JP2009171650A

JP2009171650A - 定電圧・定電流電源装置

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Publication number: JP2009171650A
Application number: JP2008003818A
Authority: JP
Inventors: Akihiro Baba; 昭宏馬場
Original assignee: Asti Corp
Current assignee: Asti Corp
Priority date: 2008-01-11
Filing date: 2008-01-11
Publication date: 2009-07-30

Abstract

【課題】定電圧（ＣＶ）制御モードと定電流（ＣＣ）制御モードの遷移時における遅れ時間を短縮させて電圧や電流を設定値に近付け、ストレスを軽減させることができる定電圧・定電流電源装置を提供すること。
【解決手段】入力電圧をスイッチングして設定した出力電圧を出力するスイッチング回路と、スイッチング回路より出力される出力電圧と定電圧（ＣＶ）設定電圧を比較して誤差を出力する定電圧（ＣＶ）誤差増幅回路と、スイッチング回路より出力される充電出力電流と定電流（ＣＣ）設定電圧を比較して誤差を出力する定電流（ＣＣ）誤差増幅回路と、定電圧（ＣＶ）制御モードと定電流（ＣＣ）制御モードの内有効になる制御モードを選択する制御モード選択回路と、制御モード選択回路に設けられ定電圧（ＣＶ）制御電圧と定電流（ＣＣ）制御電圧の電圧差を小さくして制御モード遷移時の遅れ時間を短縮する過渡応答改善回路と、を具備したもの。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、電動車椅子等の各種電動車両に組み込まれ、定電圧（ＣＶ）制御モードと定電流（ＣＣ）制御モードの二つの制御モードで動作する定電圧・定電流電源装置に係り、特に、定電圧（ＣＶ）制御モードと定電流（ＣＣ）制御モードの遷移時における遅れ時間を短縮させ、制御モード遷移中の電圧・電流を設定値に制御できるようにし、それによって、電源装置と負荷へのストレスを軽減させることができるように工夫したものに関する。

従来の定電圧・定電流電源装置は、例えば、図５に示すような構成になっている。まず、スイッチング回路１０１があり、このスイッチング回路１０１によって入力した充電入力電圧をスイッチングして設定した出力電圧を出力するものである。上記スイッチング回路１０１には、定電圧（ＣＶ）誤差増幅器１０３と定電流（ＣＣ）誤差増幅器１０５が接続されている。上記定電圧（ＣＶ）誤差増幅回路１０３によって上記スイッチング回路１０１より出力される出力電圧と定電圧（ＣＶ）設定電圧１０７を比較して誤差を出力するものである。又、上記定電流（ＣＣ）誤差増幅回路１０５によって上記スイッチング回路１０１より出力される充電出力電流と定電流（ＣＣ）設定電圧１０９を比較して誤差を出力するものである。

又、制御モード選択回路１１０が設置されている。この制御選択モード１１０は次のような構成になっている。まず、上記定電圧（ＣＶ）誤差増幅器１０３にはダイオード１１１が接続されている。又、上記定電流（ＣＣ）誤差増幅器１０５にはダイオード１１３が接続されている。上記ダイオード１１１、１１３にはフォトカプラ１１５が接続されている。上記フォトカプラ１１５は発光ダイオード１１５ａとフォトトランジスタ１１５ｂとから構成されている。上記フォトカプラ１１５と既に説明したスイッチング回路１０１との間には制御ＩＣ１１７が介挿されている。尚、図５中符号１１９は抵抗を示すと共に符号１２１は定電圧・定電流電源装置の負荷を示している。このような構成をなす制御モード選択回路１１０によって定電圧（ＣＶ）制御モードと定電流（ＣＣ）制御モードの内有効になる側を選択するものである。

図５に示す定電圧・定電流電源装置の中から要部のみを抽出して図６に示す。既に説明した定電圧（ＣＶ）誤差増幅器１０３にはコンデンサ１２１と抵抗１２３からなる直列回路が並列接続されている。又、定電流（ＣＣ）誤差増幅器１０５にはコンデンサ１２５と抵抗１２７からなる直列回路が並列接続されている。又、フォトカプラ１１５の発光ダイオード１１５ａには抵抗１２９が並列接続されている。

上記構成において、定電圧（ＣＶ）制御モードと定電流（ＣＣ）制御モードが負荷の変化によって遷移する。例えば、定電圧（ＣＶ）制御モードのときに定電圧（ＣＶ）制御電圧は制御に必要とされる電圧（例えば、７Ｖ）であり、定電流（ＣＣ）制御電圧は定電流（ＣＣ）制御モードが「無効」となっているので制御回路電源電圧（ＣＣ制御電圧＝Ｖｃｃ＝例えば、１２Ｖ）となっている。

この種の電源装置の構成を開示するものとして、例えば、特許文献１、特許文献２等がある。
特開２００２−１４２３８１号公報特開２００６−２０４０２１号公報

上記従来の構成によると次のような問題があった。すなわち、定電圧（ＣＶ）制御モードにおける定電圧（ＣＶ）制御電圧は、例えば、７Ｖであり、一方、定電流（ＣＣ）制御電圧は、例えば、１２Ｖであり、両制御電圧の間には５Ｖの電圧差がある。この制御電圧の差が原因して、制御モード遷移の時間に遅れが生じてしまうという問題があった。これを図７を参照して詳しく説明する。図７は定電圧（ＣＶ）制御モードから定電流（ＣＣ）制御モードに遷移する場合を示すものである。まず、定電圧（ＣＶ）制御モードにおいて出力電流が増加して設定値に達すると、定電圧（ＣＶ）制御モードから定電流（ＣＣ）制御モードに遷移する（図７中符号ａで示す領域）。それによって、定電流（ＣＣ）制御電圧が下がり始める。定電流（ＣＣ）制御電圧は定電流（ＣＣ）誤差増幅器１０５の位相補償用のコンデンサ１２５を放電することにより制御電圧（７Ｖ）になろうとするが、制御回路電源電圧（Ｖｃｃ＝例えば、１２Ｖ）から制御電圧（７Ｖ）に達するまでに遅れ時間が発生する（図７中符号ｂで示す領域）。上記遅れ時間の間は定電圧（ＣＶ）制御電圧が有効に働くことになるが出力電流は設定値を越えることになってしまう（図７中符号ｃで示す領域）。尚、充電電流は定電圧（ＣＶ）電圧と負荷抵抗から決まる電流値となる。上記のように制御モード遷移の時間に遅れが生じてしまうと、電流又は電圧が設定値を越えることになり、それによって、電源装置と負荷にストレスを与えてしまうことになる。これに対しては電源装置を構成する部品を大容量のものとすることが考えられるが、それでは装置の大型化を誘発してしまうことになる。

本発明はこのような点に基づいてなされたものでその目的とするところは、定電圧（ＣＶ）制御モードと定電流（ＣＣ）制御モードの制御モード遷移時における遅れ時間を短縮させて電圧や電流を設定値に近付け、それによって、電源装置と負荷のストレスを軽減させることができる定電圧・定電流電源装置を提供することにある。

上記目的を達成するべく本願発明の請求項１による定電流・定電圧電源装置は、入力電圧をスイッチングして設定した出力電圧を出力するスイッチング回路と、上記スイッチング回路より出力される出力電圧と定電圧（ＣＶ）設定電圧を比較して誤差を出力する定電圧（ＣＶ）誤差増幅回路と、上記スイッチング回路より出力される充電出力電流と定電流（ＣＣ）設定電圧を比較して誤差を出力する定電流（ＣＣ）誤差増幅回路と、定電圧（ＣＶ）制御モードと定電流（ＣＣ）制御モードの内有効になる制御モードを選択する制御モード選択回路と、上記制御モード選択回路に設けられ定電圧（ＣＶ）制御電圧と定電流（ＣＣ）制御電圧の電圧差を小さくして制御モード遷移時の遅れ時間を短縮する過渡応答改善回路と、を具備したことを特徴とするものである。又、請求項２による定電流・定電圧電源装置は、請求項１記載の定電圧・定電流電源装置において、上記過渡応答改善回路はボルテージフォロア回路とダイオードを直列接続した回路から構成されているものであることを特徴とするものである。又、請求項３による定電流・定電圧電源装置は、請求項１記載の定電圧・定電流電源装置において、上記過渡応答改善回路はトランジスタ回路とダイオードを直列接続した回路から構成されていることを特徴とするものである。又、請求項４による定電流・定電圧電源装置は、請求項１記載の定電圧・定電流電源装置において、上記過渡応答改善回路はダイオードを備えた回路から構成されていることを特徴とするものである。

以上述べたように本願発明の請求項１による定電流・定電圧電源装置は、入力電圧をスイッチングして設定した出力電圧を出力するスイッチング回路と、上記スイッチング回路より出力される出力電圧と定電圧（ＣＶ）設定電圧を比較して誤差を出力する定電圧（ＣＶ）誤差増幅回路と、上記スイッチング回路より出力される充電出力電流と定電流（ＣＣ）設定電圧を比較して誤差を出力する定電流（ＣＣ）誤差増幅回路と、定電圧（ＣＶ）制御モードと定電流（ＣＣ）制御モードの内有効になる制御モードを選択する制御モード選択回路と、上記制御モード選択回路に設けられ定電圧（ＣＶ）制御電圧と定電流（ＣＣ）制御電圧の電圧差を小さくして制御モード遷移時の遅れ時間を短縮する過渡応答改善回路と、を具備した構成になっているので、まず、モード遷移時の時間遅れを短縮させることができ、それによって、モード遷移中の電圧、電流を設定値に制御することが可能になった。又、モード遷移中の電圧、電流を設定値に制御することができるようになったので、電源装置を構成する部品を大型化する必要がなくなるものである。又、従来の場合には、モード遷移中の時間遅れを短縮するためには、制御安全性を確保するための位相補償定数を変更しなければならず、それが原因して制御が不安定になることがあった。これに対して、本実施の形態の場合には、位相補償定数とは独立して設計することができるため、制御安定性を確保することができるものである。又、モード遷移中の設定値を越える電圧、電流によって保護が働くという問題も解決できる。又、請求項２による定電流・定電圧電源装置は、請求項１記載の定電圧・定電流電源装置において、上記過渡応答改善回路はボルテージフォロア回路とダイオードを直列接続した回路から構成されているので、比較的簡単な回路構成で所望の効果を確実に得ることができる。又、請求項３による定電流・定電圧電源装置は、請求項１記載の定電圧・定電流電源装置において、上記過渡応答改善回路はトランジスタ回路とダイオードを直列接続した回路から構成されているので、比較的簡単な回路構成で所望の効果を確実に得ることができる。又、請求項４による定電流・定電圧電源装置は、請求項１記載の定電圧・定電流電源装置において、上記過渡応答改善回路はダイオードを備えた回路から構成されているので、比較的簡単な回路構成で所望の効果を確実に得ることができる。

以下、図１及び図２を参照
して本発明の第１の実施の形態を説明する。図１は本実施の形態による電源装置の構成を示す回路図であり、まず、スイッチング回路２があり、このスイッチング回路２によって入力した充電入力電圧をスイッチングして設定した出力電圧を出力するものである。上記スイッチング回路２には、定電圧（ＣＶ）誤差増幅器３と定電流（ＣＣ）誤差増幅器１が接続されている。上記定電圧（ＣＶ）誤差増幅回路３によって上記スイッチング回路２より出力される出力電圧と定電圧（ＣＶ）設定電圧７を比較して誤差を出力するものである。又、上記定電流（ＣＣ）誤差増幅回路１によって上記スイッチング回路２より出力される充電出力電流と定電流（ＣＣ）設定電圧５を比較して誤差を出力するものである。

又、制御モード選択回路１０が設置されている。この制御選択モード１０は次のような構成になっている。まず、上記定電圧（ＣＶ）誤差増幅器３にはダイオード１３、１５が接続されている。又、上記定電流（ＣＣ）誤差増幅器１にはダイオード９、１１が接続されている。上記ダイオード１１、１５にはフォトカプラ１７が接続されている。上記フォトカプラ１７は発光ダイオード１７ａとフォトトランジスタ１７ｂとから構成されている。上記フォトカプラ１７と既に説明したスイッチング回路２との間には制御ＩＣ２１が介挿されている。尚、図１中符号２２は抵抗を示すと共に符号２４は定電圧・定電流電源装置の負荷を示している。このような構成をなす制御モード選択回路１０によって定電圧（ＣＶ）制御モードと定電流（ＣＣ）制御モードの内の有効になっている側を選択するものである。

上記ダイオード９、１１の間とダイオード１３、１５の間との間には過渡応答改善回路３１が設置されている。上記過渡応答改善回路３１は、第１回路３３と、第２回路３５とから構成されている。上記第１回路３３はボルテージフォロア回路３７とダイオード３９との直列回路から構成されている。上記第２回路３５はボルテージフォロア回路４１とダイオード４３との直列回路から構成されている。このような構成をなす過渡応答改善回路３１によって、定電圧（ＣＶ）制御モードと定電流（ＣＣ）制御モードの制御電圧の電圧差を小さくし、それによって、制御モード遷移時の時間の遅れを短縮するものである。

以上の構成を基に図２を参照してその作用を説明する。図２は定電圧（ＣＶ）制御モードから定電流（ＣＣ）制御モードに遷移する場合を例に挙げて示している。まず、定電圧（ＣＶ）制御モードにおいて出力電流が増加して設定値に達すると、定電圧（ＣＶ）制御モードから定電流（ＣＣ）制御モードに遷移する（図２中符号ａで示す領域）。それによって、定電流（ＣＣ）制御電圧が下がり始める。定電流（ＣＣ）制御電圧は定電流（ＣＣ）誤差増幅器１の位相補償用のコンデンサ２３を放電することにより制御電圧（例えば、７Ｖ）になろうとする。その際、定電圧（ＣＶ）制御電圧は制御に必要とされる電圧（例えば、７Ｖ）であり、ＣＣ制御電圧は制御が「無効」であるので、追加したダイオード４３の順方向降下電圧分だけ高い電圧（７．６Ｖ）となっている。つまり、従来５Ｖあった電位差を０．６Ｖとすることができている。それによってモード遷移時の時間遅れを短縮することができる。そして、出力電流を略設定値で制御することが可能になる。

図１を参照して上記作用をさらに詳しく説明する。まず、定電圧（ＣＶ）制御モードにおいては、ＣＶ制御電圧は例えば、約７Ｖとなる。ボルテージフォロア回路４１の増幅器は、非反転入力端子と反転入力端子、すなわち、Ａ点が同電圧になるように動作する。ＣＣ制御電圧が高い場合にはＡ点の電圧も上がってしまうために、抵抗２２、２５、コンデンサ２３、点Ａ´、ダイオード４３を結ぶラインを介して電流を増幅器に引き込み、Ａ点を７Ｖに保持する。その際、ＣＣ制御電圧はＡ点の電圧（７Ｖ）にダイオード４３の順方向電圧（０．６Ｖ）を加算した値、７．６Ｖになる。

以上本実施の形態によると次のような効果を奏することができる。まず、モード遷移時の時間遅れを短縮させることができる。これは従来例の説明で使用した図７と本実施の形態の場合を示す図２を比較すれば明らかなように、遅れ時間が大幅に短縮されているものである。それによって、モード遷移中の電圧、電流を設定値に制御することが可能になった。そして、制御モード遷移中の電圧、電流を設定値に制御することができるようになったので、電源装置を構成する部品を大型化する必要がなくなるものであり、それによって、装置の小型化が可能になるものである。又、従来の場合には、制御モード遷移中の時間遅れを短縮するためには、制御安全性を確保するための位相補償定数（Ｃ１、図１に示す）を変更しなければならず、それが原因して制御が不安定になることがあった。これに対して、本実施の形態の場合には、位相補償定数（Ｃ１）とは独立して設計することができるため、制御安定性を確保することができるものである。又、制御モード遷移中の設定値を越える電圧、電流によって保護が働くという問題も解決できる。

次に、図３を参照して本発明の第２の実施の形態を説明する。この第２の実施の形態の場合には、第１回路３３が、抵抗５１とトランジスタ５３からなるトランジスタ回路５０とダイオード５５との直列回路から構成されている。又、第２回路３５が、抵抗５７とトランジスタ５９とからなるトランジスタ回路５６とダイオード６１との直列回路から構成されている。その他の構成は前記第１の実施の形態の場合と同様であり、図中同一部分には同一符号を付して示しその説明は省略する。

まず、定電圧（ＣＶ）制御モードにおいては、ＣＶ制御電圧は例えば、７Ｖとなる。トランジスタ５９はＢ点の電圧がＣＶ制御電圧（７Ｖ）より高くなると「オン」する。つまり、Ｂ点の電圧がＣＶ制御電圧（７Ｖ）と等しくなるように動作する。ＣＣ制御電圧が高い電圧の場合、Ｂ点の電圧も上がり、トランジスタ５９が「オン」して、抵抗２２、２５、コンデンサ２３、点Ａ´、ダイオード６１を結ぶラインを介して電流を引き込み、Ｂ点を７Ｖに保持する。その際、ＣＣ制御電圧はＢ点の電圧（７Ｖ）にダイオード６１の順方向電圧（０．６Ｖ）を加算した値、７．６Ｖになる。

そして、この第２の実施の形態の場合にも前記第１の実施の形態の場合と同様の効果を奏することができるものである。

次に、図４を参照して本発明の第３の実施の形態を説明する。この第３の実施の形態の場合には、第１回路３３がダイオード６３から構成されている。又、第２回路３５がダイオード６５から構成されている。その他の構成は前記第１の実施の形態の場合と同様であり、図中同一部分には同一符号を付して示しその説明は省略する。

まず、定電圧（ＣＶ）制御モードにおいては、ＣＶ制御電圧は例えば、７Ｖとなる。ＣＶ誤差増幅器３はＣＶ電圧とＣＶ設定電圧が等しくなるように動作しており、両電圧を等しくするためにＣＶ制御電圧を７Ｖに保持するように動作する。ＣＣ制御電圧が高い電圧の場合、ＣＶ制御電圧も上がってしまうので、抵抗２２、２５、コンデンサ２３、点Ａ´、ダイオード６５を結ぶラインを介して電流を引き込み、ＣＶ制御電圧を７Ｖに保持する。その際、ＣＣ制御電圧はＣＶ制御電圧（７Ｖ）にダイオード６５の順方向電圧（０．６Ｖ）を加算した値、７．６Ｖになる。

そして、この第３の実施の形態の場合にも前記第１の実施の形態の場合と同様の効果を奏することができるものである。

尚、本発明は前記第１〜第３の実施の形態に限定されるものではない。まず、過渡応答改善回路の構成は前記第１〜第３の実施の形態の構成に限定されるものではなく、様々な構成が想定される。要はＣＶ制御電圧とＣＣ制御電圧の電位差を小さくすることができるような回路であればよい。電源装置の対象となる機器についてはこれを特に特定するものではない。

本発明は、定電圧（ＣＶ）制御モードと定電流（ＣＣ）制御モードの二つの制御モードで動作する定電圧・定電流電源装置に係り、特に、定電圧（ＣＶ）制御モードと定電流（ＣＣ制御）モードの遷移時における遅れ時間を短縮させて電圧や電流を設定値に近付け、それによって、電源装置と負荷へのストレスを軽減させることができるように工夫したものに関し、例えば、電動車椅子等の電動車両用の電源装置に好適である。

本発明の第１の実施の形態を示す図で、定電圧・定電流電源装置の構成を示す回路図である。本発明の第１の実施の形態を示す図で、定電圧・定電流電源装置の作用を説明するためのタイミングチャートである。本発明の第２の実施の形態を示す図で、定電圧・定電流電源装置の構成を示す回路図である。本発明の第３の実施の形態を示す図で、定電圧・定電流電源装置の構成を示す回路図である。従来例を示す図で、定電圧・定電流電源装置の構成を示す回路図である。従来例を示す図で、定電圧・定電流電源装置の構成を示す回路図である。従来例を示す図で、定電圧・定電流電源装置の作用を説明するためのタイミングチャートである。

符号の説明

１定電流（ＣＣ）誤差増幅器、３定電圧（ＣＶ）誤差増幅器、５定電流（ＣＣ）設定電圧、７定電圧（ＣＶ）設定電圧、９ダイオード、１１ダイオード、１３ダイオード、１５ダイオード、１７フォトカプラ、１７ａ発光ダイオード、１７ｂフォトトランジスタ、１９抵抗、２１制御ＩＣ、２２抵抗、２３コンデンサ、２４可変抵抗、２５抵抗、２７コンデンサ、２９抵抗、３１過渡応答改善回路、３３第１回路、３５第２回路、３７ボルテージフォロア回路、３９ダイオード、４１ボルテージフォロア回路、４３ダイオード

Claims

入力電圧をスイッチングして設定した出力電圧を出力するスイッチング回路と、上記スイッチング回路より出力される出力電圧と定電圧（ＣＶ）設定電圧を比較して誤差を出力する定電圧（ＣＶ）誤差増幅回路と、上記スイッチング回路より出力される充電出力電流と定電流（ＣＣ）設定電圧を比較して誤差を出力する定電流（ＣＣ）誤差増幅回路と、定電圧（ＣＶ）制御モードと定電流（ＣＣ）制御モードの内有効になる制御モードを選択する制御モード選択回路と、上記制御モード選択回路に設けられ定電圧（ＣＶ）制御電圧と定電流（ＣＣ）制御電圧の電圧差を小さくして制御モード遷移時の遅れ時間を短縮する過渡応答改善回路と、を具備したことを特徴とする定電圧・定電流電源装置。
請求項１記載の定電圧・定電流電源装置において、上記過渡応答改善回路はボルテージフォロア回路とダイオードを直列接続した回路から構成されているものであることを特徴とする定電圧・定電流電源装置。
請求項１記載の定電圧・定電流電源装置において、上記過渡応答改善回路はトランジスタ回路とダイオードを直列接続した回路から構成されていることを特徴とする定電圧・定電流電源装置。
請求項１記載の定電圧・定電流電源装置において、上記過渡応答改善回路はダイオードを備えた回路から構成されていることを特徴とする定電圧・定電流電源装置。