間及び立下り時間の応答性に限界があるため、十分な昇圧比を確保することが困難となるだけでなく、波形の応答性が充分でない場合は、多大な電力損失が生じ得る。 As described above, the booster using the chopper control controls the boost ratio by the ratio of the pulse ON time to the OFF time in a certain period. When this boost ratio is increased, the rise time of the waveform of the electronic circuit is increased. In addition, since there is a limit to the responsiveness of the fall time, not only is it difficult to ensure a sufficient boost ratio, but if the responsiveness of the waveform is not sufficient, a large power loss can occur.
また、チョッパ制御を利用した昇圧装置では、コイル(リアクタ)を使用することになるため大型化し、自動車の省スペース化に逆行する。 Moreover, in the voltage booster using chopper control, a coil (reactor) is used, so that the size is increased and the space saving of the automobile is reversed.
そこで、本発明の課題は、小型化でき、回路内での電力損失が小さく、且つ大きな昇圧比を実現し得る昇圧装置を提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a booster device that can be miniaturized, has a small power loss in a circuit, and can realize a large boost ratio.
上記課題を解決すべく、請求項1に記載の発明は、入力電圧を昇圧して出力する昇圧装置であって、複数のコンデンサと、前記複数のコンデンサを並列接続と直列接続とに接続切り換えする接続切換手段と、前記複数のコンデンサを前記接続切換手段で並列接続して前記入力電圧による充電を行う第1の期間と、前記複数のコンデンサを前記接続切換手段で直列接続して放電出力する第2の期間とを交互に制御する制御手段とを備えるものである。
In order to solve the above-mentioned problem, the invention according to
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の昇圧装置であって、前記接続切換手段は、前記制御回路での制御により前記複数のコンデンサを並列接続の状態と直列接続の状態とに切り換えるスイッチ手段である。 A second aspect of the present invention is the booster according to the first aspect, wherein the connection switching means switches the plurality of capacitors into a parallel connection state and a serial connection state under the control of the control circuit. Switch means for switching.
請求項3に記載の発明は、請求項2に記載の昇圧装置であって、前記接続切換手段により直列接続の状態とされた前記複数のコンデンサの出力部分に直列に接続される一方、前記接続切換手段により並列接続の状態とされた前記複数のコンデンサと並列に接続される出力用コンデンサをさらに備え、前記出力用コンデンサは、前記第2の期間に前記複数のコンデンサの放電電圧により充電されて、前記第1の期間に放電出力するものである。 A third aspect of the present invention is the booster according to the second aspect, wherein the booster is connected in series to the output portions of the plurality of capacitors that are connected in series by the connection switching means, while the connection An output capacitor connected in parallel with the plurality of capacitors brought into parallel connection by the switching means; and the output capacitor is charged by a discharge voltage of the plurality of capacitors in the second period. In the first period, discharge is output.
請求項1及び請求項2に記載の発明の昇圧装置は、入力電圧を、並列状態とされた複数のコンデンサのそれぞれに充電し、これらの複数のコンデンサを直列接続に切り換えて昇圧放電を行うので、コンデンサの個数により大まかな昇圧比を容易に調整できる。したがって、例えばN個のコンデンサを用いて入力電圧の約N倍の出力電圧を出力するなど、大きな昇圧比を容易に実現することができる。 In the boosting device according to the first and second aspects of the present invention, the input voltage is charged to each of the plurality of capacitors in parallel, and the plurality of capacitors are switched in series to perform the boost discharge. The rough boost ratio can be easily adjusted by the number of capacitors. Therefore, for example, a large boost ratio can be easily realized, for example, an output voltage of about N times the input voltage is output using N capacitors.
また、チョッパ制御を利用した昇圧装置に比べて、コイル(リアクタ)を使わないで済む分、小型化を実現することができる。 Further, as compared with the booster using the chopper control, the size can be reduced because the coil (reactor) is not required.
しかも、コンデンサの充電を利用して高い出力電圧を出力するので、チョッパ制御を利用した昇圧装置に比べて電力損失が小さくなる。 In addition, since a high output voltage is output using the charging of the capacitor, power loss is reduced as compared with a booster using chopper control.
そして、制御手段により第1の期間と第2の期間とを調整することで、細かな昇圧調整を容易に行うことができる。 Then, by adjusting the first period and the second period by the control means, fine boost adjustment can be easily performed.
請求項3に記載の発明の昇圧装置は、出力用コンデンサが、第2の期間に複数のコンデンサの放電電圧により充電されて、第1の期間に放電出力するので、出力電圧の急峻な変化を防止して安定した電圧出力を行うことができる。 In the boosting device according to the third aspect of the present invention, since the output capacitor is charged by the discharge voltages of the plurality of capacitors in the second period and discharged in the first period, the output voltage has a steep change. It is possible to prevent and perform stable voltage output.
<構成>
図1は本発明の一の実施形態に係る昇圧装置(昇圧回路)1が搭載された自動車の回生電圧の供給経路を簡略に示したブロック図、図2はその昇圧装置1を示す回路図である。
<Configuration>
FIG. 1 is a block diagram schematically showing a supply path for a regenerative voltage of an automobile equipped with a booster (boost circuit) 1 according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a circuit diagram showing the
この昇圧装置1は、図1の如く、ジェネレータ5等から入力電圧Vinが与えられた場合に、その入力電圧Vinを昇圧して負荷21に出力する際に使用されるものであって、図2の如く、入力電圧Vinを昇圧して約N倍(Nは、2以上の自然数)の電圧を得るようになっている。尚、この実施形態では、入力電圧Vinを3倍に昇圧する例について説明する。
As shown in FIG. 1, the
具体的に、この昇圧装置1は、図2の如く、負荷21の両端に接続される出力用コンデンサ7と、3個のコンデンサ(第1〜第3のコンデンサ)11a〜11cと、これらのコンデンサ11a〜11cの各一端を交流電圧である入力電圧Vinに対して並列に接続するための3個のダイオード13a〜13cと、3個のコンデンサ11a〜11cのうちの第2のコンデンサ11b及び第3のコンデンサ11cの各他端のそれぞれの並列的な接地をオンオフする第1及び第2のスイッチング素子(スイッチ手段)15a,15bと、第1のコンデンサ11a及び第2のコンデンサ11bの直列接続をオンオフする第3のスイッチング素子(スイッチ手段)15cと、第2のコンデンサ11b及び第3のコンデンサ11cの直列接続をオンオフする第4のスイッチング素子(スイッチ手段)15dと、第3のコンデンサ11cの一端と負荷21との間に接続された出力ダイオード17と、各スイッチング素子15a〜15dのオンオフにより各コンデンサ11a〜11cの並列接続時の充電時間と直列接続時の消費時間とを制御する制御回路(制御手段)18とを備え、この制御回路18での制御により、負荷21に出力する昇圧電圧を調整にするようになっている。
Specifically, as shown in FIG. 2, the
尚、図2においては、便宜上、制御回路18が第2のスイッチング素子15bのみにゲート信号を出力するように示しているが、実際には、第2のスイッチング素子15bだけでなく、他の各スイッチング素子15a,15c,15dにもゲート信号を出力するようになっている。
In FIG. 2, for the sake of convenience, the
出力用コンデンサ7は、当該出力用コンデンサ7の充放電により、負荷21に対して安定した駆動電圧を供給するためのものである。
The output capacitor 7 is for supplying a stable drive voltage to the
第1〜第3のダイオード13a〜13cのアノードは、交流出力を行うジェネレータ5の一端に接続される。
The anodes of the first to
第1のコンデンサ11aの一端は、第1のダイオード13aのカソードに接続され、第1のコンデンサ11aの他端は、ジェネレータ5の他端に接続される。
One end of the
第2のコンデンサ11bの一端は、第2のダイオード13bのカソードに接続され、第2のコンデンサ11bの他端は、第1のスイッチング素子15aのコレクタに接続される。
One end of the
第3のコンデンサ11cの一端は、第3のダイオード13cのカソードに接続され、第3のコンデンサ11cの他端は、第2のスイッチング素子15bのコレクタに接続される。
One end of the
第1〜第4のスイッチング素子15a〜15dは、コンデンサ11a〜11cを並列接続と直列接続とに接続切り替えする接続切換手段として機能する。
The first to
即ち、第1のスイッチング素子15aは制御回路18からのゲート入力に応じてオンオフするnpn型トランジスタであり、コレクタが第2のコンデンサ11bの他端に接続され、エミッタが交流出力を行うジェネレータ5の他端に接続される。
That is, the
第2のスイッチング素子15bも制御回路18からのゲート入力に応じてオンオフするnpn型トランジスタであり、コレクタが第3のコンデンサ11cの他端に接続され、エミッタが交流出力を行うジェネレータ5の他端に接続される。
The
第3のスイッチング素子15cも制御回路18からのゲート入力に応じてオンオフするnpn型トランジスタであり、コレクタが、第1のダイオード13aと第1のコンデンサ11aとの接続点に接続され、エミッタが、第2のコンデンサ11bと第1のスイッチング素子15aとの接続点に接続される。
The
第4のスイッチング素子15dも制御回路18からのゲート入力に応じてオンオフするnpn型トランジスタであり、コレクタが、第2のダイオード13bと第2のコンデンサ11bとの接続点に接続され、エミッタが、第3のコンデンサ11cと第2のスイッチング素子15bとの接続点に接続される。
The fourth switching element 15d is also an npn-type transistor that is turned on / off in response to a gate input from the
出力ダイオード17は、アノードが、第3のダイオード13cと第3のコンデンサ11cとの接続点に接続され、カソードが、負荷21及び出力用コンデンサ7に共に接続される。
The
かかる各コンデンサ11a〜11c及び各ダイオード13a〜13cの接続関係により、例えば接地用の第1及び第2のスイッチング素子15a,15bがオンで且つ直列接続用の第3及び第4のスイッチング素子15c,15dがオフのときには、ジェネレータ5の一端から各ダイオード13a〜13cを通じて他端に流れる電流に対して、3個のコンデンサ11a〜11cは互いに並列に接続されていることになる。尚、かかる並列接続の状態では、各コンデンサ11a〜11cに対して入力電圧Vinがそれぞれ与えられて充電がなされ、負荷21に対して比較的小さな駆動電圧が供給されることになる(図3中のT1参照:後述)。
Due to the connection relationship between the
また、接地用の第1及び第2のスイッチング素子15a,15bがオフで且つ直列接続用の第3及び第4のスイッチング素子15c,15dがオンのときには、第1〜第3のコンデンサ11a〜11cは直列に接続され、この直列に接続されたコンデンサ11a〜11cが電池として機能して、負荷21に対して比較的高い電圧を供給することになる(図3中のT2参照:後述)。
When the first and
制御回路18は、例えばROM及びRAMを備えたマイクロコンピュータチップ等が使用され、並列接続時の充電時間(並列充電期間T1:第1の期間)と直列接続時の消費時間(直列放電期間T2:第2の期間)とを調整することで、入力電圧Vinに対して約3倍の安定した電圧を昇圧装置1から出力するものである。
For example, a microcomputer chip including a ROM and a RAM is used as the
<動作>
上記構成の昇圧装置1の動作を説明する。図3は接地用の第1及び第2のスイッチング素子15a,15b、直列接続用の第3及び第4のスイッチング素子15c,15d、各コンデンサ11a〜11cから負荷21に与えられる出力電圧及び負荷21に対する出力電圧を示すタイミングチャートであり、図3中の(A)は接地用の第1及び第2のスイッチング素子15a,15bのオンオフ状態、同図中の(B)は直列接続用の第3及び第4のスイッチング素子15c,15dのオンオフ状態、同図中の(C)は各コンデンサ11a〜11cから負荷21に与えられる出力電圧、同図中の(D)は負荷21に印加される出力電圧をそれぞれ示している。
<Operation>
The operation of the
まず、コンデンサ11a〜11cの充電時には、図3中の(A)において、期間T1のように接地用の第1及び第2のスイッチング素子15a,15bがオンとなって導通状態になる。また、その期間T1においては、図3中の(B)の如く、直列接続用の第3及び第4のスイッチング素子15c,15dがオフとなる。
First, when the
この期間T1において、3個のコンデンサ11a〜11cは、上流側において各ダイオード13a〜13cを通じてジェネレータ5の一端に接続され、下流側において接地用の第1及び第2のスイッチング素子15a,15bを通じてジェネレータ5の他端に接続されるため、ジェネレータ5の一端から与えられた入力電圧Vinが、互いに並列接続された3個のコンデンサ11a〜11cに共通に印加されるとともに、当該入力電圧Vinが、さらに出力ダイオード17を通じて負荷21及び当該負荷21に並列に接続された出力用コンデンサ7に共通に与えられる。
In this period T1, the three
この期間T1においては、入力電圧Vinにより3個のコンデンサ11a〜11cが同時に充電される一方、図3中の(D)の如く、負荷21への給電は出力用コンデンサ7からの放電により行われ、次第に第3のダイオード13c及び出力ダイオード17を通じた入力電圧Vinに収束するため、負荷21に出力される出力電圧は比較的小さくなる。
In this period T1, the three
次に、コンデンサ11a〜11cの放電時においては、図3中の(A)の期間T2のように、接地用の第1及び第2のスイッチング素子15a,15bがオフになって遮断状態になる。これと同時に、図3中の(B)の期間T2のように、直列接続用の第3及び第4のスイッチング素子15c,15dがオンになって導通状態になる。
Next, when the
そうすると、3個のコンデンサ11a〜11cが直列接続された状態になり、期間T1における並列接続の状態に比べて、コンデンサ11a〜11cの個数(3個)分の昇圧が行われて、負荷21に昇圧された電力を供給するとともに、出力コンデンサ7への充電が行われる。
Then, the three
ここで、負荷21に出力される駆動電圧は、図3中の(D)のように、3個のコンデンサ11a〜11cが直列に接続されて放電されるとともに、出力用コンデンサ7に充電がなされる直列放電期間T2で高い電圧となる一方、3個のコンデンサ11a〜11cが並列に接続されて充電されるとともに出力用コンデンサ7から放電がなされる並列充電期間T1になると低下し始めることになる。
Here, the drive voltage output to the
ただし、直列放電期間T2に比べて並列充分期間T1が短い場合は、直列放電期間T2の開始時点で充分な充電が行われないことから、負荷21に対する出力電圧が全体的に低下する。図4は、この実施形態に係る昇圧装置において並列充電期間T1と直列放電期間T2を変化させた場合の負荷21に印加される出力電圧の変化を示す図であって、同図(A)は並列充電期間T1が直列放電期間T2より長い場合、同図(B)は並列充電期間T1が直列放電期間T2と同等である場合、同図(C)は並列充電期間T1が直列放電期間T2より短い場合をそれぞれ示している。図4(A)〜(C)の通り、並列充電期間T1が直列放電期間T2より長い場合の方が、並列充電期間T1が直列放電期間T2より短い場合に比べて、負荷21に印加される出力電圧が全体的に増大する。
However, when the parallel sufficient period T1 is shorter than the series discharge period T2, sufficient charging is not performed at the start of the series discharge period T2, so that the output voltage to the
そこで、制御回路18での制御により、並列充電期間T1と直列放電期間T2とを制御することで、負荷21に出力する昇圧電圧を調整することができる。具体的には、直列放電期間T2に対して並列充電期間T1を長くすれば、負荷21に対する出力電圧を高くすることができ、入力電圧Vinに対して約3倍の電圧を効率的に出力することができる。
Therefore, the boosted voltage output to the
以上のように、複数のコンデンサ11a〜11cを、スイッチング素子15a〜15dにより昇圧放電のための直列接続と、入力電圧Vinによる充電のための並列接続とを切り換えることとし、この並列充電期間T1と直列放電期間T2とを制御して昇圧を行っているので、直列接続されるコンデンサ11a〜11cの個数により大まかな昇圧比を容易に調整でき、例えばN個のコンデンサを用いて入力電圧の約N倍の出力電圧を出力するなど、大きな昇圧比を容易に実現することができる。
As described above, the plurality of
また、チョッパ制御を利用した昇圧装置に比べて、コイル(リアクタ)を使わないで済む分、小型化を実現することができる。 Further, as compared with the booster using the chopper control, the size can be reduced because the coil (reactor) is not required.
さらに、コンデンサ11a〜11cは、一般に電力損失が小さいことから、昇圧装置全体の電力損失を可及的に小さくできる。
Furthermore, since the
また、制御回路18により第1の期間(並列充電期間)T1と第2の期間(直列放電期間)T2とを調整することで、細かな昇圧調整を容易に行うことができる。
Further, by adjusting the first period (parallel charge period) T1 and the second period (series discharge period) T2 by the
尚、上記実施形態では、3個のコンデンサ11a〜11cを用いて、入力電圧Vinの約3倍の電圧を出力する例について説明したが、N個(ただし、Nは2または4以上の整数)のコンデンサを使用して、入力電圧Vinの約N倍の電圧を出力するようにしてもよい。このように、N個のコンデンサにより、約N倍の電圧を容易に得ることができるので、使用されるコンデンサの個数を設定するだけで、昇圧比を自由に設定でき、設計が容易な昇圧装置を提供できる。
In the above embodiment, an example in which the voltage of about three times the input voltage Vin is output using the three
1 昇圧装置
7 出力用コンデンサ
11a〜11c コンデンサ
13a〜13c 第1〜第3のダイオード
15a,15b 接地用のスイッチング素子
15c,15d 直列接続用のスイッチング素子
17 出力ダイオード
18 制御回路
21 負荷
DESCRIPTION OF
Claims (3)
複数のコンデンサと、
前記複数のコンデンサを並列接続と直列接続とに接続切り換えする接続切換手段と、
前記複数のコンデンサを前記接続切換手段で並列接続して前記入力電圧による充電を行う第1の期間と、前記複数のコンデンサを前記接続切換手段で直列接続して放電出力する第2の期間とを交互に制御する制御手段と
を備える昇圧装置。 A booster that boosts and outputs an input voltage,
Multiple capacitors,
Connection switching means for switching the connection of the plurality of capacitors between parallel connection and series connection;
A first period in which the plurality of capacitors are connected in parallel by the connection switching means and charging is performed by the input voltage; and a second period in which the plurality of capacitors are connected in series by the connection switching means and discharged. A booster comprising control means for alternately controlling.
前記接続切換手段は、前記制御回路での制御により前記複数のコンデンサを並列接続の状態と直列接続の状態とに切り換えるスイッチ手段である、昇圧装置。 The step-up device according to claim 1,
The booster device, wherein the connection switching means is switch means for switching the plurality of capacitors between a parallel connection state and a series connection state under the control of the control circuit.
前記接続切換手段により直列接続の状態とされた前記複数のコンデンサの出力部分に直列に接続される一方、前記接続切換手段により並列接続の状態とされた前記複数のコンデンサと並列に接続される出力用コンデンサをさらに備え、
前記出力用コンデンサは、前記第2の期間に前記複数のコンデンサの放電電圧により充電されて、前記第1の期間に放電出力する、昇圧装置。 The booster device according to claim 2,
An output connected in series with the plurality of capacitors placed in series by the connection switching means while being connected in series to the output portions of the plurality of capacitors placed in series connection by the connection switching means Further equipped with a capacitor for
The boosting device, wherein the output capacitor is charged by a discharge voltage of the plurality of capacitors in the second period and discharges and outputs in the first period.
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