JP2009225644A

JP2009225644A - 電源装置

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Publication number: JP2009225644A
Application number: JP2008070591A
Authority: JP
Inventors: Masanori Yorinobu; 正法頼信; Shigeru Okamoto; 茂岡本; Hajime Katsushima; 肇勝嶋
Original assignee: Sansha Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Sansha Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2008-03-19
Filing date: 2008-03-19
Publication date: 2009-10-01
Anticipated expiration: 2028-03-19
Also published as: CN101540513B; US8072188B2; CN101540513A; JP5259219B2; KR101044367B1; KR20090100204A; US20090237028A1

Abstract

【課題】ドライブ回路等を高コストなデジタル回路で構成しなくても、第１のＰＷＭパルス又は第２のＰＷＭパルスが極めて細くなったり欠損しない電源装置を提供する。
【解決手段】電源装置は、ＤＣ電源部に並列的に接続される、第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子の直列回路と、前記第２のスイッチング素子に並列的に接続され、インダクタと平滑コンデンサとの直列回路から構成される平滑フィルタ回路と、を備えている。電源装置は、また、前記第1、第2のスイッチング素子をオンオフ駆動する第1、第2のＰＷＭパルスをそれぞれ形成し、それらのスイッチングパルス間にデッドタイムを形成するための制御部及びドライブ回路を備えている。前記制御部は、第1、第2のＰＷＭパルスのいずれかのパルス幅に応じて前記スイッチングパルスの周波数を変える。
【選択図】図１

Description

この発明は、充放電装置等の電源装置に関する。特に、出力端子に二次電池が接続され、この二次電池に対して充放電を繰り返し行って電池特性（放電特性や容量）の検査を行うのに適した電源装置に関する。

リチウムイオン電池等の二次電池を検査するには、通常、被検査物として出力端子に接続されている二次電池に対して充放電を繰り返し行って検査する。例えば、二次電池の電池電圧が低いときには充電モードにして二次電池に対して充電電流を流し、二次電池の電池電圧が十分高いときには放電モードにして二次電池からの放電電流を流すように制御する。

このような電源装置では、ＤＣ電源部が入力側に接続され、充電モードのときにはＤＣ電源部から二次電池に対して充電電流が流れ、放電モードのときには二次電池からＤＣ電源部に対して放電電流が流れる。また、ＤＣ電源部には、第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子の直列回路が並列的に接続され、前記第２のスイッチング素子には、インダクタと平滑コンデンサとの直列回路から構成される平滑フィルタ回路が並列的に接続される。

また、前記第１のスイッチング素子と前記第２のスイッチング素子を交互にオンオフするための第１のＰＷＭパルスと第２のＰＷＭパルスをそれぞれ形成し、さらに、それらのＰＷＭパルス間にデッドタイムを形成するドライブ回路が設けられる（特許文献１）。

以上の構成の電源装置では次のように動作する。

出力端子に未充電の二次電池が接続されると充電モードとなり、第１のＰＷＭパルスのパルス幅が第２のＰＷＭパルスのパルス幅よりも長くなり、第２のスイッチング素子の両端の平均電圧が二次電池の電池電圧よりも高くなる。この平均電圧と二次電池の電池電圧との差により二次電池に対して充電電流が流れる。

この充電モードでは、充電電流（出力電流）は出力電流検出部により検出され、この電流が定電流となるように、第１のＰＷＭパルスと第２のＰＷＭパルスのデューティ比が制御される。また、前記第１のスイッチング素子と前記第２のスイッチング素子が同時にオンすることがないように、第１のＰＷＭパルスと第２のＰＷＭパルスとの間に両パルスともオンしないデッドタイムが形成される。

二次電池の電圧が十分に高くなると、放電モードに切り替えられる。この放電モードでは、第２のＰＷＭパルスのパルス幅が第１のＰＷＭパルスのパルス幅よりも長くなり、第２のスイッチング素子の両端の平均電圧が二次電池の電池電圧よりも低くなる。この平均電圧と二次電池の電池電圧との差により二次電池からＤＣ電源部に向けて放電電流が流れる。

この放電モードでは、放電電流は出力電流検出部により検出され、この電流が定電流となるように、第１のＰＷＭパルスと第２のＰＷＭパルスのデューティ比が制御される。また、前記第１のスイッチング素子と前記第２のスイッチング素子が同時にオンすることがないように、第１のＰＷＭパルスと第２のＰＷＭパルスとの間に両パルスともオンしないデッドタイムが形成される。

このようにして、二次電池に対する充電と放電が繰り返し行われて、二次電池の容量検査やその他の検査が行われる。
特開２００２−１０５０２号公報

上記の電源装置では、充電や放電が進むに従って、第１のＰＷＭパルスや第２のＰＷＭパルスのパルス幅（ＯＮ幅）又はそのパルスのＯＦＦ幅が徐々に狭くなってくる。例えば、放電モードにおいては、二次電池の放電が進んで電池電圧が低くなると、第２のスイッチング素子をオンするための第２のＰＷＭパルスのＯＦＦ幅が短くなるように制御される。

しかし、第１のＰＷＭパルスと第２のＰＷＭパルスとの間のデッドタイムを、低コストで構成できるＣＲ時定数回路を含む回路で形成すると、次のような問題が生じる。

すなわち、ＣＲ時定数回路は、パルス波形を鈍らせて遅延を生成するものであるが、アナログ信号処理のために、第２のＰＷＭパルスのＯＦＦ幅が相当に短くなる制御状態では、第２のＰＷＭパルスの形成が不確実となり、その制御が不安定となってしまう。その他、アナログ的に波形処理をしてデッドタイムを形成する場合も、同じような問題が生じる。一方、これを解決するために、第１のＰＷＭパルスを完全デジタル的に形成しようとすると、デッドタイムを形成するためのドライブ回路が高価なデジタル回路となったり、スイッチングパルスを形成するＤＳＰやＣＰＵに高性能な高コストのものを必要となり、電源装置全体のコストアップを招来する。

上記の問題は、充電モードにおいても同様に生じる。また、この電源装置を、出力端子に接続した二次電池から見て負荷の大きさを可変することのできる電子負荷装置として機能させる場合も、上記と同じような問題が生じる。

この発明の目的は、ドライブ回路等を高コストなデジタル回路で構成しなくても、第１のＰＷＭパルス又は第２のＰＷＭパルスのパルス幅が短くなるように制御されている状態で、制御が不安定になることを防止できる電源装置を提供することにある。

この発明の電源装置は、ＤＣ電源部に並列的に接続される、第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子の直列回路と、前記第２のスイッチング素子に並列的に接続され、インダクタと平滑コンデンサとの直列回路から構成される平滑フィルタ回路と、を備えている。また、前記平滑コンデンサの両端に接続される出力端子と、スイッチングパルスを出力し、そのパルスのパルス幅をＰＷＭ制御する（デューティ比を制御する）制御部と、前記スイッチングパルスに基づいて、前記第１のスイッチング素子と前記第２のスイッチング素子を交互にオンオフするための第１のＰＷＭパルスと第２のＰＷＭパルスをそれぞれ形成し、さらに、それらのＰＷＭパルス間にデッドタイムを形成するドライブ回路と、を備えている。

前記制御部は、前記第１のＰＷＭパルスと前記第２のＰＷＭパルスのいずれかのパルス幅に応じて前記スイッチングパルスの周波数を変える。なお、この発明でいうパルス幅とは、パルスのＯＮ幅又はＯＦＦ幅を意味する。以下、説明の都合上、単にパルス幅と言う場合は、パルスのＯＮ幅又はＯＦＦ幅を意味する。また、上記ＯＮ幅又はＯＦＦ幅は、ＯＮ区間又はＯＦＦ区間と称することがある。

この発明の一例としての電源装置では、出力端子に、二次電池が接続され、この二次電池に対して充電と放電を繰り返し行うことにより、二次電池の検査を行う。すなわち、この発明の電源装置は、例えば、二次電池の検査装置として使用される。

二次電池の検査装置として使用する電源装置では、第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子を第１のＰＷＭパルスと第２のＰＷＭパルスによって交互にオンオフする。また、第２のスイッチング素子に並列的に接続される平滑フィルタ回路を介して二次電池に対して充電電流を流し、又は、二次電池から平滑フィルタ回路を介してＤＣ電源部に対して放電電流を流す。

第１のＰＷＭパルスのパルス幅（ＯＮ幅）が第２のＰＷＭパルスのパルス幅（ＯＮ幅）よりも長いと充電モードとなって、充電電流が二次電池に流れる。すなわち、第１のＰＷＭパルスのパルス幅が第２のＰＷＭパルスのパルス幅よりも長いと、第２のスイッチング素子の両端の平均電圧が二次電池の電池電圧よりも高くなるために、二次電池に対して充電電流が流れる。また、第１のＰＷＭパルスのパルス幅が第２のＰＷＭパルスのパルス幅よりも短いと放電モードとなって、放電電流が二次電池からＤＣ電源部に流れる。すなわち、第１のＰＷＭパルスのパルス幅が第２のＰＷＭパルスのパルス幅よりも短いと、第２のスイッチング素子の両端の平均電圧が二次電池の電池電圧よりも低くなるために、二次電池からＤＣ電源部に対して放電電流が流れる。このように、二次電池に対して充電と放電とを行うことができる。

放電モードでは、二次電池の電池電圧が低下すると、それに応じて第２のＰＷＭパルスのＯＦＦ幅も短くなる。そこで、この発明では、二次電池の電池電圧の低下に応じて（第２のＰＷＭパルスのＯＦＦ幅が短くなるに応じて）、第１のＰＷＭパルスと第２のＰＷＭパルスを形成するスイッチングパルスの周波数を低くする。ドライブ回路に、スイッチン
グパルスを鈍らせて第２のＰＷＭパルスを形成するＣＲ時定数回路を用いている場合は、第２のＰＷＭパルスのＯＦＦ幅が一定の幅以下になると、同パルスの形成が不確実となり第２のスイッチング素子の制御が不安定となるが、この発明では、このような状態のときにスイッチングパルスの周波数が低くなるために、第２のＰＷＭパルスの形成が確実となる。

また、同時に、第１のＰＷＭパルスがいわゆる「ヒゲ」のような不安定なパルスとなったりパルス欠損となるのを防止することもできる。

制御部は、第２のＰＷＭパルスのＯＦＦ幅が一定のパルス幅以下になると前記スイッチングパルスの周波数を低くするように制御しても良いし、第２のＰＷＭパルスのＯＦＦ幅が短くなるに応じてスイッチングパルスの周波数を連続的に低くするように制御しても良い。

なお、充電モードにおいては、充電が進むと第１のＰＷＭパルスのＯＦＦ幅が短くなるが、このモードにおいても、第１のＰＷＭパルスのＯＦＦ幅が一定のパルス幅以下になったときに、又は、二次電池の電池電圧の増加に応じて（第１のＰＷＭパルスのＯＦＦ幅が短くなるに応じて）スイッチングパルスの周波数を連続的に低くするように制御しても良い。充電モードにおいて上記制御を行うことにより、ＤＣ電源部の電源電圧が低くても、安定な充電制御が可能になる。

この発明によれば、パルス波形を鈍らせるＣＲ時定数回路やアナログ的な遅延回路を用いて第１のＰＷＭパルス又は第２のパルスを形成する場合であっても、それらのパルスのパルス幅が短くなった状態で同パルスの形成が不確実となるのを防止できる。

図１は、この発明の実施形態である電源装置のブロック図である。

この電源装置は、二次電池に対して充電と放電を繰り返すことにより二次電池の特性を検査する検査装置として使用される。

入力端子１には、ＤＣ電源部２が接続されている。このＤＣ電源部２は、出力電圧がＤＣ電圧であれば、電池又はＡＣ−ＤＣコンバータ等で構成できる。

入力端子１には、第1の平滑コンデンサ３と、第１のスイッチング素子４及び第２のスイッチング素子５の直列回路とが並列的に接続されている。並列的に接続されるとは、入力端子１に対して直接的又は間接的に電気的に並列な接続であることを意味し、任意の素子や回路を介さずに並列に接続されることと、任意の素子や回路を介して並列に接続されることを含む。

第１のスイッチング素子４及び第２のスイッチング素子５は、それぞれＭＯＳ型ＦＥＴのスイッチングトランジスタ、又はＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）で構成されている。これらのスイッチング素子４、５は、バイポーラトランジスタ素子やサイリスタ素子などで構成することも可能である。

第２のスイッチング素子５には、インダクタ（Ｌ）６０と第2の平滑コンデンサ６１の直列回路からなる平滑フィルタ回路６が並列的に接続されている。また、インダクタ６０の出力側には、貫通コイルやホール素子等で構成され、出力電流を検出する出力電流検出部（ＳＨ）６２が接続されている。

平滑コンデンサ６１には、開閉器（ＲＹ）７を介してコンデンサ８が並列に接続され、さらに、出力端子９が接続されている。出力端子９には、被検査対象である二次電池１０が接続されている。二次電池１０は、放電限界状態で電池電圧が急激に垂下する例えばリチウムイオン電池である。

制御部１１は、第１のスイッチング素子４及び第２のスイッチング素子５を交互にスイッチングするためのスイッチングパルスＷ１を生成する。この制御部１１は、ＤＳＰ(DigitalSignal Processor)で構成され、高速でスイッチングパルスＷ１を形成する。

制御部１１の入力側には、出力電流検出部６２で検出した出力電流Ｉｏと、平滑コンデンサ６１の両端電圧である平滑出力電圧Ｖｃと、出力端子９の電圧である出力電圧Ｖｏとが入力する。また、制御部１１の入力側は、上位の制御装置１２と通信するための通信端子（ＳＰＩ）を備えている。この通信端子（ＳＰＩ）には、上位の制御装置１２から、運転指令信号、運転停止信号、電流指令値が入力し、また、この通信端子（ＳＰＩ）からは、上位の制御装置１２に対してこの電源装置の状態のアンサバック信号等を出力する。

制御部１１の出力側からは、出力端子（ＰＷＭＯ）からＰＷＭ制御されたスイッチングパルスＷ１が出力する。このスイッチングパルスＷ１は、上位の制御装置１２から、運転指令信号を受けた後、出力電流検出部６２で検出した出力電流Ｉｏが電流指令値になるように、ＰＷＭ制御、すなわちデューティ比制御（定電流制御）される。また、後述のように、制御部１１は、放電モードにおいて、電池電圧が低下するに応じてスイッチングパルスＷ１の周波数ｆを下げる制御を行う。

出力端子（ＰＷＭＯ）から出力されるスイッチングパルスＷ１は、第１のドライブ回路１４に直接入力し、また、信号反転回路（インバータ）１２を介して第２のドライブ回路１３に入力する。

第２のドライブ回路１３は、アンドゲート１３Ａ、信号反転回路（インバータ）１３Ｂ、１３Ｃ、及び第２のＣＲ時定数回路１３Ｄを備えている。第２のＣＲ時定数回路１３Ｄは、抵抗ＲとコンデンサＣからなる信号遅延回路で、アンドゲート１３Ａの出力信号をアナログ的に遅延する。なお、抵抗Ｒには並列に逆方向にダイオードＤが接続されていて、コンデンサＣの充電電荷を急速に放電するようにしている。第２のＣＲ時定数回路１３Ｄの出力は、信号反転回路１３Ｂに入力し、さらに、その出力は信号反転回路１３Ｃに入力する。第2のドライブ回路１３の出力は、第２のＰＷＭパルスとして第２のスイッチング素子５のゲート端子に出力される。

なお、アンドゲート１３Ａ、信号反転回路１２、１３Ｂ、１３Ｃは、ヒステリシス特性により信号の遅延を少し生じさせる。また、信号反転回路１３Ｂは、第２のＣＲ時定数回路１３Ｄで鈍った信号をパルスに整形する整形回路として動作する。

第１のドライブ回路１４は、第2のドライブ回路１３と同様な回路構成を備えているが、同回路１４内に設けられる第１のＣＲ時定数回路１４Ｄの時定数は、第２のドライブ回路１３に設けられる第２のＣＲ時定数回路１３Ｄの時定数と異なっている。第１のドライブ回路１４の出力は、第１のＰＷＭパルスとして第１のスイッチング素子４のゲート端子に出力される。

このように、第１のドライブ回路１４と第２のドライブ回路１３内に設けられるＣＲ時定数回路１３Ｄと１４Ｄの時定数を異ならせることにより、第１のＰＷＭパルスＰ１と第２のＰＷＭパルスＰ２との間にデッドタイムが形成される。

なお、第1のスイッチング素子4と第２のスイッチング素子5には、並列にダイオード(フリーホィールダイオード)４０、５０が接続されているが、これらのダイオード４０、５０は、スイッチング素子４又は５のオフ時にインダクタ６０に蓄積されているエネルギーを放出するためのものである。すなわち、充電モード時では、第１のスイッチング素子４のオフ時に、インダクタ６０に蓄積されているエネルギーをダイオード５０を介して放出する（実際は、デッドタイムを除く期間において第２のスイッチング素子５もオンされているためこのスイッチング素子５を経由して放出される）。また、放電モード時では、第２のスイッチング素子５のオフ時に、インダクタ６０に蓄積されているエネルギーをダイオード４０を介して放出する（実際は、デッドタイムを除く期間において第１のスイッチング素子４もオンされているためこのスイッチング素子４を経由して放出される）。

二次電池１０の検査は次のようにして行われる。

まず、充電されていない二次電池１０を出力端子９に接続して、電源装置を起動する。

このとき、第２のスイッチング素子５の両端平均電圧は二次電池１０の電池電圧よりも高いために充電モードとなる。充電モードでは、第１のＰＷＭパルスＰ１のパルス幅（ＯＮ幅）が、第２のＰＷＭパルスＰ２のパルス幅（ＯＮ幅）よりも大きくなる。

図２は、充電モードのときの第１のＰＷＭパルスＰ１と第２のＰＷＭパルスＰ２を示している。パルス周期Ｔに対して、第１のＰＷＭパルスＰ１の「Ｈ」の時間ＴＰ１（ＯＮ幅）が５０％以上であり、反対に、第２のＰＷＭパルスＰ２の「Ｈ」の時間ＴＰ２（ＯＮ幅）が５０％以下である。第１のＰＷＭパルスＰ１と第２のＰＷＭパルスＰ２が重ならないように、デッドタイムＴｄ１、Ｔｄ２が設けられている。上記のように、このデッドタイムＴｄ１、Ｔｄ２は、ドライブ回路１３内の第２のＣＲ時定数回路１３Ｄ、波形整形回路（ゲート回路等）と、ドライブ回路１４内の第１のＣＲ時定数回路１４Ｄや波形整形回路（ゲート回路等）とを組み合わせることで形成される。

図３は、放電モードのときの第１のＰＷＭパルスＰ１と第２のＰＷＭパルスＰ２を示している。パルス周期Ｔに対して、第１のＰＷＭパルスＰ１の「Ｈ」の時間ＴＰ１（ＯＮ幅）が５０％以下であり、反対に、第２のＰＷＭパルスＰ２の「Ｈ」の時間ＴＰ２（ＯＮ幅）が５０％以上である。この放電モードにおいても、第１のＰＷＭパルスＰ１と第２のＰＷＭパルスＰ２が重ならないように、デッドタイムＴｄ１、Ｔｄ２が設けられている。

充電されていない二次電池１０を出力端子９に接続して、電源装置を起動すると、まず、充電モードとなって、制御部１１は、出力電流（充電電流）が所定の定電流となるようにデューティ比を設定しながらスイッチングパルスＷ１を形成する。第１のドライブ回路１４と第２のドライブ回路１３は、それぞれ、スイッチングパルスＷ１から第１のＰＷＭパルスＰ１と第２のＰＷＭパルスＰ２を生成する。充電モードでは、図２において、パルス幅（ＯＮ幅）ＴＰ１が大きく（広く）、パルス幅（ＯＮ幅）ＴＰ２が小さく（狭く）制御され定電流が維持される。充電が進行することにより電池電圧が上昇し、それに従ってパルス幅（ＯＮ幅）ＴＰ１も小さくなっていく。出力端子９の出力電圧が所定の電圧に達すると充電が完了したものとして充電モードでの動作を停止する。なお、充電モードでは、充電開始から充電終了までの時間を計測することにより二次電池１０の容量を検査することができる。充電終了は、出力電圧Ｖｏが所定の電圧になったことを検出することで判定される。

放電モードでの検査を行うときは、制御部１１は、ＤＣ電源部２の方向への出力電流（放電電流）が所定の定電流となるようにデューティ比を設定しながらスイッチングパルスＷ１を形成する。第１のドライブ回路１４と第２のドライブ回路１３は、それぞれ、スイッチングパルスＷ１から第１のＰＷＭパルスＰ１と第２のＰＷＭパルスＰ２とを形成する。放電モードでは、図３において、パルス幅（ＯＮ幅）ＴＰ１が小さく（狭く）、パルス幅（ＯＮ幅）ＴＰ２が大きく（広く）制御され定電流（この場合は、電流の方向はＤＣ電源部２に向かっている）が維持される。放電が進行することにより電池電圧が下降し、それに従ってパルス幅ＴＰ１も小さくなっていく。

本実施形態の電源装置では、後述のように、放電モードにおいて、第１のＰＷＭパルスＰ１のパルス幅ＴＰ１が短くなるに応じて、すなわち、電池電圧が低くなるに応じて、スイッチングパルスＷ１の周波数ｆを徐々に低くする。なお、電池電圧は、出力端子９に表れる出力電圧Ｖｏで検出しても良いが、出力端子９から平滑フィルタ回路６までのインピーダンスによる電圧降下を考慮することとして、平滑フィルタ回路６の出力電圧である平滑出力電圧Ｖｃを電池電圧に代わる電圧として検出する。

このように制御することで、放電モードにおいて、第１のＰＷＭパルスＰ１のパルス幅ＴＰ１が小さくなったときのパルス形成が不安定になるのを防止する。

以下、このことについて詳細に説明する。

理解を容易にするために、まず、スイッチングパルスの周波数ｆを固定したときのドライブ回路１３、１４の動作について図4を参照して説明する。

図４は、スイッチングパルスの周波数ｆを固定した状態で、放電モードにおいて電池電圧が低下していくときの波形図を示す。実線は電池電圧が高い状態を示し、点線は電池電圧が低い状態を示している。電池電圧が低下していくに従って、図４の矢印に示すように、スイッチングパルスＷ１を含む各パルスのパルス幅は実線の状態から破線の状態に遷移する。

制御部１１の端子ＰＷＭＯから出力されるスイッチングパルスＷ１は、信号反転回路（インバータ）１２で反転され、第２のドライブ回路１３に入力する。第２のドライブ回路１３では、信号反転回路（インバータ）１２で反転されたパルスが、通常時には「Ｈ」に設定されている入力信号との論理積を行うアンドゲート１３Ａを通過して第２のＣＲ時定数回路１３Ｄに入力する。各回路はヒステリシス特性を持つために少しの信号遅れが生じるが極端に遅れることはない。これに対して、第２のＣＲ時定数回路１３Ｄでは、図４のパルスＷ４に示すように、スイッチングパルスがアナログ的に鈍らされてから、しきい値Ｖｔｈ＋と、しきい値Ｖｔｈ−と比較されて波形整形されるため、この回路１３Ｄでの信号の遅れが比較的大きい（Ｗ４、Ｗ５）。第２のＣＲ時定数回路１３Ｄの出力であるパルスＷ４は信号反転回路１３Ｂ、１３Ｃを通過して第２のＰＷＭパルスＰ２として第２のスイッチング素子５のゲート端子に入力する。第２のＰＷＭパルスＰ２は、第２のスイッチング素子５のゲート端子に入力して、このスイッチング素子５をオンオフ駆動する。

一方、スイッチングパルスＷ１は、信号反転回路を介さずに第１のドライブ回路１４にも入力し、この第１のドライブ回路１４において、第１のＣＲ時定数回路１４Ｄと波形整形を行う信号反転回路等により第１のＰＷＭパルスＰ１を形成する。第１のＰＷＭパルスＰ１は、第１のスイッチング素子４のゲート端子に入力して、このスイッチング素子４をオンオフ駆動する。

ドライブ回路１３、１４においては、以上の動作によりデッドタイムＴｄ１、Ｔｄ２が形成される。

また、制御部１１は、放電モードにおいて、定電流となるように、スイッチングパルスＷ１のデューテイ比（Ｔ１／Ｔ）を小さくする。スイッチングパルスＷ１のデューテイ比が小さくなると、信号反転回路１２で信号レベルが反転したパルスＷ２、Ｗ３が形成され、さらに、パルスＷ３は第２のＣＲ時定数回路１３Ｄによって波形が鈍った信号Ｗ４に変換される。信号Ｗ４は波形整形を行う信号反転回路１３Ｂで波形整形される。

ところが、鈍った信号Ｗ４は、通常のＩＣのしきい値により波形整形されるために、図４に示すように、スイッチングパルスＷ１のデューテイ比が小さくなるに従って、信号Ｗ４を波形整形したパルスＷ５のパルス幅（ＯＮ幅）が急激に小さく（狭く）なる。このため、パルスＷ５をさらに反転した第２のＰＷＭパルスＰ２は、スイッチングパルスＷ１のデューテイ比が小さくなるに従って、パルス幅が急激に大きく（広く）なる。このとき、第１のＰＷＭパルスＰ１が、スイッチングパルスＷ１のデューテイ比が小さくなるに従って、パルス幅（ＯＮ幅）が急激に小さく（狭く）なる。図４において、第１のＰＷＭパルスＰ１（α）は、パルス幅が急激に小さく（狭く）なった結果、十分なピーク値を確保できない状態にあることを示している。このような第１のＰＷＭパルスＰ１（α）は、正常なパルスとは言えず、第１のスイッチング素子４をオンすることができない。このため、放電電流は、ダイオード４０を通過していくこととなる。

一方、スイッチングパルスＷ１のデューティ比が小さくなって、鈍った信号Ｗ４がしきい値Ｖｔｈを超えると、信号反転回路１３Ｂ、１３Ｃを駆動することができなくなり、第２のＰＷＭパルスＰ２のＯＦＦ区間を形成できなくなる。すると、第２のスイッチング素子５がオンし続け、それにより、このスイッチング素子５を制御できなくなる周期が生じる可能性がある。

上記パルス幅（ＯＮ幅）が急激に狭くなることは、ΔＴｘ／ΔＴｙの変化が急激になることである。

ただし、ΔＴｘは、第２のＰＷＭパルスＰ２のデューティ比（Ｔ２／Ｔ）の変化を示し、ΔＴｙは、スイッチングパルスＷ１のデューテイ比（Ｔ１／Ｔ）の変化を示す。

また、ΔＴｘ／ΔＴｙの変化が急激になることを、出力電圧の変化とゲインの変化で示すと次のようになる。

図５は、出力電圧Ｖｏを縦軸に、スイッチングパルスＷ１のパルス幅Ｔ１を横軸にして、出力電圧Ｖｏの変化とゲインＧの変化を示したものである。

ゲインＧは、
（出力電圧変化ΔＶ）／（パルス幅変化ΔＴ）・・・・・（式１）
で表される。

出力電圧変化ΔＶは、
｛パルスＷ１のパルス幅Ｔ１（ｔ）のときの出力電圧Ｖｏ（ｔ）｝
−｛パルスＷ１のパルス幅Ｔ１（ｔ−１）のときの出力電圧Ｖｏ（ｔ−１）｝
であり、
パルス幅変化ΔＴは、
｛パルス幅Ｔ１（ｔ）−パルス幅Ｔ１（ｔ−１）｝
である。

図５に示すように、ゲインＧは、出力電圧Ｖｏが低くなる（Ｗ１のパルス幅が小さくなる）と、急激に大きくなっていくことがわかる。つまり、出力電圧Ｖｏが低いときは（ゲインＧが急激に変化しているときは）、制御部１１による制御系のゲインＧの変化が大きいために制御が不安定になることを示している。

以上のように、スイッチングパルスＷ１の周波数ｆを固定して、放電モードにおいてスイッチングパルスＷ１のデューティ比を制御すると、出力電圧Ｖｏが低くなったときに（Ｗ１のパルス幅（ＯＮ幅）が小さくなったとき）、制御が不安定になり、第２のＰＷＭパルスＰ２のＯＦＦ区間が形成されなくなる等の不都合が生じてくる。

そこで、本実施形態の電源装置では、放電モードにおいて、第２のＰＷＭパルスＰ２のＯＦＦ幅が短くなる（図３において、ＴＰ２が長くなる）に応じて、すなわち、出力電圧Ｖｏ（平滑出力電圧Ｖｃ）が低くなるに応じて、スイッチングパルスＷ１の周波数ｆを下げていく。スイッチングパルスＷ１の周波数ｆが下がると、制御部１１による制御系のゲインＧの変化が緩やかになり、制御の不安定性を解消できる。すなわち、（式１）において、周波数ｆを下げることにより、（出力電圧変化ΔＶ）を変えずに（パルス幅変化ΔＴ）を大きくすることができるためゲインＧを下げることができる。ゲインＧを下げることにより、その急激な変化を抑制できる。

図６は、放電モード時において、制御部１１によりスイッチングパルスＷ１の周波数ｆを下げていったときの第１のＰＷＭパルスＰ１、第２のＰＷＭパルスＰ２の変化を示している。図７は、比較のため、周波数ｆを固定にしたときの各パルスＰ１、Ｐ１の変化を示している。なお、図６、図７において、平滑出力電圧Ｖｃが１Ｖ付近は、二次電池１０（リチウムイオン電池）の電池電圧が急激に垂下する３Ｖ付近にあることと等価である。それらの電圧の電圧差２Ｖは、平滑フィルタ回路６から二次電池１０までの配線による電圧降下に相当している。

図７に示すように、周波数ｆを固定にした場合は、平滑出力電圧Ｖｃ＝0．９Ｖまで低下すると、第２のＰＷＭパルスＰ２のＯＦＦ区間が非常に細い幅となり、Ｐ２（β）のように第２のＰＷＭパルスＰ２をＯＦＦできなくなる。この場合は、ＯＦＦ区間が消えることによるパルス欠損となったり、「ヒゲ」のようなＯＦＦ区間となって正常に動作しないことが生じる。同時に、第１のＰＷＭパルスＰについても、Ｐ１（β）のようにパルス欠損を生じる。また、充電モード時においても、同様に、パルス欠損などを生じる可能性がある。

これに対して、図６に示すように、平滑出力電圧Ｖｃが低下するに従って周波数ｆを下げていくと、平滑出力電圧Ｖｃ＝0．９Ｖまで低下した場合でも、第２のＰＷＭパルスＰ２をＯＦＦすることができ、第２のＰＷＭパルスＰ２によって正しく第２のスイッチング素子５を制御することができる。第１のＰＷＭパルスＰ１についても、パルス欠損を生じることがなくなる。また、「ヒゲ」のような不安定なパルスになることもない。

図８は、スイッチング周波数ｆの制御特性を示している。

図に示すように、放電モードにおいてＶｃ＝２．５Ｖに降下するまでは周波数ｆ＝１６０ｋＨｚに設定され、それ以降は、Ｖｃ＝０．５Ｖに降下するまで周波数ｆが徐々に低くなっていく。

図９は、制御部１１の放電モード時の動作を示すフローチャートである。

制御部１１は、ステップＳＴ１において、スイッチングパルスＷ１のデューティ比を放電電流が定電流となるように制御し、ステップＳＴ２において、予め記憶されている図８の特性を表す関数を参照して、平滑出力電圧Ｖｃに応じた周波数ｆを設定する。ステップＳＴ２において、周波数ｆを変えても、定電流制御は行われる。制御部１１をＣＰＵで構成する場合は、図8の特性をテーブルで記憶しておいて、このテーブルを参照して平滑出力電圧Ｖｃに応じた周波数ｆを設定することも可能である。

以上のように、平滑出力電圧Ｖｃが低下するに従ってスイッチングパルスＷ１の周波数ｆを下げていくことにより、第２のＰＷＭパルスＰ２のＯＦＦ区間を生成することができるため、第２のＰＷＭパルスＰ２のパルス形成が不安定になるのを防止できる。なお、スイッチングパルスＷ１の周波数ｆを下げていくことにより、第１のＰＷＭパルスＰ１のパルス幅ＴＰ１も大きく（広く）なるから、このパルス形成も不安定になることはない。

なお、放電モードのときだけではなく、充電モードにおいても、同様な制御を行うことにより第1のＰＷＭパルスＰ１又は第2のＰＷＭパルスＰ２のパルス形成が不安定になるのを防止できる。すなわち、充電モードでは、二次電池１０への充電量が少ないときに第１のＰＷＭパルスＰ１のＯＦＦ幅が短くなるが、このとき、ＤＣ電源部２の電圧が何らかの原因で低下すると、そのＯＦＦ幅はさらに短くなり第１のＰＷＭパルスＰ１の形成が不安定になる。そこで、第１のＰＷＭパルスＰ１のＯＦＦ幅が短くなるに応じて、すなわち、平滑出力電圧Ｖｃが高いときほどスイッチングパルスＷ１の周波数ｆを下げる制御を行う。

また、以上の実施形態では、図8のように、平滑フィルタ回路６の平滑出力電圧Ｖｃの大きさに応じてスイッチングパルスの周波数ｆを連続的に変化させているが、平滑出力電圧Ｖｃが一定の電圧に低下したときに（放電モードのとき）、周波数ｆを変化させるようにしても良い。つまり、第1のＰＷＭパルスＰ１のパルス幅が急激に小さく（狭く）なる状態まで平滑出力電圧Ｖｃが低下したときに（放電モードのとき）、周波数ｆを下げるようにしても良い。

また、以上の実施形態では、定電流制御を行っているが、平滑出力電圧Ｖｃを一定にする定電圧制御を行うことも可能である。

また、この発明は、二次電池１０の検査装置に適用出来る他、電子負荷装置にも適用できる。電子負荷装置に適用する場合、電流の入出力が可能な電源部を出力端子９に接続し、この電源部から定電流を流入させたり、この電源部に対して定電流を流す電子負荷として機能する。

この発明の実施形態である電源装置のブロック図である。充電モードのときの第１のＰＷＭパルスＰ１と第２のＰＷＭパルスＰ２を示している。放電モードのときの第１のＰＷＭパルスＰ１と第２のＰＷＭパルスＰ２を示している。放電モードにおいて電池電圧が低下していくときの波形図を示す。出力電圧Ｖｏの変化とゲインＧの変化を示したものである。スイッチングパルスＷ１の周波数ｆを下げていったときの第１のＰＷＭパルスＰ１、第２のＰＷＭパルスＰ２の変化を示している。周波数ｆを固定にしたときの各パルスＰ１、Ｐ１の変化を示している。スイッチング周波数ｆの制御特性を示している。制御部１１の放電モード時の動作を示すフローチャートである。

符号の説明

２−ＤＣ電源部
４−第1のスイッチング素子
５−第2のスイッチング素子
６−平滑フィルタ回路
１０−二次電池
１１−制御部
１３−第2のドライブ回路
１４−第1のドライブ回路
１３Ｄ−第2のＣＲ時定数回路
１４Ｄ−第1のドライブ回路

Claims

ＤＣ電源部に並列的に接続される、第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子の直列回路と、
前記第２のスイッチング素子に並列的に接続され、インダクタと平滑コンデンサとの直列回路から構成される平滑フィルタ回路と、
前記平滑コンデンサの両端に接続される出力端子と、
スイッチングパルスを出力し、そのパルスのデューテイ比を制御する制御部と、
前記スイッチングパルスに基づいて、前記第１のスイッチング素子と前記第２のスイッチング素子を交互にオンオフするための第１のＰＷＭパルスと第２のＰＷＭパルスをそれぞれ形成し、さらに、それらのＰＷＭパルス間にデッドタイムを形成するドライブ回路と、を備え、
前記制御部は、前記第１のＰＷＭパルスと前記第２のＰＷＭパルスのいずれかのパルス幅に応じて前記スイッチングパルスの周波数を変える電源装置。
前記制御部は、前記第１のＰＷＭパルスと前記第２のＰＷＭパルスのいずれかのパルス幅が短くなるに応じて前記スイッチングパルスの周波数を低くする請求項１記載の電源装置。
前記制御部は、前記第１のＰＷＭパルスと前記第２のＰＷＭパルスのいずれかのパルス幅が一定のパルス幅以下になると前記スイッチングパルスの周波数を低くする請求項１記載の電源装置。
前記ドライブ回路は、前記スイッチングパルスを鈍らすＣＲ時定数回路を備え、このＣＲ時定数回路の出力を整形することにより前記デッドタイムを形成する、請求項１〜３のいずれかに記載の電源装置。
前記ドライブ回路は、前記第１のＰＷＭパルスを形成する第１のドライブ回路と、前記第２のＰＷＭパルスを形成する第２のドライブ回路とで構成し、
前記第１のドライブ回路は、前記スイッチングパルスを鈍らす第１のＣＲ時定数回路を含み、
前記第２のドライブ回路は、前記スイッチングパルスを鈍らす第２のＣＲ時定数回路を含み、
前記第１のＣＲ時定数回路と前記第２のＣＲ時定数回路のそれぞれの時定数が異なっている請求項４記載の電源装置。
出力電流を検出する出力電流検出部を備え、
前記制御部は、前記出力電流検出部で検出された出力電流が一定となるように前記スイッチングパルスのデューティ比を制御する、請求項１〜５のいずれかに記載の電源装置。
前記出力端子に二次電池が接続され、
前記制御部は、前記二次電池に対して充電電流を流す充電モードと、前記二次電池から放電電流を流す放電モードとを設定することが出来、
前記充電モードのときは、前記第１のＰＷＭパルスのパルス幅が前記第２のＰＷＭパルスのパルス幅よりも大きくなるように前記スイッチングパルスのデューティ比を制御し、前記放電モードのときは、前記第２のＰＷＭパルスのパルス幅が前記第１のＰＷＭパルスのパルス幅よりも大きくなるように前記スイッチングパルスのデューティ比を制御する、請求項６記載の電源装置。
前記制御部は、前記二次電池の電池電圧に応じて前記スイッチングパルスのデューティ比を制御する請求項７記載の電源装置。