JP2008042962A - Capacitor-charging apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電気二重層キャパシタなどのキャパシタの蓄電に最適なキャパシタ充電装置に関する。 The present invention relates to a capacitor charging device that is optimal for storing electricity in a capacitor such as an electric double layer capacitor.
キャパシタの充電器においては、定電圧充電モード(CVモード:Constant Voltageモード)、定電流充電モード(CCモード:Constant Currentモード)に加え、定電力充電モード(CPモード:Constant Powerモード)を設けておき、キャパシタの充電の初期においては定電流充電モード(CCモード)で充電を行い、次に定電力充電モード(CPモード)にて充電を行い、満充電付近にて定電圧充電モード(CVモード)とすると、効率的にキャパシタの充電を行うことができる。 The capacitor charger is provided with a constant power charging mode (CP mode: Constant Power mode) in addition to a constant voltage charging mode (CV mode: Constant Voltage mode) and a constant current charging mode (CC mode: Constant Current mode). In the initial stage of capacitor charging, charging is performed in a constant current charging mode (CC mode), charging is then performed in a constant power charging mode (CP mode), and constant voltage charging mode (CV mode) is near full charge. ), The capacitor can be charged efficiently.
前記のようなキャパシタの充電器では安定した電源を確保するためにスイッチングコンバータなどによってPWM(Pulse Width Modulation:パルス幅変調)制御を用い、パルス幅を変化させて所望の充電制御を行うことで、定電圧充電モード(CVモード)、定電流充電モード(CCモード)、定電力充電モード(CPモード)を実現している。スイッチングコンバータにおいては、トランスの一次側巻線に印加する直流電力を周期的にオンオフし、前記トランスの二次側巻線に誘起する交流電力を整流及び平滑し、電圧の変換された直流電力を出力電力として得る。以上のようなキャパシタの充電方法及び充電器については、例えば、非特許文献1、特許文献1などに開示されている。図5は、スイッチングコンバータにおけるトランスの1次側に発生する電流波形を示す図である。図示するように、一周期Tのうち、Tonの期間の電力分をトランス2次側で取り出すようにする。
ところで、スイッチングコンバータで定電力充電モード(CPモード)を実現するためには、キャパシタ充電器を構成するスイッチングコンバータの2次側の電流と電圧を検出しておき、これらの積を1次側にフィードバックするフィードバック制御を行うことが一般的であるが、フィードバック制御には、(1)比較的低電圧出力の場合には、安定性に欠け、定電力制御がし難い、(2)遅延が発生する、(3)2次側の電流と電圧との積を求めるための乗算器が高価である、という問題があった。 By the way, in order to realize the constant power charging mode (CP mode) with the switching converter, the current and voltage on the secondary side of the switching converter constituting the capacitor charger are detected, and these products are transferred to the primary side. In general, feedback control for feedback is performed. However, in the feedback control, (1) in the case of a relatively low voltage output, the stability is insufficient and constant power control is difficult, and (2) delay occurs. (3) There is a problem that the multiplier for obtaining the product of the current and voltage on the secondary side is expensive.
そこで、キャパシタ充電器においては、フィードバック制御を行わず1次側だけで定電力充電モード(CPモード)を実現することが検討されている。これは、スイッチングコンバータの効率を一定と仮定すると、入力側で電圧一定、電流一定となるように制御すれば、2次側で電力一定とすることができることを利用して、定電力充電モード(CPモード)を実現するものである。入力側で電圧一定の条件を確保するためには、充電器の前段にPFC(Power Factor Correction;力率改善回路)を設けておくことで可能である。そこで、あとは、電流一定となるような制御を行えば、フィードバック制御を使わずに定電力充電モード(CPモード)を実現することができるが、これを行うためには、一次側における平均電流をセンスすることが必要となってくる。 Therefore, in the capacitor charger, it has been studied to realize a constant power charging mode (CP mode) only on the primary side without performing feedback control. Assuming that the efficiency of the switching converter is constant, if the control is performed so that the voltage is constant and the current is constant on the input side, the constant power charging mode ( CP mode). In order to secure a constant voltage condition on the input side, it is possible to provide a power factor correction (PFC) in the front stage of the charger. Therefore, the constant power charging mode (CP mode) can be realized without using feedback control if the control is performed so that the current is constant. To achieve this, the average current on the primary side is used. It becomes necessary to sense.
一方、スイッチングコンバータ用ICの機能の一つとして、過電流保護機能が知られている。これは、スイッチングコンバータに用いられるトランスの1次側を保護するために、トランスの1次側に流れるピーク電流を監視しておき、過電流が流れそうになったら、発振を止める、などという機能である。このような過電流が流れる原因としては、トランスのコアの磁気的飽和現象がある。トランスのコアの磁気的飽和が起こると、トランスのL成分が消失していき、インピーダンスがなくなったトランスの1次側には短絡電流が流れるようになってしまう。このような短絡電流は、スイッチングコンバータ用ICにとっては過電流となり、ICを破壊することにつながるので、ICに前述のような過電流保護機能を持たせるわけである。図6は、スイッチングコンバータにおいて、トランスのコアの磁気的飽和が発生した際のトランス1次側に発生する電流波形を示す図である。ICの過電流保護機能を活用するためには、図示するような1次側で流れるピーク電流を検出する必要がある。 On the other hand, an overcurrent protection function is known as one of the functions of a switching converter IC. In order to protect the primary side of the transformer used in the switching converter, the function of monitoring the peak current flowing through the primary side of the transformer and stopping the oscillation when an overcurrent is about to flow. It is. The cause of this overcurrent is the magnetic saturation phenomenon of the transformer core. When magnetic saturation of the transformer core occurs, the L component of the transformer disappears, and a short-circuit current flows on the primary side of the transformer where the impedance is lost. Such a short-circuit current becomes an overcurrent for the IC for the switching converter and leads to destruction of the IC. Therefore, the IC has the above-described overcurrent protection function. FIG. 6 is a diagram showing a current waveform generated on the primary side of the transformer when magnetic saturation of the core of the transformer occurs in the switching converter. In order to utilize the overcurrent protection function of the IC, it is necessary to detect the peak current flowing on the primary side as shown in the figure.
以上をまとめると、スイッチングコンバータの1次側においては、定電力充電モード(CPモード)を実現するための平均電流と、ICの過電流保護機能を活用するためのピーク電流とを検出しておくための回路を必要するが、これらの目的の回路を独立に設けるのでは回路構成が複雑となり、コストもかかるという問題があった。 In summary, the primary side of the switching converter detects the average current for realizing the constant power charging mode (CP mode) and the peak current for utilizing the overcurrent protection function of the IC. However, if these objective circuits are provided independently, there is a problem that the circuit configuration becomes complicated and costs increase.
本発明は、上記のような課題を解決するものであって、請求項1に係る発明は、トランスの1次側巻線に印加される直流電流をスイッチング素子のオンオフによって2次側巻線に電流を誘起しこれを整流平滑化してキャパシタに供給し該キャパシタの充電を行うキャパシタ充電装置において、該直流電流を生成する力率改善回路と、該スイッチング素子のオンオフ制御を行うPMW制御部と、1次側が該トランスの1次側巻線と直列に接続され、2次側がCT回路検出回路部と接続されるカレントトランスと、を具備し、該CT回路検出回路部において、該トランスの1次側巻線に流れる平均電流に比例した電圧と、該トランスの1次側巻線に流れるピーク電流に比例した電圧とを取り出すことを特徴とする。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention solves the above-described problems. The invention according to
本発明によれば、トランスの1次側に流れる平均電流値の検出と同時に、トランスの1次側に流れるピーク電流をも検出することができるので、平均電流値・ピーク電流双方の検出のために独立した2つの回路を設ける必要がなく回路構成は簡単となり、またコストも削減できるというメリットを有する。 According to the present invention, since the peak current flowing on the primary side of the transformer can be detected simultaneously with the detection of the average current value flowing on the primary side of the transformer, both the average current value and the peak current can be detected. There is no need to provide two independent circuits, and the circuit configuration is simplified and the cost can be reduced.
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。図1は、本発明の実施の形態に係るキャパシタ充電装置のブロック図である。図1において、1はCT検出回路部、2はカレントトランス(CT)、3はスイッチング素子、4は交流電源、5は全波整流回路、6は力率改善回路(Power Factor Correction;PFC)、7はトランス、8は電流検出部、9は電圧検出部、10は信号選択部、11はPMW制御部、D1はダイオード、C1、C2はコンデンサ、Rは抵抗をそれぞれ示している。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram of a capacitor charging apparatus according to an embodiment of the present invention. In FIG. 1, 1 is a CT detection circuit unit, 2 is a current transformer (CT), 3 is a switching element, 4 is an AC power supply, 5 is a full-wave rectifier circuit, 6 is a power factor correction circuit (PFC), 7 is a transformer, 8 is a current detector, 9 is a voltage detector, 10 is a signal selector, 11 is a PMW controller, D1 is a diode, C1 and C2 are capacitors, and R is a resistor.
例えば商用電源である交流電源4は、ダイオードブリッジからなる全波整流回路5によって整流された後、力率改善回路(PFC)6に入力される。力率とは、有効電力を見掛けの電力で除した値のことであり、W/(V×I)で表される。直流の場合は必ず1となり、力率改善回路は不要であるが、交流電源4では力率改善回路を備えるのが一般的である。この力率改善回路(PFC)6は、その後段であるVinが一定電圧となるように制御することが可能であり、このVinは、トランス7の1次側巻線に印加される。FET等からなるスイッチング素子3は、トランス71次側巻線に流れる電流をオン/オフし、トランス7の2次側にスイッチング信号を誘起させる。本発明のキャパシタ充電装置に用いられているスイッチングコンバータは、スイッチング素子3がオンしたときにトランスの巻線に励磁エネルギーが蓄えられて、オフしたときに励磁エネルギーが放出されるものである。このようなスイッチングコンバータの出力側(トランスの2次側)においては、誘起された電圧がダイオードD1とコンデンサC1、C2によって整流平滑化され、キャパシタ充電装置の端子T−T’間に直流電圧が供給される。
For example, an AC power supply 4 that is a commercial power supply is rectified by a full-
PMW制御部11は、スイッチング素子3のオン/オフを制御して、スイッチングコンバータの出力をコントロールするものである。本発明のキャパシタ充電装置は、定電圧充電モード(CVモード:Constant Voltageモード)、定電流充電モード(CCモード:Constant Currentモード)、定電力充電モード(CPモード:Constant Powerモード)の3つの充電モードを備えるものであり、定電圧充電モード(CVモード)となると電圧検出部9からの信号が、また、定電流充電モード(CCモード)となると電流検出部8からの信号が、また、定電力充電モード(CPモード)となるとCT検出回路部1からの平均値信号が信号選択部10を介して、PMW制御部11に入力され利用される。また、CT検出回路部1は、トランスの1次側において過電流が流れないように、トランス7の1次側のピーク電流を検出するための回路を擁している。このようなトランス7の1次側の過電流保護のために、CT検出回路部1からピーク電流信号をPMW制御部11に入力し、PMW制御部11は過電流が流れそうになったとき、スイッチング素子3のスイッチングを停止する等の措置をとる。なお、信号選択部10と電流検出部8、電圧検出部9との間は、トランスの1次側2次側間の絶縁を考慮して光結合を用いることもできる。
The
カレントトランス(CT)2は、基本的にはトランス7の1次側に流れる電流を検出するものである。したがって、カレントトランス2の1次側は、図示するようにスイッチング素子3を介してトランス7の1次側と直列接続され、カレントトランス2の1次側はCT検出回路部1と接続されている。カレントトランス(CT)2からの入力に基づいてCT検出回路部1は、トランス7の1次側に流れる平均電流値に比例した信号とピーク電流値に比例した信号とを出力するものである。
The current transformer (CT) 2 basically detects a current flowing through the primary side of the transformer 7. Therefore, the primary side of the
ここで、本発明のキャパシタ充電装置における定電力充電モード(CPモード)について説明する。図1において、不図示のキャパシタはキャパシタ充電装置の端子T−T’間に接続されて充電がなされる。キャパシタ充電装置の電圧をVout、キャパシタに流れ込む電流をIout、キャパシタに供給される電力をPoutとする。また、力率改善回路(PFC)6からの出力電圧をVin(この電圧はトランス7に入力される電圧でもある)、トランスに流れ込む電流をIin、トランス7に供給される電力をPinとする。 Here, the constant power charging mode (CP mode) in the capacitor charging device of the present invention will be described. In FIG. 1, a capacitor (not shown) is connected between terminals T-T 'of the capacitor charging device and charged. The voltage of the capacitor charging device is Vout, the current flowing into the capacitor is Iout, and the power supplied to the capacitor is Pout. Further, the output voltage from the power factor correction circuit (PFC) 6 is Vin (this voltage is also a voltage input to the transformer 7), the current flowing into the transformer is Iin, and the power supplied to the transformer 7 is Pin.
充電装置において定電力充電モード(CPモード)を実現するためには、Pout、すなわち、Vout及びIoutの積を監視しておき、これを一定とするようにフィードバックをかけて制御する手法が一般的であるが、本発明のキャパシタ充電装置においては、フィードバック制御は、定電圧充電モード(CVモード)、定電流充電モード(CCモード)のみに用いて、定電力充電モード(CPモード)については出力電力のフィードバックをかけずに制御するものである。その具体的な概念について説明する。 In order to realize a constant power charging mode (CP mode) in a charging device, a general method is to monitor Pout, that is, the product of Vout and Iout, and control by applying feedback so as to make it constant. However, in the capacitor charging device of the present invention, the feedback control is used only for the constant voltage charging mode (CV mode) and the constant current charging mode (CC mode), and is output for the constant power charging mode (CP mode). Control is performed without applying power feedback. The specific concept will be described.
キャパシタ充電装置におけるスイッチングコンバータの効率をηとすると、PoutとPinの関係は、
Pout=η×Pin
で表すことができる。ηが一定であるという仮定の下では、Pout=(Constant)とするためには、Pin=(Constant)とすればよいことがわかる。定電力充電モード(CPモード)においてそれほど厳密な精度が要求されないようであれば、このようにηが一定であると仮定しても問題はない。Pinは、
Pin=Vin×Iin
によって表すことができるが、力率改善回路(PFC)6はVin=(Constant)となるように制御することができるので、本発明のキャパシタ充電装置では、Pin=(Constant)とするためには、結局Iin=(Constant)とするように制御すればよいことがわかる。
When the efficiency of the switching converter in the capacitor charger is η, the relationship between Pout and Pin is
Pout = η × Pin
Can be expressed as Under the assumption that η is constant, it can be seen that Pin = (Constant) can be used to set Pout = (Constant). As long as strict accuracy is not required in the constant power charging mode (CP mode), it can be assumed that η is constant in this way. Pin is
Pin = Vin × Iin
Since the power factor correction circuit (PFC) 6 can be controlled to be Vin = (Constant), in the capacitor charging device of the present invention, in order to set Pin = (Constant) As a result, it can be understood that control should be performed so that Iin = (Constant).
Iin=(Constant)に制御するためには、Iinの瞬時の電流値ではなく、平均電流値をモニターする必要がある。本発明のキャパシタ充電装置では、CT検出回路部1がカレントトランス(CT)2からの入力に基づいてIinの平均電流値に比例した信号を取り出すものである。
In order to control to Iin = (Constant), it is necessary to monitor the average current value, not the instantaneous current value of Iin. In the capacitor charging device of the present invention, the CT
次に、本発明のキャパシタ充電装置のCT検出回路部について説明する。図2は、本発明の実施の形態に係るキャパシタ充電装置のCT検出回路部の回路構成を示す図である。図2において、D2、D3は整流用のダイオード、C2、C3はピークホールド用のコンデンサである。図2に示すようにカレントトランス2の一方の端子をCT(+)、他方の端子をCT(−)とする。また、図2に示すように、端子V(+)、V(−)、COM2を定義する。カレントトランス2の2次側には、直流分は出てこないので、中点であるCOM2には、カレントトランス2の二次側の平均電圧値が出現する。
Next, the CT detection circuit unit of the capacitor charging device of the present invention will be described. FIG. 2 is a diagram showing a circuit configuration of the CT detection circuit unit of the capacitor charging apparatus according to the embodiment of the present invention. In FIG. 2, D2 and D3 are rectifying diodes, and C2 and C3 are peak hold capacitors. As shown in FIG. 2, let one terminal of the
図3は、本発明のキャパシタ充電装置のカレントトランス(CT)の1次側に流れる電流波形を示す図である。また、図4は、本発明のキャパシタ充電装置のCT検出回路部の端子間の電圧波形を示す図である。カレントトランス2の2次側には、1次側に流れる電流波形と相似の電流波形を観測することができる。COM2には、カレントトランス2の二次側の平均電圧値が出現するので、V(+)−V(−)端子間からはIinのピーク電流に比例した電圧値を、また、COM2−V(−)端子間からはIinの平均電流値に比例した電圧値を取り出すことができる。
FIG. 3 is a diagram showing a waveform of a current flowing on the primary side of the current transformer (CT) of the capacitor charging device of the present invention. Moreover, FIG. 4 is a figure which shows the voltage waveform between the terminals of CT detection circuit part of the capacitor charging device of this invention. On the secondary side of the
V(+)−V(−)端子間から出力されるIinのピーク電流に比例した電圧値は、PMW制御部11に入力される。PMW制御部11では、この電圧値が一定値以上となった場合(すなわち、Iinが過電流となっているような場合)、スイッチング素子3のオンオフを停止するなどして、トランス7の1次側で流れるピーク電流をコントロールする。
A voltage value proportional to the peak current of Iin output from between the V (+)-V (−) terminals is input to the
一方、COM2−V(−)端子間から出力されるIinの平均電流値に比例した電圧値は、信号選択部10を経て、PMW制御部11に入力される。PMW制御部11は、定電力充電モード(CPモード)のとき、この電圧値(すわなち、Iinの平均電流値)を参照することによって、前述のような原理で定電力動作を行うものである。
On the other hand, a voltage value proportional to the average current value of Iin output from between the COM2-V (−) terminals is input to the
このように、本発明のキャパシタ充電装置においては、カレントトランス2及びCT検出回路部1を利用することによって、トランス7の1次側に流れる平均電流値の検出と同時に、トランス7の1次側に流れるピーク電流をも検出することができるので、平均電流値・ピーク電流双方の検出のために独立した2つの回路を設ける必要がなく回路構成は簡単となり、またコストも削減できるというメリットを有するものである。
Thus, in the capacitor charging device of the present invention, by using the
1・・・CT検出回路部、2・・・カレントトランス(CT)、3・・・スイッチング素子、4・・・交流電源、5・・・全波整流回路、6・・・力率改善回路(Power Factor Correction;PFC)、7・・・トランス、8・・・電流検出部、9・・・電圧検出部、10・・・信号選択部、11・・・PMW制御部
DESCRIPTION OF
Claims (1)
該直流電流を生成する力率改善回路と、
該スイッチング素子のオンオフ制御を行うPMW制御部と、
1次側が該トランスの1次側巻線と直列に接続され、2次側がCT回路検出回路部と接続されるカレントトランスと、を具備し、
該CT回路検出回路部において、該トランスの1次側巻線に流れる平均電流に比例した電圧と、該トランスの1次側巻線に流れるピーク電流に比例した電圧とを取り出すことを特徴とするキャパシタ充電装置。 In a capacitor charging device that charges a DC current applied to a primary winding of a transformer by inducing a current in a secondary winding by turning on and off the switching element, rectifying and smoothing the current, and supplying the capacitor to the capacitor.
A power factor correction circuit for generating the direct current;
A PMW controller that performs on / off control of the switching element;
A current transformer having a primary side connected in series with a primary side winding of the transformer and a secondary side connected to a CT circuit detection circuit unit;
In the CT circuit detection circuit unit, a voltage proportional to the average current flowing in the primary side winding of the transformer and a voltage proportional to the peak current flowing in the primary side winding of the transformer are extracted. Capacitor charging device.
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