JP2009005487A

JP2009005487A - 電源システム

Info

Publication number: JP2009005487A
Application number: JP2007163667A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Kobayashi; 泰弘小林
Original assignee: Japan Radio Co Ltd; Nagano Japan Radio Co Ltd
Current assignee: Japan Radio Co Ltd; Nagano Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2007-06-21
Filing date: 2007-06-21
Publication date: 2009-01-08

Abstract

【課題】製品コストを低減し得る電源システムを提供する。
【解決手段】降圧型および昇圧型のいずれか一方の型に構成されて、直流電圧Ｖｉｎが所定電圧以上のときに直流電圧Ｖｉｎに基づいて定電圧Ｖ１を生成して出力端子７ａ，７ｂから出力し、かつ直流電圧Ｖｉｎが所定電圧未満のときに定電圧Ｖ１の生成を停止するコンバータ２と、コンバータ２と同型に構成されて、バッテリ４の充電電圧Ｖｂに基づいて定電圧Ｖ１よりも低電圧の定電圧Ｖ２を生成して出力端子７ａ，７ｂから出力する同期整流型のコンバータ３とを備え、コンバータ２の出力端子７ａ，７ｂとコンバータ３の出力端子７ａ，７ｂ同士が接続されてコンバータ２およびコンバータ３が並列運転される。
【選択図】図１

Description

本発明は、通常は負荷に対して直流電源から電力を供給すると共にこの直流電源からの電力で蓄電素子を充電し、直流電源が停止したときには蓄電素子から負荷に対して電力を供給する電源システムに関するものである。

この種の電源システムとして、特開２００７−１０９６０９号公報に開示された電源システムが知られている。この電源システムは、一例として、電荷を蓄積する電気二重層コンデンサと、直流電源である燃料電池から供給される出力電力を降圧して低い目標電力にするとともに余剰電力を電気二重層コンデンサに充電する降圧コンバータと、電気二重層コンデンサから余剰電力を放電させて低い目標電力から高い目標電力に昇圧する昇圧コンバータとを備えている。この電源システムによれば、燃料電池から供給される出力電力を、軽負荷に対応した目標電力にて変換して出力している際に発生する余剰電力を電気二重層コンデンサに充電して蓄えるとともに、蓄えられた余剰電力を、重負荷に対応した目標電力の必要時に、電気二重層コンデンサから放電しながら重負荷に対応した目標電力に変換して出力することができるため、負荷が急激に変動して系統側電力の変化に燃料電池の出力電力が追従できない場合でも、燃料電池の出力電力を目標電力に変換して出力することができる。特に、低い目標電力に変換された場合には、燃料電池の出力電力と低い目標電力の偏差である余剰電力を蓄えておき、燃料電池の出力電力が高い目標電力に達するまで、余剰電力を高い目標電力に再利用することができる。
特開２００７−１０９６０９号公報（第３−４頁、第４−５図）

ところが、この従来の電源システムには、以下の問題点がある。すなわち、この電源システムでは、降圧型のコンバータおよび昇圧型のコンバータという異なる型の２つのコンバータを必要としている。このため、この電源システムには、２つの異なる型のコンバータの設計が必要になる結果、開発に要する時間が長くなると共に、部品の種類が多くなって製品コストが上昇するという問題点が存在している。

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、製品コストを低減し得る電源システムを提供することを主目的とする。

上記目的を達成すべく請求項１記載の電源システムは、降圧型および昇圧型のいずれか一方の型に構成されて、直流入力電圧が所定電圧以上のときに当該直流入力電圧に基づいて第１直流電圧を生成して出力端子から出力し、かつ当該直流入力電圧が当該所定電圧未満のときに前記第１直流電圧の生成を停止する主ＤＣ／ＤＣコンバータと、前記主ＤＣ／ＤＣコンバータと同型に構成されて、蓄電素子の充電電圧に基づいて前記第１直流電圧よりも低電圧の第２直流電圧を生成して出力端子から出力する同期整流型ＤＣ／ＤＣコンバータとを備え、前記主ＤＣ／ＤＣコンバータの前記出力端子と前記同期整流型ＤＣ／ＤＣコンバータの前記出力端子同士が接続されて当該主ＤＣ／ＤＣコンバータおよび当該同期整流型ＤＣ／ＤＣコンバータが並列運転される。

また、請求項２記載の電源システムは、請求項１記載の電源システムにおいて、前記主ＤＣ／ＤＣコンバータは、前記同期整流型ＤＣ／ＤＣコンバータと同一構成の同期整流型ＤＣ／ＤＣコンバータで構成されている。

以上のように、請求項１記載の電源システムでは、直流入力電圧が所定電圧以上のときに、主ＤＣ／ＤＣコンバータが直流入力電圧に基づいて第１直流電圧を生成して出力端子から出力し、かつ主ＤＣ／ＤＣコンバータと同じ型に構成されて主ＤＣ／ＤＣコンバータと並列運転されている同期整流型ＤＣ／ＤＣコンバータが第１直流電圧に基づいて蓄電素子に対する充電動作を実行する。したがって、この電源システムによれば、同じ型（昇圧型または降圧型）のＤＣ／ＤＣコンバータで構成できるため、異なる型のＤＣ／ＤＣコンバータで構成するのと比較して、両ＤＣ／ＤＣコンバータにおいて共通する回路が多くなる結果、設計・開発に要する時間を短縮できると共に、使用部品の共通化を図って部品の種類を削減することができ、これにより、製品コストを低減することができる。

また、請求項２記載の電源システムでは、主ＤＣ／ＤＣコンバータについても、並列運転される他の同期整流型ＤＣ／ＤＣコンバータと同一構成の同期整流型ＤＣ／ＤＣコンバータとしたことにより、１つのＤＣ／ＤＣコンバータの設計・開発に要する時間で両ＤＣ／ＤＣコンバータを設計・開発することができ、設計・開発に要する時間を半分に短縮できると共に、使用部品の共通化をほぼ１００％までに高めることができ、これにより、製品コストを大幅に低減することができる。

以下、添付図面を参照して、本発明に係る電源システムの最良の形態について説明する。

図１に示すように、電源システム１は、２つの同期整流型ＤＣ／ＤＣコンバータ（以下、「コンバータ」ともいう）２，３、バッテリ４、制御回路５、一対の入力端子６（正側入力端子６ａおよび負側入力端子６ｂ）、および一対の出力端子７（正側出力端子７ａおよび負側出力端子７ｂ）を備え、一対の入力端子６に所定電圧（一例として３０ボルト）以上の直流電圧Ｖｉｎ（本発明における直流入力電圧）が入力されているときには、この直流電圧Ｖｉｎに基づいてコンバータ２が定電圧Ｖ１（本例では１２ボルト。本発明における第１直流電圧）を生成して負荷８に印加（供給）し、直流電圧Ｖｉｎが所定電圧未満のときには、バッテリ４（本発明における蓄電素子）の充電電圧Ｖｂ（一例として２８ボルト）に基づいてコンバータ３（本発明における）が定電圧Ｖ１よりも低電圧の定電圧Ｖ２（一例として１１．５ボルト。本発明における第２直流電圧）を生成して負荷８に印加（供給）する。

具体的には、コンバータ２は、本発明における主ＤＣ／ＤＣコンバータであって、一次巻線１１ａおよび二次巻線１１ｂを有するトランス１１、第１ＭＯＳＦＥＴ１２（以下、「ＦＥＴ１２」ともいう）、コンデンサ１３、第２ＭＯＳＦＥＴ１４（以下、「ＦＥＴ１４」ともいう）、第３ＭＯＳＦＥＴ１５（以下、「ＦＥＴ１５」ともいう）、第４ＭＯＳＦＥＴ１６（以下、「ＦＥＴ１６」ともいう）、インダクタ１７およびコンデンサ１８を備えて、降圧型のＤＣ／ＤＣコンバータとして構成されている。この場合、トランス１１の一次側回路では、正側入力端子６ａおよび負側入力端子６ｂ間に、トランス１１の一次巻線１１ａおよびＦＥＴ１２がこの順で直列に接続されている。また、コンデンサ１３およびＦＥＴ１４は互いに直列に接続されてクランプ回路を構成し、このクランプ回路が一次巻線１１ａに並列に接続されている。また、ＦＥＴ１２は、制御回路５から出力される駆動信号Ｓ１で駆動されてスイッチング動作（図３に示すタイミングでのＯＮ・ＯＦＦ動作）を実行する。また、ＦＥＴ１４は、制御回路５から出力される駆動信号Ｓ２で駆動されて、ＦＥＴ１２とは逆位相でスイッチング動作（図３に示すタイミングでのＯＮ・ＯＦＦ動作）を実行する。

一方、トランス１１の二次側回路では、コンバータ２，３の各出力端子でもある正側出力端子７ａおよび負側出力端子７ｂ間に、インダクタ１７、トランス１１の二次巻線１１ｂおよびＦＥＴ１５がこの順で直列に接続されている。また、正側出力端子７ａおよび負側出力端子７ｂ間には、コンデンサ１８が接続されている。ＦＥＴ１６は、二次巻線１１ｂおよびＦＥＴ１５の直列回路に並列に接続されている。この場合、ＦＥＴ１５のゲート端子が二次巻線１１ｂとインダクタ１７との接続点に接続され、ＦＥＴ１６のゲート端子が二次巻線１１ｂとＦＥＴ１５との接続点に接続されている。この構成により、ＦＥＴ１２のオン状態のときに二次巻線１１ｂに発生する誘起電圧によってＦＥＴ１５がＦＥＴ１２と同位相（図３に示すタイミング）で駆動され、ＦＥＴ１２のオフ状態のときに二次巻線１１ｂに発生する誘起電圧によってＦＥＴ１６がＦＥＴ１２と逆位相（図３に示すタイミング）で駆動される。すなわち、ＦＥＴ１５が整流用ＭＯＳＦＥＴとして機能すると共に、ＦＥＴ１６が環流用ＭＯＳＦＥＴとして機能することにより、コンバータ２は、作動状態において、一対の出力端子７（７ａ，７ｂ）間に定電圧Ｖ１を出力する。

コンバータ３は、本発明における同期整流型ＤＣ／ＤＣコンバータであって、一次巻線２１ａおよび二次巻線２１ｂを有するトランス２１、第５ＭＯＳＦＥＴ２２（以下、「ＦＥＴ２２」ともいう）、コンデンサ２３、第６ＭＯＳＦＥＴ２４（以下、「ＦＥＴ２４」ともいう）、第７ＭＯＳＦＥＴ２５（以下、「ＦＥＴ２５」ともいう）、第８ＭＯＳＦＥＴ２６（以下、「ＦＥＴ２６」ともいう）、インダクタ２７およびコンデンサ２８を備えて、コンバータ２と同型（降圧型）のＤＣ／ＤＣコンバータとして構成されている。この場合、トランス２１の一次側回路では、バッテリ４の正側出力端子および負側出力端子間に、トランス２１の一次巻線２１ａおよびＦＥＴ２２がこの順で直列に接続されている。また、コンデンサ２３およびＦＥＴ２４は互いに直列に接続されてクランプ回路を構成し、このクランプ回路が一次巻線２１ａに並列に接続されている。また、ＦＥＴ２２は、制御回路５から出力される駆動信号Ｓ３で駆動されてスイッチング動作（図２に示すタイミングでのＯＮ・ＯＦＦ動作）を実行する。また、ＦＥＴ２４は、制御回路５から出力される駆動信号Ｓ４で駆動されて、ＦＥＴ２２とは逆位相でスイッチング動作（図２に示すタイミングでのＯＮ・ＯＦＦ動作）を実行する。

一方、トランス２１の二次側回路では、正側出力端子７ａおよび負側出力端子７ｂ間に、インダクタ２７、トランス２１の二次巻線２１ｂおよびＦＥＴ２５がこの順で直列に接続されている。また、正側出力端子７ａおよび負側出力端子７ｂ間には、コンデンサ２８が接続されている。ＦＥＴ２６は、二次巻線２１ｂおよびＦＥＴ２５の直列回路に並列に接続されている。この場合、ＦＥＴ２５のゲート端子が二次巻線２１ｂとインダクタ２７との接続点に接続され、ＦＥＴ２６のゲート端子が二次巻線２１ｂとＦＥＴ２５との接続点に接続されている。この構成により、ＦＥＴ２２のオン状態のときに二次巻線２１ｂに発生する誘起電圧によってＦＥＴ２５がＦＥＴ２２と同位相（図２に示すタイミング）で駆動され、ＦＥＴ２２のオフ状態のときに二次巻線２１ｂに発生する誘起電圧によってＦＥＴ２６がＦＥＴ２２と逆位相（図２に示すタイミング）で駆動される。すなわち、ＦＥＴ２５が整流用ＭＯＳＦＥＴとして機能すると共に、ＦＥＴ２６が環流用ＭＯＳＦＥＴとして機能することにより、コンバータ３は、作動状態において、一対の出力端子７（７ａ，７ｂ）間に、定電圧Ｖ１よりも低い電圧値に規定された定電圧Ｖ２を出力する。また、本例では、一例として、コンバータ３は、トランス２１等の各構成要素についてコンバータ２の各構成要素と同一の構成要素が使用されて、全体としてコンバータ２と同一に構成されている。

制御回路５は、直流電圧Ｖｉｎの検出機能、コンバータ２，３の各出力電圧の検出機能、および各駆動信号Ｓ１〜Ｓ４の生成機能を備えている。また、制御回路５は、検出している直流電圧Ｖｉｎが予め設定された所定電圧以上のとき、すなわち駆動信号Ｓ１のデューティを変更して定電圧Ｖ１を出力可能なときには、各駆動信号Ｓ１〜Ｓ４を生成して、各コンバータ２，３を作動させる。この場合、制御回路５は、コンバータ２の出力電圧を検出しつつ、この出力電圧が予め設定された定電圧Ｖ１となるように、駆動信号Ｓ１，Ｓ２のデューティを変更すると共に、コンバータ３の出力電圧を検出しつつ、この出力電圧が予め設定された定電圧Ｖ２となるように、駆動信号Ｓ３，Ｓ４のデューティを変更する。一方、検出している直流電圧Ｖｉｎが所定電圧未満のときには、制御回路５は、駆動信号Ｓ１のデューティを最大にしたとしてもコンバータ２において定電圧Ｖ１の出力が不能なため、各駆動信号Ｓ１，Ｓ２の生成を停止してコンバータ２を停止させると共に、各駆動信号Ｓ３，Ｓ４の生成を継続することによってコンバータ３の作動を継続させて、コンバータ３から負荷８に定電圧Ｖ２を印加させる。また、出力端子７ａ，７ｂは上記したように各コンバータ２，３の各出力端子として機能する。つまり、各コンバータ２，３の各出力端子７ａ，７ｂが共通接続されている。この構成により、各コンバータ２，３は、各出力端子７ａ，７ｂ同士が接続されて並列運転される。

次に、電源システム１の全体的な動作について、図面を参照して説明する。なお、コンバータ２，３のスイッチング動作自体は汎用同期整流型コンバータの動作と同じため、詳細な説明を省略する。

最初に、直流電圧Ｖｉｎが予め設定された所定電圧以上のときの動作について説明する。

この動作状態のときには、電源システム１では、上記したように、制御回路５が、各駆動信号Ｓ１〜Ｓ４を生成して各コンバータ２，３を作動（並列運転）させる。この際に、制御回路５は、コンバータ２の出力電圧を検出しつつ、この出力電圧が予め設定された定電圧Ｖ１となるように、駆動信号Ｓ１，Ｓ２の各デューティを変更する。これにより、直流電圧Ｖｉｎが変動したとしても、コンバータ２の出力電圧が定電圧Ｖ１に維持されて、この定電圧Ｖ１が正側出力端子７ａおよび負側出力端子７ｂを介して出力されて負荷８に印加（供給）される。

また、制御回路５は、コンバータ３の出力電圧を検出しつつ、この出力電圧が予め設定された定電圧Ｖ２となるように、駆動信号Ｓ３，Ｓ４の各デューティ比を変更する。この場合、コンバータ３の出力電圧（定電圧Ｖ２）がコンバータ２の出力電圧（定電圧Ｖ１）よりも低電圧に設定されているため、この並列運転状態において、制御回路５は、コンバータ３の出力電圧が基準とする電圧（定電圧Ｖ２）よりも高い状態にあると判別して、コンバータ３に対して出力する駆動信号Ｓ３のデューティをその下限値まで狭める制御を実行する。このときにコンバータ３のインダクタ２７に流れる電流Ｉ２は、図２に示すように、ＦＥＴ２２のスイッチング動作の１周期Ｔ１（駆動信号Ｓ３の１周期）でのコンバータ３から負荷８に向けて出力される電流量（同図中の右下がりの斜線を付した領域Ａ１の面積で示される電流量）よりも、コンバータ２から流入する電流量（同図中の左下がり斜線を付した領域Ａ２の面積で示される電流量）の方が多くなる。このため、同期整流型のコンバータ３では、この両電流量の差分に定電圧Ｖ１を乗じて得られる電力がトランス２１の二次側から一次側に回生されて、バッテリ４が充電される。

したがって、コンバータ３においてバッテリ４に対する充電動作が行われているときのコンバータ２のインダクタ１７に流れる電流Ｉ１（図３参照）には、負荷８に供給される電流と共にコンバータ３に供給される電流が含まれている。

また、コンバータ３によるバッテリ４に対する充電動作は、充電によってバッテリ４の電圧が徐々に上昇して、コンバータ２からコンバータ３に流入する電流量が次第に減少するため、バッテリ４の電圧が所定の電圧に達した時点で、図２に示すコンバータ３から負荷８に向けて出力される電流量（同図中の領域Ａ１の面積で示される電流量）と、コンバータ２からコンバータ３に流入する電流量（同図中の領域Ａ２の面積で示される電流量）とがバランスした時点で完了する。その後、バッテリ４の電圧が自己放電等によって低下したときには、上記したコンバータ３によるバッテリ４の充電動作が再度行われて、バッテリ４が所定の電圧に充電される。

次いで、直流電圧Ｖｉｎが予め設定された所定電圧未満のときの動作について説明する。

この動作状態のときには、電源システム１では、上記したように、制御回路５は、各駆動信号Ｓ１，Ｓ２の生成を停止してコンバータ２の動作を停止させると共に、各駆動信号Ｓ３，Ｓ４の生成を継続することによってコンバータ３の作動を継続させる。これにより、コンバータ３は、バッテリ４から供給される電圧を定電圧Ｖ２に変換して正側出力端子７ａおよび負側出力端子７ｂを介して出力する。この結果、定電圧Ｖ２が負荷８に印加（供給）される。

このように、この電源システム１では、直流電圧Ｖｉｎが所定電圧以上のときに、降圧型のＤＣ／ＤＣコンバータとして構成されたコンバータ２が直流電圧Ｖｉｎに基づいて定電圧Ｖ１を生成して出力端子７から負荷８に印加し、降圧型の同期整流型ＤＣ／ＤＣコンバータに構成されてコンバータ２と並列運転されているコンバータ３が、この定電圧Ｖ１に基づいてバッテリ４に対する充電動作を実行する。したがって、この電源システム１によれば、コンバータ２，３という同じ型の（同じ降圧型に構成された）ＤＣ／ＤＣコンバータで構成できるため、異なる型のＤＣ／ＤＣコンバータで構成するのと比較して、両コンバータ２，３において共通する回路が多くなる結果、設計・開発に要する時間を短縮できると共に、使用部品の共通化を図って部品の種類を削減することができ、これにより、製品コストを低減することができる。

また、この電源システム１では、コンバータ２についても、コンバータ３と同一構成の同期整流型ＤＣ／ＤＣコンバータとしたことにより、１つのコンバータ２（またはコンバータ３）の設計・開発に要する時間でコンバータ２，３を設計・開発することができ、設計・開発に要する時間を半分に短縮できると共に、使用部品の共通化をほぼ１００％までに高めることができ、これにより、製品コストを大幅に低減することができる。

なお、本発明は、上記した実施の形態に限定されず、その構成を適宜変更することができる。例えば、上記の電源システム１では、各コンバータ２，３を降圧型のＤＣ／ＤＣコンバータとしたが、負荷８に供給する定電圧Ｖ１，Ｖ２が、直流電圧Ｖｉｎおよびバッテリ４の充電電圧Ｖｂよりも高いときには、各コンバータ２，３を昇圧型のＤＣ／ＤＣコンバータとすることもできる。また、コンバータ２をコンバータ３と同じ同期整流型ＤＣ／ＤＣコンバータとしているが、コンバータ３と同じ型（降圧型または昇圧型）のＤＣ／ＤＣコンバータである限り、同期整流型のＤＣ／ＤＣコンバータに限らず、種々のＤＣ／ＤＣコンバータを使用することができる。また、各コンバータ２，３においてトランス１１，２１の一次巻線１１ａ，２１ａに、コンデンサとＦＥＴの直列回路で構成されたクランプ回路を接続する構成を採用しているが、他の構成のクランプ回路を使用してもよいのは勿論である。また、蓄電素子としてバッテリ４を使用したが、他の種類の二次電池や、電気二重層コンデンサなどを使用することもできる。

電源システム１の回路図である。コンバータ３の動作を説明するための波形図である。コンバータ２の動作を説明するための波形図である。

符号の説明

１電源システム
２，３コンバータ
４バッテリ
７出力端子
Ｖ１，Ｖ２定電圧
Ｖｂ充電電圧
Ｖｉｎ直流電圧

Claims

降圧型および昇圧型のいずれか一方の型に構成されて、直流入力電圧が所定電圧以上のときに当該直流入力電圧に基づいて第１直流電圧を生成して出力端子から出力し、かつ当該直流入力電圧が当該所定電圧未満のときに前記第１直流電圧の生成を停止する主ＤＣ／ＤＣコンバータと、
前記主ＤＣ／ＤＣコンバータと同型に構成されて、蓄電素子の充電電圧に基づいて前記第１直流電圧よりも低電圧の第２直流電圧を生成して出力端子から出力する同期整流型ＤＣ／ＤＣコンバータとを備え、前記主ＤＣ／ＤＣコンバータの前記出力端子と前記同期整流型ＤＣ／ＤＣコンバータの前記出力端子同士が接続されて当該主ＤＣ／ＤＣコンバータおよび当該同期整流型ＤＣ／ＤＣコンバータが並列運転される電源システム。
前記主ＤＣ／ＤＣコンバータは、前記同期整流型ＤＣ／ＤＣコンバータと同一構成の同期整流型ＤＣ／ＤＣコンバータで構成されている請求項１記載の電源システム。