JP2016059084A - プリチャージ回路 - Google Patents

Abstract

【課題】コンデンサと直列に抵抗を挿入する事なく、突入電流を抑制する。【解決手段】入力電源１と、入力電源１によって充電されるコンデンサ２と、入力電源１とコンデンサ２の間に挿入されたスイッチ３と、入力電源４と、入力電源４とコンデンサ２の間に挿入された充電手段５で構成されたプリチャージ回路において、充電手段５によってコンデンサ２を入力電源１のピーク電圧以上に充電してからスイッチ３をオンさせることで、コンデンサ２の突入電流を抑制する。【選択図】図１

Description

本発明は、コンデンサを予め充電する回路に関するものである。

図９は、従来のプリチャージ回路を備えた電源装置を示す回路図の一例であり、特許文献１において従来技術として開示されている。このプリチャージ回路を備えた電源装置は、交流電源６と、交流電源６によって充電されるコンデンサ２と、交流電源６とコンデンサ２の間に挿入されたスイッチ３と整流手段１１と、スイッチ３に並列に接続された抵抗４６と、入力端子がコンデンサ２に接続されたコンバータ４７と、コンバータ４７の出力端子に接続された負荷装置４８と、を備えている。整流手段１１はダイオード７、８、９、１０をブリッジ接続することで構成されており、交流端子が交流電源６とスイッチ３の直列回路に、直流端子がコンデンサ２に接続されている。

もし抵抗４６が存在しないと、スイッチ３がオンしたときにコンデンサ２の充電電流を抑制するものは配線インダクタンスや配線抵抗などの寄生要素しかないために、大きな突入電流が流れる。この突入電流によって電源電圧が低下し、交流電源６に接続されている他の装置が誤動作するなどの問題が発生する。

この問題を避けるため、電源装置には一般的にプリチャージ回路が設けられる。ただし単に突入電流を制限する抵抗を挿入しただけでは、電源装置が負荷に電力を供給した時にこの抵抗に大きな損失が発生する。そこでこの問題を避けるため、突入電流制限抵抗を短絡する素子が接続される場合が多い。

図９に示すプリチャージ回路を備えた電源装置の動作は以下のとおりである。すなわち交流電源６が接続されてコンデンサ２への充電が始まり、図示しない制御手段によってプリチャージが充分に行われたと判断されると、それまでオフであったスイッチ３がオンされてコンバータ４７が動作を開始し、負荷装置４８に電力を供給する。これにより突入電流を抑制しつつ、抵抗４６に定常的に大きな損失が発生する事を避ける事ができる。

なおプリチャージ回路の説明をするに当たり、コンバータ４７と負荷装置４８の動作は直接関わってこない事から、煩雑さを避けるために以下の説明では記載を省略する。

図１０は、従来のプリチャージ回路を備えた電源装置を示す回路図の他の例である。
このプリチャージ回路を備えた電源装置は、交流電源６と、交流電源６によって充電されるコンデンサ２と、交流電源６とコンデンサ２の間に挿入されたスイッチ３およびコンバータ３２と、スイッチ３に並列に接続された抵抗４６と、を備えている。

コンバータ３２はチョーク１９、ダイオード２０、２１、２２、２３、コンデンサ２４、２５、ＭＯＳＦＥＴ２６、２７、２８、２９で構成されている。ダイオード２０、２１、ＭＯＳＦＥＴ２６、２７がこの順番で直列回路として接続されている。この直列回路のダイオード２０のカソードとＭＯＳＦＥＴ２７のソースがコンデンサ２に接続されている。ダイオード２２、２３、ＭＯＳＦＥＴ２８、２９がこの順番で直列回路として接続されている。この直列回路のダイオード２２のカソードとＭＯＳＦＥＴ２９のソースがコンデンサ２に接続されている。コンデンサ２４がダイオード２１のカソードとＭＯＳＦＥＴ２６のソースに接続されている。コンデンサ２５がダイオード２３のカソードとＭＯＳＦＥＴ２８のソースに接続されている。チョーク１９の一端がダイオード２１のアノードとＭＯＳＦＥＴ２６のドレインとの接続点に接続されている。チョーク１９の他端がスイッチ３およびこれに並列に接続された抵抗４６に接続されている。ダイオード２３のアノードとＭＯＳＦＥＴ２８のドレインとの接続点が交流電源６の他端に接続されている。

コンバータ３２はフライングキャパシタ型３レベル昇圧チョッパ回路をＰＦＣに適用した回路であり、コンデンサ２４、２５はフライングキャパシタと呼ばれる。フライングキャパシタの電圧がコンデンサ２の電圧の１／２になる様にＭＯＳＦＥＴ２６、２７、２８、２９を制御する事により、ダイオード２０、２１、２２、２３、ＭＯＳＦＥＴ２６、２７、２８、２９にかかる電圧がコンデンサ２の電圧の１／２になるため、低耐圧の素子を使用できる特徴がある。
レベル数はダイオードとＭＯＳＦＥＴの直列接続数を変える事で変更でき、一般にマルチレベルコンバータと呼ばれる。フライングキャパシタ型３レベル昇圧チョッパ回路は非特許文献２で開示されている。

図１１は、コンバータ４７を示す回路図の一例である。
コンバータ４７はコンデンサ３３、３４、４５、ダイオード３５、３６、４２、４３、ＭＯＳＦＥＴ３７、３８、３９、４０、トランス４１、チョーク４４で構成されている。コンデンサ３３、３４の直列回路がコンデンサ２に接続されている。ＭＯＳＦＥＴ３７、３８、３９、４０がこの順番で接続される直列回路がコンデンサ２に接続されている。ダイオード３５のアノードはコンデンサ３３、３４の接続点に接続され、カソードはＭＯＳＦＥＴ３７、３８の接続点に接続されている。ダイオード３６のカソードはコンデンサ３３、３４の接続点に接続され、アノードはＭＯＳＦＥＴ３９、４０の接続点に接続されている。トランス４１の一次巻線がコンデンサ３３、３４の接続点とＭＯＳＦＥＴ３８、３９の接続点の間に接続されている。トランス４１の二次巻線の一端とダイオード４２のアノードとが接続され、トランス４１の三次巻線の他端とダイオード４３のアノードとが接続され、さらに、トランス４１の二次巻線の他端とトランス４１の三次巻線の一端とが接続されて、直列回路を構成している。チョーク４４とコンデンサ４５の直列回路がトランス４１の二次巻線とダイオード４２の直列回路に接続され、コンデンサ４５に負荷装置４８が接続されている。

コンバータ４７はダイオードクランプ型３レベルハーフブリッジコンバータである。コンデンサ３３、３４の電圧がコンデンサ２の電圧の１／２になる様にＭＯＳＦＥＴ３７、３８、３９、４０を制御する事により、ＭＯＳＦＥＴ３７、３８、３９、４０にかかる電圧がコンデンサ２の電圧の１／２になるため、低耐圧の素子を使用できる特徴がある。
レベル数はＭＯＳＦＥＴの直列接続数を変える事で変更でき、一般にマルチレベルコンバータと呼ばれる。コンバータ４７は非特許文献３で開示されている。

特開平５−３０６５０号公報 平成２４年電気学会産業応用部門大会Ｎｏ．Ｙ−１３ フライングキャパシタ方式を用いたチョッパの最適設計と実機評価に関する考察 Nils Backman and Roberto Rojas "Modern Circuit Topology Enables Compact Power Factor Corrected Three-Phase Rectifier Module" Telecommunications Energy Conference, 2002. INTELEC. 24th Annual International pp.107-114

しかしながら図９に示すプリチャージ回路を備えた電源装置は、抵抗４６の装置に占める割合が大きいため、プリチャージ回路を備えた電源装置を小型化できない問題があった。

抵抗４６は装置寿命で想定される使用回数の突入電流に耐えて性能を維持しなければならない。このため部品に加わるストレスを許容範囲内に下げる必要があり、部品の個数を増やしてストレスを分散させる、あるいは大型の部品を使って許容ストレスを上げるなどの手段をとる必要がある。このため、どうしてもサイズが大きくなる傾向にある。

またスイッチ３に使われる素子としてはリレーなどの機械式接点やトライアックなどの半導体素子がある。機械式接点は導通損失が小さいメリットがあるが、接点を開閉させる寿命回数が限られている。半導体素子は機械式接点に比べて寿命は長いが、半導体素子は機械式接点よりも導通損失が大きいため、この半導体素子を冷却するヒートシンクなどの冷却手段が大型化して、プリチャージ回路を備えた電源装置を小型化できない問題があった。

また図１０に示すように、従来のプリチャージ回路をフライングキャパシタ型マルチレベルコンバータと組み合わせると、低耐圧の素子を使用できない問題があった。これはコンデンサ２がプリチャージ回路によって充電されるにもかかわらず、フライングキャパシタが充電されない事が原因である。

コンデンサ２４が全く充電されず、電圧がゼロボルトの状態でＭＯＳＦＥＴ２７がオンするとダイオード２０にコンデンサ２の電圧がかかる。したがってダイオード２０がコンデンサ２の１／２の電圧を想定した低耐圧の素子であった場合、ダイオード２０が壊れるおそれがある。

同様にコンデンサ２５が全く充電されず、電圧がゼロボルトの状態でＭＯＳＦＥＴ２９がオンするとダイオード２２にコンデンサ２の電圧がかかる。したがってダイオード２２がコンデンサ２の１／２の電圧を想定した低耐圧の素子であった場合、ダイオード２２が壊れるおそれがある。

またコンデンサ２４が全く充電されず、電圧がゼロボルトの状態でダイオード２０が導通するとＭＯＳＦＥＴ２７にコンデンサ２の電圧がかかる。したがってＭＯＳＦＥＴ２７がコンデンサ２の１／２の電圧を想定した低耐圧の素子であった場合、ＭＯＳＦＥＴ２７が壊れるおそれがある。

同様にコンデンサ２５が全く充電されず、電圧がゼロボルトの状態でダイオード２２が導通するとＭＯＳＦＥＴ２９にコンデンサ２の電圧がかかる。したがってＭＯＳＦＥＴ２９がコンデンサ２の１／２の電圧を想定した低耐圧の素子であった場合、ＭＯＳＦＥＴ２９が壊れるおそれがある。

このため、従来のプリチャージ回路をフライングキャパシタ型マルチレベルコンバータと組み合わせると、低耐圧の素子を使用することによって損失を低減することができるマルチレベルコンバータの特徴を生かせない問題があった。

また図１１に示す様にコンデンサ２の後段に接続するコンバータ４７としてダイオードクランプ型マルチレベルコンバータを使用すると、素子耐圧を本来の耐圧まで下げられない問題があった。

図９、図１０に示す従来のプリチャージ回路で図１１のコンデンサ３３、３４が充電されると、二つのコンデンサが同じ電流で充電されるために、静電容量のバラつきで充電電圧に差が生じる。したがって本来はコンデンサ２の半分の電圧で良いはずであるのに、バラつきの最悪値を見込んでそれよりも高い電圧がかかる事を想定しなければならず、本来よりも高耐圧の素子を使わなければならない。
充電によるコンデンサの電圧変動分をΔｖ、充電電流をｉ、静電容量をＣ、充電時間をΔｔとすると

の関係がある。コンデンサ３３、３４は同じ電流で充電されるためｉ、Δｔは共通である。したがってＣのバラつきでΔｖのバラつきが決まる。例えばＣのバラつきを±２０％見込むと、

となる。したがってコンデンサ２の電圧が４００Ｖであるとすると、本来は２００Ｖを想定すれば良いはずが２４０Ｖまでかかることを想定しなければならず、本来よりも高耐圧の素子を使わなければならない問題があった。

本発明の内の第１の発明のプリチャージ回路を備えた電源装置は、第一の入力電源１と、第一の入力電源１によって充電されるコンデンサ２と、第一の入力電源１とコンデンサ２の間に挿入されたスイッチ３と、第二の入力電源４と、第二の入力電源４とコンデンサ２の間に挿入された充電手段５と、を備えている。

本発明の内の第２の発明のプリチャージ回路を備えた電源装置は、第一の入力電源である交流電源６と、交流電源６によって充電されるコンデンサ２と、交流電源６とコンデンサ２の間に挿入されたスイッチ３および整流手段１１と、第二の入力電源４と、第二の入力電源４とコンデンサ２の間に挿入された充電手段５と、を備えている。整流手段１１はダイオード７、８、９、１０をブリッジ接続することで構成されており、交流端子が交流電源６とスイッチ３の直列回路に、直流端子がコンデンサ２に接続されている。

本発明の内の第３の発明のプリチャージ回路を備えた電源装置は、交流電源６と、交流電源６によって充電されるコンデンサ２と、交流電源６とコンデンサ２の間に挿入されたスイッチ３および整流手段１１と、第二の入力電源であるバッテリー１２と、バッテリー１２とコンデンサ２の間に挿入された充電手段５と、を備えている。整流手段１１はダイオード７、８、９、１０をブリッジ接続することで構成されており、交流端子が交流電源６とスイッチ３の直列回路に、直流端子がコンデンサ２に接続されている。

本発明の内の第４の発明のプリチャージ回路を備えた電源装置は、交流電源６と、交流電源６によって充電されるコンデンサ２と、交流電源６とコンデンサ２の間に挿入されたスイッチ３および整流手段１１と、バッテリー１２と、バッテリー１２とコンデンサ２の間に挿入された充電手段５と、を備えている。整流手段１１はダイオード７、８、９、１０をブリッジ接続することで構成されており、交流端子が交流電源６とスイッチ３の直列回路に、直流端子がコンデンサ２に接続されている。充電手段５はトランス１３、ＭＯＳＦＥＴ１４、ダイオード１５で構成されており、トランス１３の一次巻線とＭＯＳＦＥＴ１４の直列回路がバッテリー１２に接続され、トランス１３の二次巻線とダイオード１５の直列回路がコンデンサ２に接続されている。

本発明の内の第５の発明のプリチャージ回路を備えた電源装置は、交流電源６と、交流電源６によって充電されるコンデンサ２と、交流電源６とコンデンサ２の間に挿入されたスイッチ３および整流手段１１と、バッテリー１２と、バッテリー１２とコンデンサ２の間に挿入された充電手段５と、を備えている。整流手段１１はダイオード７、８、９、１０をブリッジ接続することで構成されており、交流端子が交流電源６とスイッチ３の直列回路に、直流端子がコンデンサ２に接続されている。充電手段５はトランス１３、ＭＯＳＦＥＴ１４、ダイオード１５で構成されており、トランス１３の一次巻線とＭＯＳＦＥＴ１４の直列回路がバッテリー１２に接続され、トランス１３の二次巻線とダイオード１５の直列回路がコンデンサ２に接続されている。スイッチ３は電力供給装置１６に内蔵され、交流電源６、スイッチ３、バッテリー１２以外の構成要素は充電器１８に内蔵され、バッテリー１２と充電器１８は自動車１７に内蔵されている。

本発明の内の第６の発明のプリチャージ回路を備えた電源装置は、交流電源６と、交流電源６によって充電されるコンデンサ２と、交流電源６とコンデンサ２の間に挿入されたスイッチ３およびコンバータ３２と、バッテリー１２と、バッテリー１２とコンデンサ２の間に挿入された充電手段５と、を備えている。コンバータ３２はチョーク１９、ダイオード２０、２１、２２、２３、コンデンサ２４、２５、ＭＯＳＦＥＴ２６、２７、２８、２９で構成されており、ダイオード２０、２１、ＭＯＳＦＥＴ２６、２７がこの順番で直列回路として接続され、この直列回路のダイオード２０とＭＯＳＦＥＴ２７がコンデンサ２に接続され、ダイオード２２、２３、ＭＯＳＦＥＴ２８、２９がこの順番で直列回路として接続され、この直列回路のダイオード２２とＭＯＳＦＥＴ２９がコンデンサ２に接続され、コンデンサ２４がダイオード２１とＭＯＳＦＥＴ２６の直列回路に接続され、コンデンサ２５がダイオード２３とＭＯＳＦＥＴ２８の直列回路に接続され、チョーク１９の一端がダイオード２１とＭＯＳＦＥＴ２６の接続点に接続され、チョーク１９の他端がスイッチ３に接続され、ダイオード２３とＭＯＳＦＥＴ２８の接続点が交流電源６の他端に接続されている。充電手段５はトランス１３、ＭＯＳＦＥＴ１４、ダイオード１５、３０、３１で構成されており、トランス１３の一次巻線とＭＯＳＦＥＴ１４の直列回路がバッテリー１２に接続され、トランス１３の二次巻線と三次巻線とダイオード１５の直列回路がコンデンサ２に接続され、トランス１３の二次巻線とダイオード３０の直列回路がＭＯＳＦＥＴ２７とコンデンサ２４の直列回路に接続され、トランス１３の二次巻線とダイオード３１の直列回路がＭＯＳＦＥＴ２９とコンデンサ２５の直列回路に接続されている。

本発明の内の第７の発明のプリチャージ回路を備えた電源装置は、図示しない交流電源によって充電されるコンデンサ２と、コンデンサ２に接続されたコンバータ４７と、バッテリー１２と、バッテリー１２とコンデンサ２の間に挿入された充電手段５と、を備えている。コンバータ４７はコンデンサ３３、３４、４５、ダイオード３５、３６、４２、４３、ＭＯＳＦＥＴ３７、３８、３９、４０、トランス４１、チョーク４４で構成されており、コンデンサ３３、３４の直列回路がコンデンサ２に接続され、ＭＯＳＦＥＴ３７、３８、３９、４０がこの順番で接続される直列回路がコンデンサ２に接続され、ダイオード３５がコンデンサ３３、３４の接続点に接続され、ダイオード３５がＭＯＳＦＥＴ３７、３８の接続点に接続され、ダイオード３６がコンデンサ３３、３４の接続点に接続され、ダイオード３６がＭＯＳＦＥＴ３９、４０の接続点の間に接続され、トランス４１の一次巻線がコンデンサ３３、３４の接続点とＭＯＳＦＥＴ３８、３９の接続点の間に接続され、トランス４１の二次巻線とダイオード４２とが接続され、トランス４１の三次巻線とダイオード４３とが接続され、さらに、トランス４１の二次巻線とトランス４１の三次巻線とが接続されて、直列回路を構成し、チョーク４４とコンデンサ４５の直列回路がトランス４１の二次巻線とダイオード４２の直列回路に接続されている。充電手段５はトランス１３、ＭＯＳＦＥＴ１４、ダイオード１５、３０で構成されており、トランス１３の一次巻線とＭＯＳＦＥＴ１４の直列回路がバッテリー１２に接続され、トランス１３の三次巻線とダイオード１５が接続されて、トランス１３の二次巻線と三次巻線とダイオード１５とで構成する直列回路がコンデンサ２に接続され、トランス１３の二次巻線とダイオード３０のとで構成する直列回路がコンデンサ３４に接続されている。

本発明のプリチャージ回路によれば、次の三つの効果がある。

第一に、突入電流制限抵抗を削除する事が可能になるため、プリチャージ回路を備えた電源装置を小型化できる。

第二に、プリチャージ回路を備えた電源装置の上流に第一の入力電源を切離すスイッチが既に存在する場合、突入電流制限抵抗を短絡するスイッチも削除する事が可能になるため、プリチャージ回路を備えた電源装置を更に小型化できる。

第三に、マルチレベルコンバータと本発明のプリチャージ回路を組み合わせた場合、フライングキャパシタとコンデンサ２を同時に充電できる為、低耐圧素子を使っても素子耐圧を超える電圧が半導体素子に印加される事が無い。

図１は本発明の実施例１を示す回路図である。 図２は本発明の実施例２を示す回路図である。 図３は本発明の実施例３を示す回路図である。 図４は本発明の実施例４を示す回路図である。 図５は本発明の実施例５を示す回路図である。 図６は本発明の実施例６を示す回路図である。 図７は図６のプリチャージ電圧波形を示す波形図である。 図８は本発明の実施例７を示す回路図である。 図９は従来のプリチャージ回路を示す一例である。 図１０は従来のプリチャージ回路を示す他の例である。 図１１はマルチレベルコンバータの一例である。

本発明を実施するための形態は、以下の好ましい実施例の説明を添付図面と照らし合わせて読むと、明らかである。但し、図面はもっぱら解説のためのものであって、本発明の範囲を限定するものではない。

（実施例１の構成）
図１は、本発明の実施例１におけるプリチャージ回路を備えた電源装置を示す回路図である。
このプリチャージ回路を備えた電源装置は、第一の入力電源１と、第一の入力電源１によって充電されるコンデンサ２と、第一の入力電源１の一端とコンデンサ２の一端との間に挿入されたスイッチ３と、第二の入力電源４と、第二の入力電源４とコンデンサ２の間に挿入された充電手段５と、を備えている。

（実施例１の動作）
このように構成された実施例１におけるプリチャージ回路を備えた電源装置において、充電手段５によってコンデンサ２を第一の入力電源１の電圧以上に充電してからスイッチ３をオンさせる事で突入電流が流れなくなる。

そもそも突入電流が流れるのは、コンデンサ２の電圧が第一の入力電源１の電圧よりも低いことが原因であるので、充電手段５によってコンデンサ２を第一の入力電源１の電圧以上に充電する事でその状態を解消すれば、突入電流は流れない。

（実施例１の効果）
第二の入力電源４が存在しない従来のプリチャージ回路では、第一の入力電源１の電圧を利用してコンデンサ２を充電せざるを得ない為に突入電流制限抵抗が大型化していた。しかし、第二の入力電源４を利用して充電手段５を形成すれば、突入電流制限抵抗を削除でき、かつ任意の電流でコンデンサ２を充電する事が可能である。充電電流を小さくする事で充電手段５を小さくすることができる為、全体としてプリチャージ回路を備えた電源装置を小型化する事が可能となる。

（実施例２の構成）
図２は、本発明の実施例２におけるプリチャージ回路を備えた電源装置を示す回路図である。
このプリチャージ回路を備えた電源装置は、第一の入力電源である交流電源６と、交流電源６によって充電されるコンデンサ２と、交流電源６とコンデンサ２の間に挿入されたスイッチ３および整流手段１１と、第二の入力電源４と、第二の入力電源４とコンデンサ２の間に挿入された充電手段５と、を備えている。

整流手段１１はダイオード７、８、９、１０をブリッジ接続することで構成されている。整流手段１１の交流端子が交流電源６とスイッチ３の直列回路に、直流端子がコンデンサ２にそれぞれ接続されている。

（実施例２の動作）
このように構成された実施例２におけるプリチャージ回路を備えた電源装置において、充電手段５によってコンデンサ２を交流電源６のピーク電圧以上に充電してからスイッチ３をオンさせる事で突入電流が流れなくなる。

（実施例２の効果）
突入電流制限抵抗を削除できる事、充電電流を小さくして充電手段５を小さくすることで、全体としてプリチャージ回路を備えた電源装置を小型化する事が可能となる。

（実施例３の構成）
図３は、本発明の実施例３におけるプリチャージ回路を備えた電源装置を示す回路図である。
このプリチャージ回路を備えた電源装置は、交流電源６と、交流電源６によって充電されるコンデンサ２と、交流電源６とコンデンサ２の間に挿入されたスイッチ３および整流手段１１と、第二の入力電源であるバッテリー１２と、バッテリー１２とコンデンサ２の間に挿入された充電手段５と、を備えている。

整流手段１１はダイオード７、８、９、１０をブリッジ接続することで構成されている。整流手段１１の交流端子が交流電源６とスイッチ３の直列回路に、直流端子がコンデンサ２にそれぞれ接続されている。

（実施例３の動作）
このように構成された実施例３におけるプリチャージ回路を備えた電源装置において、充電手段５によってコンデンサ２を交流電源６のピーク電圧以上に充電してからスイッチ３をオンさせる事で突入電流が流れなくなる。

電源装置の一例として、例えば自動車に搭載される充電器の場合、商用交流電源が接続される第一の入力以外に、１２Ｖバッテリーが入力される第二の入力が存在する。この第二の入力と充電手段５を使ってコンデンサ２を充電する事によって、突入電流制限抵抗を削除する事が可能になる。
このような用途では、交流電源６とバッテリー１２は一般に電気的な絶縁が必要であるため、充電手段５は絶縁機能を持つ必要がある。

（実施例３の効果）
突入電流制限抵抗を削除できる事、充電電流を小さくして充電手段５を小さくすることで、全体としてプリチャージ回路を備えた電源装置を小型化する事が可能となる。

（実施例４の構成）
図４は、本発明の実施例４におけるプリチャージ回路を備えた電源装置を示す回路図である。
このプリチャージ回路を備えた電源装置は、交流電源６と、交流電源６によって充電されるコンデンサ２と、交流電源６とコンデンサ２の間に挿入されたスイッチ３および整流手段１１と、バッテリー１２と、バッテリー１２とコンデンサ２の間に挿入された充電手段５と、を備えている。

整流手段１１はダイオード７、８、９、１０をブリッジ接続することで構成されている。整流手段１１の交流端子が交流電源６とスイッチ３の直列回路に、直流端子がコンデンサ２に、それぞれ接続されている。

充電手段５はトランス１３、ｎチャンネルＭＯＳＦＥＴ１４、ダイオード１５で構成されている。トランス１３の一次巻線の一端（以下、巻線の巻き始めを「一端」という。）にバッテリー１２のプラス端子が接続され、ＭＯＳＦＥＴ１４のソースにバッテリー１２のマイナス端子が接続され、ドレインにトランス１３の一次巻線の他端（以下、巻線の巻き終わりを「他端」という。）が接続されている。トランス１３の二次巻線とダイオード１５の直列回路がコンデンサ２に接続されている。なお、ダイオード１５のアノードがトランス１３の二次巻線の他端に接続されている。

（実施例４の動作）
このように構成された実施例４におけるプリチャージ回路において、充電手段５によってコンデンサ２を交流電源６のピーク電圧以上に充電してからスイッチ３をオンさせる事で突入電流が流れなくなる。

充電手段５はトランス１３、ＭＯＳＦＥＴ１４、ダイオード１５で構成されており、絶縁型フライバックコンバータとして構成されている。ＭＯＳＦＥＴ１４は図示しない制御手段によってオンオフを制御され、ＭＯＳＦＥＴ１４がオンしている時にバッテリー１２から入力されたエネルギーがトランス１３に蓄えられる。ＭＯＳＦＥＴ１４がオフするとトランス１３に蓄えられたエネルギーはダイオード１５を介してコンデンサ２に放出される。この作用によりバッテリー１２からコンデンサ２にエネルギーを転送して、コンデンサ２を交流電源６のピーク電圧以上に充電する。

コンデンサ２の電圧が所定の電圧に達したことをもってＭＯＳＦＥＴ１４のオンオフを停止するように図示しない制御手段を構成すれば、定常状態における充電手段５の損失がなくなるため、より望ましい。

（実施例４の効果）
突入電流制限抵抗を削除できる事、充電電流を小さくして充電手段５を小さくすることで、全体としてプリチャージ回路を備えた電源装置を小型化する事が可能となる。

（実施例５の構成）
図５は、本発明の実施例５におけるプリチャージ回路を備えた電源装置を示す回路図である。
このプリチャージ回路を備えた電源装置は、交流電源６と、交流電源６によって充電されるコンデンサ２と、交流電源６とコンデンサ２の間に挿入されたスイッチ３および整流手段１１と、バッテリー１２と、バッテリー１２とコンデンサ２の間に挿入された充電手段５と、を備えている。

整流手段１１はダイオード７、８、９、１０をブリッジ接続することで構成されている。交流端子が交流電源６とスイッチ３の直列回路に、直流端子がコンデンサ２に接続されている。

充電手段５はトランス１３、ｎチャンネルＭＯＳＦＥＴ１４、ダイオード１５で構成されている。トランス１３の一次巻線の一端にバッテリー１２のプラス端子が接続され、ＭＯＳＦＥＴ１４のソースにバッテリー１２のマイナス端子が接続され、ドレインにトランス１３の一次巻線の他端が接続されている。トランス１３の二次巻線とダイオード１５の直列回路がコンデンサ２に接続されている。なお、ダイオード１５のアノードがトランス１３の二次巻線の他端に接続されている。

スイッチ３は電力供給装置１６に内蔵され、交流電源６、スイッチ３、バッテリー１２以外の構成要素は充電器１８に内蔵され、バッテリー１２と充電器１８は自動車１７に内蔵されている。

（実施例５の動作）
このように構成された実施例５におけるプリチャージ回路を備えた電源装置において、充電手段５によってコンデンサ２を交流電源６のピーク電圧以上に充電してからスイッチ３をオンさせる事で突入電流が流れなくなる。

例えば電気自動車の高圧バッテリーを充電するための充電システムは、商用交流電源６と電力供給装置１６、充電器１８で構成され、充電器１８には１２Ｖの低圧バッテリー１２が接続されている。電力供給装置１６に商用交流電源６を切離すスイッチ３が内蔵されている場合、本発明のプリチャージ回路には充電器１８に商用交流電源６を切離すスイッチ３を内蔵しなくてよいメリットが生じる。

従来のプリチャージ回路は、商用交流電源６とコンデンサ２の間に突入電流制限抵抗を挿入する構成であるため、この抵抗を短絡する位置にスイッチを接続する必要がある。したがって突入電流制限抵抗と無関係に存在するスイッチ３をプリチャージ回路の一部として利用する事は出来なかった。したがって突入電流制限抵抗とスイッチの並列回路を充電器に内蔵する必要があった。

しかし、本発明のプリチャージ回路ではこのような制約がないため、電力供給装置１６に内蔵されるスイッチ３をプリチャージ回路の一部として利用する事が可能である。これにより突入電流制限抵抗だけではなく商用交流電源を切離すスイッチも削除する事が可能となり、更にプリチャージ回路を備えた電源装置を小型化する事ができる。

本発明のプリチャージ回路では、充電手段５でコンデンサ２を充電してからスイッチ３をオンさせる必要がある。これは自動車１７と電力供給装置１６の間に通信手段を設け、充電手段５でコンデンサ２を充電してからスイッチ３のオンを許可する情報を送れば良い。

（実施例５の効果）
突入電流制限抵抗を削除できる事、商用交流電源を切離すスイッチを削除できる事、充電電流を小さくして充電手段５を小さくすることで、全体としてプリチャージ回路を備えた電源装置を小型化する事が可能となる。

（実施例６の構成）
図６は、本発明の実施例６におけるプリチャージ回路を備えた電源装置を示す回路図である。
このプリチャージ回路を備えた電源装置は、交流電源６と、交流電源６によって充電されるコンデンサ２と、交流電源６とコンデンサ２の間に挿入されたスイッチ３およびコンバータ３２と、バッテリー１２と、バッテリー１２とコンデンサ２の間に挿入された充電手段５と、を備えている。

コンバータ３２はチョーク１９、ダイオード２０、２１、２２、２３、コンデンサ２４、２５、ｎチャンネルＭＯＳＦＥＴ２６、２７、２８、２９で構成されている。ダイオード２０、２１、ＭＯＳＦＥＴ２６、２７がこの順番で接続される直列回路がコンデンサ２に接続され、ダイオード２１のアノードがＭＯＳＥＦＴ２６のドレインに接続されている。ダイオード２２、２３、ＭＯＳＦＥＴ２８、２９がこの順番で接続される直列回路がコンデンサ２に接続され、ダイオード２３のアノードがＭＯＳＥＦＴ２８のドレインに接続されている。

コンデンサ２４がダイオード２１とＭＯＳＦＥＴ２６の直列回路に接続され、コンデンサ２５がダイオード２３とＭＯＳＦＥＴ２８の直列回路に接続されている。チョーク１９の一端がダイオード２１とＭＯＳＦＥＴ２６の接続点に接続され、チョーク１９の他端とダイオード２３とＭＯＳＦＥＴ２８の接続点が交流電源６とスイッチ３の直列回路に接続されている。

充電手段５はトランス１３、ｎチャンネルＭＯＳＦＥＴ１４、ダイオード１５、３０、３１で構成されている。トランス１３の一次巻線の一端にバッテリー１２のプラス端子が接続され、ＭＯＳＦＥＴ１４のソースにバッテリー１２のマイナス端子が接続され、ドレインにトランス１３の一次巻線の他端が接続されている。トランス１３の二次巻線と三次巻線とダイオード１５の直列回路がコンデンサ２に接続され、トランス１３の二次巻線とダイオード３０の直列回路がＭＯＳＦＥＴ２７とコンデンサ２４の直列回路に接続され、トランス１３の二次巻線とダイオード３１の直列回路がＭＯＳＦＥＴ２９とコンデンサ２５の直列回路に接続されている。なお、ダイオード１５のアノードがトランス１３の三次巻線の他端に接続され、ダイオード３０，３１のアノードが二次巻線の他端に接続されている。
ここでトランス１３の二次巻線と三次巻線の巻数は等しいものとする。

（実施例６の動作）
このように構成された実施例６におけるプリチャージ回路を備えた電源装置において、充電手段５によってコンデンサ２を交流電源６のピーク電圧以上に充電してからスイッチ３をオンさせる事で突入電流が流れなくなる。

更に図示しない制御手段によってＭＯＳＦＥＴ２７、２９をオンさせ、充電手段５によってコンデンサ２とコンデンサ２４、２５を同時に充電し、かつコンデンサ２４、２５をコンデンサ２の１／２の電圧に充電する事でダイオード２０、２１、２２、２３、ＭＯＳＦＥＴ２６、２７、２８、２９にコンデンサ２電圧の１／２以上の電圧がかかる事が無くなる。

実施例６ではトランス１３の二次巻線と三次巻線の巻数を等しくする事でコンデンサ２４、２５をコンデンサ２の１／２の電圧に充電している。また一つのトランスで充電手段５を構成する事で、コンデンサ２とコンデンサ２４、２５を同時に充電している。したがってコンデンサ２とコンデンサ２４、２５をプリチャージする時の電圧波形は図７の様になり、コンデンサ２４、２５の電圧と、コンデンサ２とコンデンサ２４、２５の電圧の差分はいずれもコンデンサ２の１／２の電圧を超える事が無い。したがってダイオード２０、２１、２２、２３、ＭＯＳＦＥＴ２６、２７、２８、２９にコンデンサ２電圧の１／２以上の電圧がかかる事はない。

（実施例６の効果）
突入電流制限抵抗を削除できる事、充電電流を小さくして充電手段５を小さくすることで、全体としてプリチャージ回路を備えた電源装置を小型化する事が可能となる。
更にマルチレベルコンバータの主回路素子として低耐圧の素子を使う事ができるようになるため、損失を低減する事ができ、主回路部の小型化を実現できる。

（実施例７の構成）
図８は、本発明の実施例７におけるプリチャージ回路を備えた電源装置を示す回路図である。

本発明の内の第７の発明のプリチャージ回路を備えた電源装置は、図示しない交流電源によって充電されるコンデンサ２と、コンデンサ２に接続されたコンバータ４７と、バッテリー１２と、バッテリー１２とコンデンサ２の間に挿入された充電手段５と、を備えている。

コンバータ４７はコンデンサ３３、３４、４５、ダイオード３５、３６、４２、４３、ｎチャンネルＭＯＳＦＥＴ３７、３８、３９、４０、トランス４１、チョーク４４で構成されている。コンデンサ３３、３４の直列回路がコンデンサ２に接続されている。ＭＯＳＦＥＴ３７、３８、３９、４０がこの順番で接続される直列回路がコンデンサ２に接続され、ダイオード３５のアノードがコンデンサ３３、３４の接続点に、カソードがＭＯＳＦＥＴ３７、３８の接続点にそれぞれ接続されている。ダイオード３６のカソードがコンデンサ３３、３４の接続点に、アノードがＭＯＳＦＥＴ３９、４０の接続点にそれぞれ接続されている。トランス４１の一次巻線がコンデンサ３３、３４の接続点とＭＯＳＦＥＴ３８、３９の接続点の間に接続されている。トランス４１の二次巻線とダイオード４２の直列回路がトランス４１の三次巻線とダイオード４３の直列回路に接続され、チョーク４４とコンデンサ４５の直列回路がトランス４１の二次巻線とダイオード４２の直列回路に接続されている。なお、ダイオード４２のアノードがトランス１３の二次巻線に、ダイオード４３のアノードがトランス１３の三次巻線にそれぞれ接続されている。

充電手段５はトランス１３、ｎチャンネルＭＯＳＦＥＴ１４、ダイオード１５、３０で構成されている。トランス１３の一次巻線の一端にバッテリー１２のプラス端子が接続され、ＭＯＳＦＥＴ１４のソースにバッテリー１２のマイナス端子が接続され、ドレインにトランス１３の一次巻線の他端が接続されている。トランス１３の二次巻線と三次巻線とダイオード１５の直列回路がコンデンサ２に接続され、トランス１３の二次巻線とダイオード３０の直列回路がダイオード３６とＭＯＳＦＥＴ４０の直列回路に接続されている。なお、ダイオード１５のアノードがトランス１３の三次巻線の他端に接続され、ダイオード３０のアノードが二次巻線の他端に接続されている。
ここでトランス１３の二次巻線と三次巻線の巻数は等しいものとする。

（実施例７の動作）
このように構成された実施例７におけるプリチャージ回路を備えた電源装置において、充電手段５によってコンデンサ２とコンデンサ３３、３４を同時に充電し、かつコンデンサ３３、３４をコンデンサ２の１／２の電圧に充電する事でＭＯＳＦＥＴ３７、３８、３９、４０にコンデンサ２電圧の１／２以上の電圧がかかる事が無くなる。

実施例７ではトランス１３の二次巻線と三次巻線の巻数を等しくする事でコンデンサ３３、３４をコンデンサ２の１／２の電圧に充電している。また一つのトランスで充電手段５を構成する事で、コンデンサ２とコンデンサ３３、３４を同時に充電している。したがってコンデンサ２とコンデンサ３３、３４をプリチャージする時の電圧波形は図７の様になり、コンデンサ３３、３４の電圧はコンデンサ２の１／２の電圧を超える事が無い。したがってＭＯＳＦＥＴ３７、３８、３９、４０にコンデンサ２電圧の１／２以上の電圧がかかる事はない。

実施例７ではコンデンサ２とは別にコンデンサ３３、３４を設ける回路を示したが、コンデンサ３３、３４の静電容量をコンデンサ２の２倍にする事で、コンデンサ３３、３４で構成される直列回路の静電容量をコンデンサ２と等しくして、コンデンサ２を削除する事も可能である。
この場合でもコンデンサ３３、３４をプリチャージする時の電圧波形は実施例７と変わらないので、実施例７と同様の効果を奏する。

実施例７ではコンデンサ２に接続され、直列回路を構成するコンデンサ３３，３４は２つであるが、直接回路を構成するコンデンサ３３、３４は２つに限定されず、３つ以上であっても良い。

（実施例７の効果）
マルチレベルコンバータの主回路素子として低耐圧の素子を使う事ができるようになるため、損失を低減する事ができ、主回路部の小型化を実現できる。

なお、本発明が効果を奏するのは入力電源１によってコンデンサ２に突入電流が流れる場合であるので、入力電源１とコンデンサ２の接続形態は図１〜図６に例示した形態に限定されるものではない。

また、本発明が効果を奏するのはコンデンサ２とマルチレベルコンバータが接続されている場合であるので、マルチレベルコンバータの実施形態は図６、図８に例示した形態に限定されるものではない。例えばマルチレベルコンバータは３レベルではなく、４レベルでも５レベルでも同様の効果を奏する。

充電手段５についてもフライバックコンバータを例示しているが、この形態に限定されるものではない。別の回路方式のコンバータであっても、あるいは複数のコンバータを多段接続しても、コンデンサ２を充電できれば同様の効果を奏する。

１ 入力電源
２ コンデンサ
３ スイッチ
４ 入力電源
５ 充電手段
６ 交流電源
７ ダイオード
８ ダイオード
９ ダイオード
１０ ダイオード
１１ 整流手段
１２ バッテリー
１３ トランス
１４ ＭＯＳＦＥＴ
１５ ダイオード
１６ 電力供給装置
１７ 自動車
１８ 充電器
１９ チョーク
２０ ダイオード
２１ ダイオード
２２ ダイオード
２３ ダイオード
２４ コンデンサ
２５ コンデンサ
２６ ＭＯＳＦＥＴ
２７ ＭＯＳＦＥＴ
２８ ＭＯＳＦＥＴ
２９ ＭＯＳＦＥＴ
３０ ダイオード
３１ ダイオード
３２ マルチレベルコンバータ
３３ コンデンサ
３４ コンデンサ
３５ ダイオード
３６ ダイオード
３７ ＭＯＳＦＥＴ
３８ ＭＯＳＦＥＴ
３９ ＭＯＳＦＥＴ
４０ ＭＯＳＦＥＴ
４１ トランス
４２ ダイオード
４３ ダイオード
４４ チョーク
４５ コンデンサ
４６ 抵抗
４７ コンバータ
４８ 負荷装置

Claims (11)

1. 第一の入力電源と、
   前記第一の入力電源によって充電されるコンデンサと、
   前記第一の入力電源と前記コンデンサとの間に挿入されたスイッチと、
   を有するプリチャージ回路において、
   第二の入力電源と、
   前記第二の入力電源と前記コンデンサとの間に挿入された充電手段と、
   を有する事を特徴とするプリチャージ回路。
2. 前記充電手段によって前記コンデンサを充電してから前記スイッチをオンさせる事を特徴とする請求項１のプリチャージ回路。
3. 前記第一の入力電源が交流電源で、前記第一の入力電源と前記コンデンサとの間に整流手段が挿入されたことを特徴とする請求項１または請求項２のプリチャージ回路。
4. 前記第一の入力電源が商用交流電源である事を特徴とする請求項３のプリチャージ回路。
5. 前記第二の入力電源がバッテリーである事を特徴とする請求項１、請求項２、請求項３または請求項４のプリチャージ回路。
6. 前記充電手段が絶縁型コンバータである事を特徴とする請求項１、請求項２、請求項３、請求項４または請求項５のプリチャージ回路。
7. 前記コンデンサを充電したあとで、前記充電手段の充電機能を停止させることを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５または請求項６のプリチャージ回路。
8. 前記コンデンサが自動車に搭載され、前記スイッチが電力供給装置に搭載され、前記自動車と前記電力供給装置の間には通信手段が具備され、前記スイッチのオンを許可する情報を前記自動車から前記通信手段を通じて前記電力供給装置に伝える事を特徴とする請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５、請求項６または請求項７のプリチャージ回路。
9. 前記コンデンサにフライングキャパシタ型マルチレベルコンバータが接続され、前記充電手段が前記コンデンサと同時に前記マルチレベルコンバータのフライングキャパシタを充電する事を特徴とする請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５、請求項６、請求項７または請求項８のプリチャージ回路。
10. 前記コンデンサに複数のコンデンサを直列接続した直列回路が接続され、前記充電手段が前記コンデンサと同時に前記直列回路の各コンデンサを充電する事を特徴とする請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５、請求項６、請求項７、請求項８または請求項９のプリチャージ回路。
11. 前記コンデンサの静電容量を前記複数のコンデンサにそれぞれ振り分け、前記コンデンサを削除する事を特徴とする請求項１０のプリチャージ回路。

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