JP2015122937A - 同期整流器の駆動装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】同期整流器の駆動装置、特に低圧バッテリを充電する充電装置で入力電圧に影響を受けずに出力電流値に一定に同期整流器を起動させることのできる同期整流器の駆動装置を提供すること。
【解決手段】実施の形態に係る同期整流器の駆動装置は、電源入力段に形成され、前記電源入力段を介して入力される電圧を検出する電圧検出部と、前記電圧検出部を介して検出された電圧を受信し、前記受信した電圧を調節して出力する調節部と、前記調節部を介して調節された電圧値を正端子（＋）で受信し、同期整流開始値を負端子（−）で受信し、前記受信した電圧値と前記同期電流開始値との比較による同期整流器の指令値を出力する比較部とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、同期整流器の駆動装置に関し、特に低圧バッテリを充電する充電装置で入力電圧に影響を受けずに出力電流値に一定に同期整流器を起動させることのできる同期整流器の駆動装置に関する。
環境対応自動車には、エンジン自動車の発電機の代わりをするために、低圧バッテリ充電器が搭載される。低圧バッテリ充電器は、高圧バッテリに貯蔵されたエネルギーを利用して、１２Ｖの低圧バッテリを充電する機能を果たす。
低圧バッテリ充電器は、運転時に入力電圧、入力電流、出力電圧及び出力電流のような条件がすべて変化する運転特性がある。
これにより、低圧バッテリ充電器は、低電圧、大出力電流の特性で高効率のために、一般に同期整流器の使用が普遍化されている。
図１は、従来の技術にかかる同期整流器の起動装置を説明するための図である。
図１に示すように、同期整流器の起動装置は、保護部１１及び比較部１２を備える。
前記同期整流器の起動装置は、軽負荷での効率上昇及び不連続電流による同期整流器の焼損を防止するために、出力電流量が少ない場合に動作を中止し、負荷電流が上昇する場合に動作するように設計される。
保護部１１は、同期整流器の保護のための構成であって、分配抵抗から構成される。
すなわち、保護部１１は、基準電圧に第１端が接続され、第２抵抗の第１端に第２端が接続した第１抵抗Ｒ１と、前記第１抵抗Ｒ１の第２端に第１端が接続され、第２端は接地される第２抵抗Ｒ２とを備える。
保護部１１は、前記分配抵抗を利用して、入力電圧及び前記基準電圧に応じる分配抵抗値を出力する。前記入力電圧は、前記保護部１１に入力される電圧を意味し、明確には、高圧バッテリを介して出力される電圧を意味する。
比較部１２は、前記保護部１１を介して出力される分配抵抗値を負（−）端子で受け取り、指令開始値を正（＋）端子で受け取り、前記負端子に入力された値と、前記正端子に入力された値の比較結果に応じる指令値を出力するようになる。
このとき、前記指令開始値は、予め設定された特定指令値、出力電流などが利用されることができ、これと異なって低圧バッテリ充電器の１次側制御方法の場合には、入力電流を利用できる。
一方、前記のような低圧バッテリの充電電圧及び電流を１次側で制御するように設計した低圧バッテリ充電器において、実際製品の具現時に効率、波形、時比率損失などによって精密制御が要求される状況が発生する場合にその補正が必要となる。
特に、低圧バッテリ充電器の入力値である高圧バッテリの電圧が変化する場合、出力電流に対する入力電流が同一出力電力において互いに異なる値を有するようになって、同期整流器の開始値が変わるという問題がある。
一定の出力電圧及び出力電流に基づいて、入力電力が一定の状態で入力電圧が高くなると、入力電流は相対的に低く見えるから、１次電流は、低い値で運転するようになる。
すなわち、１次制御方式の場合、前記指令開始値は、１次電流に基づいて設定されるから、前記Ｒ１とＲ２の値が一定の場合に前記指令値は、低入力電圧より高入力電圧で出力電流が相対的に高いポイントで運転するようになり、軽負荷効率が減少するようになる。
このとき、前記指令開始値を変更することによって、これに対する補正が可能ではあるが、前記のような状況が発生するごとに前記指令開始値を計算しなければならないから、これに応じる時間遅延が発生するようになり、高圧バッテリ電圧変換以後に指令値が遅く反応するようになって、前記指令開始値を速く補正できないという問題が発生する。
本発明に係る実施の形態では、能動スイッチと比較器とを利用して低圧バッテリ充電器の入力電圧、言い換えれば高圧バッテリの出力電圧が変更されても、速く同期整流器の開始値を出力電流に一定に変換してくれて、入力電圧に関わらず一定の出力電流で同期整流器を起動させることのできる同期整流器の駆動装置を提供する。
提案される実施の形態において達成しようとする技術的課題らは、以上で言及した技術的課題に制限されず、言及されないさらに他の技術的課題は、下記の記載から提案される実施の形態が属する技術分野における通常の知識を有した者にとって明確に理解されうるはずである。
実施の形態による同期整流器の駆動装置は、電源入力段に形成され、前記電源入力段を介して入力される電源の電圧値を検出する電圧検出部と、前記電圧検出部を介して検出された電圧値を受信し、前記受信した電圧値を調節して出力する調節部と、前記調節部を介して調節された電圧値を正端子（＋）で受信し、同期整流開始値を負端子（−）で受信し、前記受信した電圧値と前記同期電流開始値との比較による同期整流器の指令値を出力する比較部とを備える。
また、前記調節部は、前記電圧検出部を介して検出された電圧値の大きさに反比例するよう、前記正端子（＋）に入力される電圧値の大きさを調節する。
また、前記調節部と比較部との間に配置され、前記調節部の動作のための動作初期値を決定する保護部をさらに備える。
また、前記保護部は、基準電圧段に接続され、前記調節部が正常でない状態で動作する場合に、基準電圧値を前記正端子（＋）に出力する。
また、前記同期整流開始値は、前記電源入力段を介して入力された電源に対する入力電流値に基づいて設定される。
また、前記電圧検出部は、互いに直列に接続した第１抵抗及び第２抵抗を備える。
また、前記調節部は、前記第１抵抗及び第２抵抗の間にゲート電極が接続され、第３抵抗の第１端にドレイン電極が接続され、第４抵抗の第１端にソース電極が接続されるスイッチング素子と、前記スイッチング素子のドレイン電極に第１端が接続され、基準電圧に第２端が接続される第３抵抗と、前記スイッチング素子のソース電極に第１端が接続され、第２端が接地される第４抵抗とを備える。
また、前記調節部は、前記検出された電圧値に比例して、前記スイッチング素子のドレイン電流が上昇し、前記上昇するドレイン電流に反比例するよう前記基準電圧と第３抵抗の両端電圧が減少して、前記正端子（＋）に入力される電圧値を前記検出された電圧値に応じて増加または減少させる。
本発明に係る実施の形態によれば、高圧バッテリの出力電圧が変更されても、出力電流に応じて速く同期整流器の開始値を一定に変換して、入力電圧に関係なく一定の出力電流で同期整流器を起動させることができる。
また、本発明に係る実施の形態によれば、起動回路に異常が発生した場合にも基準値を利用して同期整流器を駆動させることによって、同期整流器運転停止による回路焼損を防止できる。
従来の技術に係る同期整流器の起動装置を説明するための図である。 本発明の実施の形態に係る充電装置の概略ブロック図である。 図２に示す充電装置の詳細構成回路図である。 図２に示す整流駆動部１８０の詳細構成回路図である。
本発明の利点及び特徴、そしてそれらを達成する方法は、添付図面と共に詳細に後述されている実施の形態を参照すれば明確になるはずである。しかしながら、本発明は、以下に開示される実施の形態に限定されるものではなく、互いに異なる多様な形態に具現化されることができ、但し本実施の形態は、本発明の開示が完全になるようにし、本発明が属する技術分野における通常の知識を有した者に発明の範ちゅうを完全に知らせるために提供されるものであり、本発明は、請求項の範ちゅうにより定義されるだけである。明細書全般にわたって同じ参照番号で表示された部分は、同じ構成要素を示す。
本発明の実施の形態を説明するに当たって、公知の機能又は構成についての具体的な説明が本発明の要旨を不明確にする恐れがあると判断される場合には、その詳細な説明を省略する。そして、後述する用語は、本発明での機能を考慮して定義された用語であり、これは、ユーザー、操作者の意図又は慣例などによって変わりうる。したがって、その定義は、本明細書全般にわたる内容に基づいて行わなければならない。
図２は、本発明の実施の形態に係る充電装置の概略ブロック図である。
図２に示すように、充電装置は、高圧バッテリ１１０、入力フィルタ１２０、入力スイッチ部１３０、変圧器１４０、整流部１５０、出力フィルタ１６０、低圧バッテリ１７０及び整流駆動部１８０を備える。
高圧バッテリ１１０は、好ましくは、燃料電池として、水素（Ｈ2）と空気の中で酸素（Ｏ2）との化学反応により電気エネルギーを生成させてスタックに蓄積する方式により、内部に貯蔵された直流電源を発生させることができる。
高圧バッテリ１１０は、高圧バッテリ充電器を介して供給される直流電源により充電することができる。
入力フィルタ１２０は、前記高圧バッテリ１１０を介して出力される直流電源の過電流を遮断する。
入力スイッチ部１３０は、複数のスイッチング素子からなり、前記入力フィルタ１２０を介して出力される直流電源を交流電源に変換する。
変圧器１４０は、前記入力スイッチ部１３０を介して変換された交流電源に対する変圧機能を行う。
整流部１５０は、前記変圧器１４０を介して出力される交流電源を整流して直流電源に変換する。
整流部１５０は、ブリッジ整流器を備えることができる。このとき、前記ブリッジ整流器をなす複数のダイオードは、所定の駆動電圧以上においてのみターンオンになって、入力電源を出力する。
整流部１５０は、複数の能動スイッチング素子を備えて構成される。
出力フィルタ１６０は、前記整流部１５０を介して出力される直流電源をフィルタリングし、これを低圧バッテリ１７０に伝達して、前記低圧バッテリ１７０を充電させる。
整流駆動部１８０は、前記整流部１５０の出力電流を一定に変換するために、前記整流部１５０を構成する能動スイッチング素子を制御する。
以下、添付された図面を参照して前記充電装置についてさらに具体的に説明する。
図３は、図２に示す充電装置の詳細構成回路図で、図４は、図２に示す整流駆動部１８０の詳細構成回路図である。
図３に示すように、入力フィルタ１２０は、第１インダクターＬ１と第１キャパシタＣ１とを備える。
第１インダクターＬ１は、高圧バッテリ１１０のポジティブ端に接続する第１端と、第１キャパシタＣ１の第１端に接続する第２端とを備える。
第１キャパシタＣ１は、前記第１インダクターＬ１の第２端に接続する第１端と、第２スイッチング素子Ｑ２のソース電極に接続する第２端とを備える。
入力スイッチ部１３０は、第１スイッチング素子Ｑ１、第２スイッチング素子Ｑ２、第３スイッチング素子Ｑ３及び第４スイッチング素子Ｑ４を備える。
第１スイッチング素子Ｑ１は、第１インダクターＬ１の第２端と第１キャパシタＣ１の第１端とに接続するドレイン電極と、第２スイッチング素子Ｑ２のドレイン電極に接続するソース電極とを備える。
第２スイッチング素子Ｑ２は、第１スイッチング素子Ｑ１のソース電極に接続したドレイン電極、第１キャパシタＣ１の第２端及び第４スイッチング素子Ｑ４のソース電極に接続するソース電極を備える。
第３スイッチング素子Ｑ３は、前記第１スイッチング素子Ｑ１のドレイン電極に接続するドレイン電極、第４スイッチング素子Ｑ４のドレイン電極に接続するソース電極を備える。
第４スイッチング素子Ｑ４は、第３スイッチング素子Ｑ３のソース電極に接続したドレイン電極、及び前記第２スイッチング素子Ｑ２のソース電極に接続したソース電極を備える。
前記第１ないし４スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のゲート電極は、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）（図示せず）に接続され、前記ＤＳＰから供給されるゲート信号を受信するようになる。
一方、第１ないし４スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のそれぞれは、一端がドレイン電極に接続し他端がソース電極に接続するボディーダイオードと、ボディーキャパシタとを備える。
変圧器１２２は、第２インダクターＬ２と、第３インダクターＬ３と、第４インダクターＬ４とを備える。
第２インダクターＬ２は、前記第３スイッチング素子Ｑ３のソース電極と、第４スイッチング素子Ｑ４のドレイン電極との間に接続する第１端、及び第１スイッチング素子Ｑ１のソース電極と第２スイッチング素子Ｑ２のドレイン電極との間に接続する第２端を備える。
第３インダクターＬ３は、第５スイッチング素子Ｑ５のドレイン電極に接続する第１端と、第４インダクターＬ４の第１端に接続する第２端とを備える。
第４インダクターＬ４は、第３インダクターＬ３の第２端に接続する第１端と、第６スイッチング素子Ｑ６のドレイン電極に接続する第２端とを備える。
整流部１５０は、第５スイッチング素子Ｑ５と第６スイッチング素子Ｑ６とを備える。
第５スイッチング素子Ｑ５は、第３インダクターＬ３の第１端に接続するドレイン電極と、第５インダクターＬ５の第１端に接続するソース電極とを備える。
第６スイッチング素子Ｑ６は、第４インダクターＬ４の第２端に接続するドレイン電極と、第５インダクターＬ５の第１端に接続するソース電極とを備える。
出力フィルタ１５３は、第５インダクターＬ５と第２キャパシタＣ２とを備える。
第５インダクターＬ７は、前記第５スイッチング素子Ｑ５のソース電極及び第６スイッチング素子Ｑ６のソース電極に接続する第１端と、第２キャパシタＣ２の第１端及び低圧バッテリ１７０のポジティブ端に接続する第２端とを備える。
第２キャパシタＣ２は、第５インダクターＬ５の第２端及び低圧バッテリ１７０のポジティブ端に接続する第１端、及び前記第３インダクターＬ３の第２端と第４インダクターＬ４の第１端との間に接続する第２端を備える。
上記のように構成される充電装置は、低圧バッテリ充電器の一般的な構成回路であるから、これについての詳細な説明は省略する。
整流駆動部１８０は、入力部１８１、調節部１８２、保護部１８３及び比較部１８４を備える。
入力部１８１は、高圧バッテリ１１０の出力電圧値を検出し、これを出力する。入力部１８１は、複数の抵抗から構成される分配抵抗でありうる。
入力部１８１を介して検出された出力電圧値は、調節部１８２に伝達される。
調節部１８２は、前記入力部１８１を介して検出された前記高圧バッテリ１１０の出力電圧値を調節して出力する。
調節部１８２は、能動スイッチング素子を備えるが、前記入力部１８１の出力電圧は、前記能動スイッチング素子のゲートに印加され、それに応じて前記能動スイッチング素子のソース電流とドレイン電流とは、前記ゲート電極に入力される電圧に応じて変化するようになる。例えば、前記能動スイッチング素子のゲート電極に入力される電圧が高くなると、前記能動スイッチング素子のドレイン電流が高くなり、これにより前記保護部１８３には、前記入力された電圧に反比例して低くなった電圧が入力される。
保護部１８３は、入力電圧が小さくなる場合に対して、前記調節部１８２を構成する能動スイッチング素子の動作初期値を決定する役割を果たし、これにより前記調節部１８２の故障時にも整流部駆動のための指令値が正常に出力されるようにする。
比較部１８４は、正（＋）端子を介して前記保護部１８２から出力される電圧値を受け取り、負（−）端子に整流開始値を受け取り、前記受け取った電圧値及び整流開始値を比較して、それに応じて同期整流器の指令値を出力する。
これについてさらに具体的に説明する。
入力部１８１は、第１抵抗Ｒ１、第２抵抗Ｒ２及び第１キャパシタＣ１を備える。
第１抵抗Ｒ１は、入力電圧に接続する第１端と、第２抵抗Ｒ２の第１端に接続する第２端とを備える。
第２抵抗Ｒ２は、前記第１抵抗Ｒ１の第２端に接続する第１端と、接地される第２端とを備える。
第１キャパシタＣ１は、前記第１抵抗Ｒ１の第２端及び第２抵抗Ｒ２の第１端に接続する第１端と、接地される第２端とを備える。
調節部１８２は、能動スイッチング素子Ｍ１、第４抵抗Ｒ４を備え、保護部１８３は、第３抵抗Ｒ３及び第５抵抗Ｒ５を備える。
第３抵抗Ｒ３は、基準電圧に接続する第１端と、能動スイッチング素子Ｍ１のドレイン電極に接続する第２端とを備える。
能動スイッチング素子Ｍ１は、前記第１抵抗Ｒ１の第２端、第２抵抗Ｒ２の第１端及び第１キャパシタＣ１の第１端に接続するゲート電極と、第４抵抗Ｒ４の第１端に接続するソース電極とを備える。
第４抵抗Ｒ４は、能動スイッチング素子Ｍ１のソース電極に接続する第１端と、接地される第２端とを備える。
第５抵抗Ｒ５は、第３抵抗Ｒ３の第２端と能動スイッチング素子Ｍ１のドレイン電極に接続する第１端と、接地される第２端とを備える。
比較部１８４は、第５抵抗Ｒ５の第１端に接続する正端子と、同期整流器の開始値発生装置に接続する負端子とを備える。
このように構成された整流駆動部１８０の動作を説明すれば、以下のとおりである。
まず、第１抵抗Ｒ１、第１抵抗Ｒ２及び第１キャパシタＣ１を介して高圧バッテリの出力電圧が能動スイッチング素子Ｍ１のゲート電極に印加される。
前記能動スイッチング素子Ｍ１のゲート電極に印加される電圧は、第４抵抗Ｒ４の両端電圧を決定するようになり、これにより前記能動スイッチング素子Ｍ１をアクティブ領域で運転してソース電流を調節するようになる。このとき、前記能動スイッチング素子Ｍ１のソース電流を制御することによってドレイン電流が制御され、これによりドレイン電圧が調節される。この入力電圧について述べると、以下のように動作する。
まず、高圧バッテリの出力電圧、言い換えれば整流駆動部１８０への入力電圧が高くなると、これに応じて能動スイッチング素子Ｍ１のドレイン電流が高くなり、これに応じて能動スイッチング素子Ｍ１のドレイン電圧を決定する基準電圧と、第３抵抗Ｒ３の両端電圧との差が低くなるようになる。
これにより、能動スイッチング素子Ｍ１のドレイン電圧、言い換えれば第５抵抗Ｒ５の両端電圧が低くなる。
前記能動スイッチング素子Ｍ１のドレイン電圧が低くなると、比較部１８４の正端子に印加される電圧値が小さくなる。
すなわち、前記能動スイッチング素子Ｍ１は、入力電圧に応じて前記比較部１８４の正端子に印加される電圧値を調節して、前記入力電圧の変動に応じて整流器の指令値が変更されるようにする。
一方、比較部１８４の負端子に入力される同期整流器開始値は、入力スイッチ部１３０の電流（入力電流）を利用でき、これにより同じ出力容量に対して入力電圧が高くなると、入力電流は低くなるので、正端子に入力される電圧を小さくして、同期整流器の指令値を小さな入力電流で生成するようにする。
これに対し、入力電圧が低くなると、第４抵抗Ｒ４の両端電圧が低くなって、能動スイッチング素子Ｍ１のソース電流及びドレイン電流が低く制限され、これによって能動スイッチング素子Ｍ１のドレイン電圧が上昇し、前記比較部１８４の正端子に上昇した電圧値が入力される。
第５抵抗Ｒ５は、入力電圧が最も小さな場合に対して能動スイッチング素子Ｍ１の動作初期値を決定する役割を果たし、能動スイッチング素子Ｍ１の事故時にも同期整流器の動作を保障する保護役割を同時に行う。
一方、上記では第３抵抗Ｒ３が保護部１８３に備えられるとしたが、前記第３抵抗Ｒ３は、実質的に前記調節部１８２に備えられることが好ましい。
本発明に係る実施の形態によれば、高圧バッテリの出力電圧が変更されても、出力電流に応じて速く同期整流器の開始値を一定に変換して、入力電圧に関係なく一定の出力電流で同期整流器を起動させることができる。
また、本発明に係る実施の形態によれば、起動回路に異常が発生した場合にも、基準値を利用して同期整流器を駆動させることによって、同期整流器の運転停止による回路焼損を防止できる。
また、以上では、本発明の好ましい実施の形態について図示し説明したが、本発明は、上述した特定の実施の形態に限定されるものではなく、請求の範囲で請求する本発明の要旨から逸脱せずに当該発明が属する技術分野における通常の知識を有した者によって多様な変形実施が可能なことはもちろんで、このような変形実施は、本発明の技術的思想や展望から個別的に理解されてはならない。
１１０ 高圧バッテリ
１２０ 入力フィルタ
１３０ 入力スイッチ部
１４０ 変圧器
１５０ 整流部
１６０ 出力フィルタ
１７０ 低圧バッテリ
１８０ 整流駆動部
１８１ 入力部
１８２ 調節部
１８３ 保護部
１８４ 比較部

Claims (8)

  1. 電源入力段に形成され、前記電源入力段を介して入力される電源の電圧値を検出する電圧検出部と、
    前記電圧検出部を介して検出された電圧値を受信し、前記受信した電圧値を調節して出力する調節部と、
    前記調節部を介して調節された電圧値を正端子（＋）で受信し、同期整流開始値を負端子（−）で受信し、前記受信した電圧値と前記同期電流開始値との比較による同期整流器の指令値を出力する比較部と
    を備える同期整流器の駆動装置。
  2. 前記調節部は、
    前記電圧検出部を介して検出された電圧値の大きさに反比例するよう、前記正端子（＋）に入力される電圧値の大きさを調節する、請求項１に記載の同期整流器の駆動装置。
  3. 前記調節部と比較部との間に配置され、前記調節部の動作のための動作初期値を決定する保護部をさらに備える、請求項１または２に記載の同期整流器の駆動装置。
  4. 前記保護部は、基準電圧段に接続され、
    前記調節部が正常でない状態で動作する場合に、基準電圧値を前記正端子（＋）に出力する、請求項３に記載の同期整流器の駆動装置。
  5. 前記同期整流開始値は、
    前記電源入力段を介して入力された電源に対する入力電流値に基づいて設定される、請求項１ないし４の何れか一項に記載の同期整流器の駆動装置。
  6. 前記電圧検出部は、
    互いに直列に接続した第１抵抗及び第２抵抗を備える、請求項１ないし５の何れか一項に記載の同期整流器の駆動装置。
  7. 前記調節部は、
    前記第１抵抗及び第２抵抗の間にゲート電極が接続され、第３抵抗の第１端にドレイン電極が接続され、第４抵抗の第１端にソース電極が接続されるスイッチング素子と、
    前記スイッチング素子のドレイン電極に第１端が接続され、基準電圧に第２端が接続される第３抵抗と、
    前記スイッチング素子のソース電極に第１端が接続され、第２端が接地される第４抵抗と
    を備える、請求項６に記載の同期整流器の駆動装置。
  8. 前記調節部は、
    前記検出された電圧値に比例して、前記スイッチング素子のドレイン電流が上昇し、
    前記上昇するドレイン電流に反比例するよう前記基準電圧と第３抵抗の両端電圧が減少して、前記正端子（＋）に入力される電圧値を前記検出された電圧値に応じて増加または減少させる、請求項７に記載の同期整流器の駆動装置。
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