JP2017225252A

JP2017225252A - 電源装置

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Publication number: JP2017225252A
Application number: JP2016119541A
Authority: JP
Inventors: 鈴木　慎吾; Shingo Suzuki; 慎吾鈴木; 榎本　倫人; Michihito Enomoto; 倫人榎本
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 2016-06-16
Filing date: 2016-06-16
Publication date: 2017-12-21

Abstract

【課題】スイッチング方式の電源回路を小型化することができる電源装置を提供する。【解決手段】電源装置１は、第１周波数でスイッチング制御し、電源１０の入力電圧を変換して出力電圧を生成し、生成した出力電圧の電力を負荷３に供給する定常回路２０と、第１周波数よりも高い第２周波数でスイッチング制御し、電源１０の入力電圧を変換して出力電圧を生成し、生成した出力電圧の電力を負荷３に供給するブースター回路３０と、定常回路２０及びブースター回路３０をスイッチング制御する制御ＩＣ５０とを備え、制御ＩＣ５０は、定常回路２０から負荷３に電力を供給した状態で、負荷３の状況に応じて、さらに、ブースター回路３０から負荷３に電力を供給するように制御する。【選択図】図１

Description

本発明は、電源装置に関する。

従来、電源装置は、電源の入力電圧を変換して出力電圧を生成し、当該出力電圧の電力を負荷に供給するスイッチング方式の電源回路を備えるものがある（例えば、特許文献１）。スイッチング方式の電源回路は、負荷が消費する最も大きな電力である最大消費電力を想定して設計されている。

特開２００８−３０１５８１号公報

ところで、スイッチング方式の電源回路は、最大消費電力に対応するために回路規模が大きくなる課題があった。

そこで、本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、最大消費電力に対応することができると共にスイッチング方式の電源回路を小型化することができる電源装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る電源装置は、第１周波数でスイッチング制御され、電源の入力電圧を変換して出力電圧を生成し、生成した前記出力電圧の電力を負荷に供給する第１の電源回路と、前記第１周波数よりも高い第２周波数でスイッチング制御され、前記電源の入力電圧を変換して出力電圧を生成し、生成した前記出力電圧の電力を前記負荷に供給する第２の電源回路と、前記第１の電源回路及び前記第２の電源回路をスイッチング制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記第１の電源回路から前記負荷に電力を供給した状態で、前記負荷の状況に応じて、さらに、前記第２の電源回路から前記負荷に電力を供給するように制御することを特徴とする。

また、上記電源装置において、前記負荷は、前記第１の電源回路及び前記第２の電源回路に電力を供給する前記電源とは異なる２次側の電源から電力が供給され、前記制御部は、前記第１の電源回路及び前記２次側の電源から前記負荷に電力を供給した状態で、前記２次側の電源から前記負荷に供給する電力の状況に応じて、さらに、前記第２の電源回路から前記負荷に電力を供給するように制御することが好ましい。

本発明に係る電源装置は、第１周波数でスイッチング制御する第１の電源回路と、第１周波数よりも高い第２周波数でスイッチング制御する第２の電源回路とを備え、第１の電源回路から負荷に電力を供給した状態で、負荷の状況に応じて、さらに、第２の電源回路から負荷に電力を供給するように制御する。これにより、電源装置は、最大消費電力に対応することができると共に、第２の電源回路を高周波でスイッチング制御するので第２の電源回路を小型化することができる。

図１は、実施形態１に係る電源装置の構成例を示すブロック図である。図２は、実施形態１に係るＤＣ／ＤＣコンバータの構成例を示すブロック図である。図３は、実施形態１に係る電源装置の動作例を示すフローチャートである。図４は、実施形態１の変形例に係る電源装置の動作例を示すフローチャートである。図５は、実施形態２に係る電源装置の動作例（定常動作）を示す図である。図６は、実施形態２に係る電源装置の動作例（ブースト動作）を示す図である。図７は、実施形態２に係る電源装置の動作例（ブースト動作）を示す図である。

本発明を実施するための形態（実施形態）につき、図面を参照しつつ詳細に説明する。以下の実施形態に記載した内容により本発明が限定されるものではない。また、以下に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のものが含まれる。さらに、以下に記載した構成は適宜組み合わせることが可能である。また、本発明の要旨を逸脱しない範囲で構成の種々の省略、置換又は変更を行うことができる。
〔実施形態１〕

実施形態１に係る電源装置について説明する。実施形態１では、電源装置１が図示しない車両に設置される例について説明するが、これに限定されない。車両電源システム１００は、図１に示すように、電源装置１と、ＥＣＵ（ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）２とを備える。車両電源システム１００は、電源装置１がＥＣＵ２や後述する検出回路４０の出力結果に基づいて車両の負荷３に供給する電力を制御する。

ＥＣＵ２は、車両全体を制御するものであり、例えば、車両のエンジン等の駆動系やブレーキ等の制動系、電源装置１等を制御する。

電源装置１は、後述する電源１０の入力電圧を変換して出力電圧を生成し、生成した出力電圧の電力を負荷３に供給するものである。電源装置１は、電源１０と、第１の電源回路としての定常回路２０と、第２の電源回路としてのブースター回路３０と、検出回路４０と、制御部としての制御ＩＣ（ＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔ）５０とを備える。

電源１０は、直流電源であり、定常回路２０及びブースター回路３０に接続される。電源１０は、定常回路２０及びブースター回路３０を介して負荷３に電力を供給する。

定常回路２０は、例えば、降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ回路であり、電源１０の入力電圧を変換して出力電圧を生成し、生成した出力電圧の電力を負荷３に供給するものである。定常回路２０は、図２に示すように、入力コンデンサ２１と、ハイサイド側のトランジスタ２２と、ローサイド側のトランジスタ２３と、インダクタ２４と、出力コンデンサ２５とを備える。

入力コンデンサ２１は、平滑化用のコンデンサであり、一端に電源１０の陽極が接続され、他端にＧＮＤ端子が接続される。

ハイサイド側のトランジスタ２２は、インダクタ２４に流れる電流を制御するものであり、例えば、ＮチャンネルのＭＯＳＦＥＴ（ＭｅｔａｌＯｘｉｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＦｉｅｌｄＥｆｆｅｃｔＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）である。このトランジスタ２２は、ドレイン端子に電源１０の陽極が接続されると共に、ソース端子にインダクタ２４の一端が接続され、ゲート端子に制御ＩＣ５０が接続される。トランジスタ２２は、制御ＩＣ５０によりゲート端子に電圧が印加され、ドレイン端子に接続された電源１０からソース端子に接続されたインダクタ２４に電流を流す。

ローサイド側のトランジスタ２３は、同期整流を行うものであり、例えば、ＮチャンネルのＭＯＳＦＥＴである。トランジスタ２３は、ドレイン端子にインダクタ２４の一端が接続されると共に、ソース端子にＧＮＤ端子が接続され、ゲート端子に制御ＩＣ５０が接続される。このトランジスタ２３は、制御ＩＣ５０によりゲート端子に電圧が印加され、ドレイン端子に接続されたインダクタ２４から負荷３に電流（誘導電流）を流す。なお、トランジスタ２３は、ダイオードを用いて非同期整流を行ってもよい。

インダクタ２４は、電流変化を妨げるように起電力を生じて誘導電流を発生するものである。インダクタ２４は、上述のように、一端にハイサイド側のトランジスタ２２及びローサイド側のトランジスタ２３が接続され、他端に出力コンデンサ２５の一端、及び、負荷３が接続される。

出力コンデンサ２５は、平滑化用のコンデンサであり、上述のように一端にインダクタ２４が接続され、他端にＧＮＤ端子が接続される。

ブースター回路３０は、例えば、降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ回路であり、電源１０の入力電圧を変換して出力電圧を生成し、生成した出力電圧の電力を負荷３に供給するものである。ブースター回路３０は、定常回路２０と同等に構成され、定常回路２０が供給する電力と同等の電力（電圧）を負荷３に供給する。なお、ブースター回路３０は、定常回路２０が供給する電力よりも少ない電力（電圧）を負荷３に供給してもよいし、定常回路２０が供給する電力よりも多い電力（電圧）を負荷３に供給してもよい。ブースター回路３０は、入力コンデンサ３１と、ハイサイド側のトランジスタ３２と、ローサイド側のトランジスタ３３と、インダクタ３４と、出力コンデンサ３５とを備える。

入力コンデンサ３１は、平滑化用のコンデンサであり、一端に電源１０の陽極が接続され、他端にＧＮＤ端子が接続される。

ハイサイド側のトランジスタ３２は、インダクタ３４に流れる電流を制御するものであり、例えば、ＮチャンネルのＭＯＳＦＥＴである。このトランジスタ３２は、ドレイン端子に電源１０の陽極が接続されると共に、ソース端子にインダクタ３４の一端が接続され、ゲート端子に制御ＩＣ５０が接続される。トランジスタ３２は、制御ＩＣ５０によりゲート端子に電圧が印加され、ドレイン端子に接続された電源１０からソース端子に接続されたインダクタ３４に電流を流す。

ローサイド側のトランジスタ３３は、同期整流を行うものであり、例えば、ＮチャンネルのＭＯＳＦＥＴである。このトランジスタ３３は、ドレイン端子にインダクタ３４の一端が接続されると共に、ソース端子にＧＮＤ端子が接続され、ゲート端子に制御ＩＣ５０が接続される。トランジスタ３３は、制御ＩＣ５０によりゲート端子に電圧が印加され、ドレイン端子に接続されたインダクタ３４から負荷３に電流（誘導電流）が流れる。なお、トランジスタ３３は、ダイオードを用いて非同期整流を行ってもよい。

インダクタ３４は、電流変化を妨げるように起電力を生じて誘導電流を発生するものである。インダクタ３４は、上述のように、一端にハイサイド側のトランジスタ３２及びローサイド側のトランジスタ３３が接続され、他端に出力コンデンサ３５の一端、及び、負荷３が接続される。

出力コンデンサ３５は、平滑化用のコンデンサであり、上述のように一端にインダクタ３４が接続され、他端にＧＮＤ端子が接続される。

検出回路４０は、負荷３に供給される電力を検出するものである。検出回路４０は、定常回路２０及びブースター回路３０に接続され、定常回路２０及びブースター回路３０から出力される電流値及び電圧値を検出する。検出回路４０は、検出した電流値及び電圧値を制御ＩＣ５０に出力する。

制御ＩＣ５０は、負荷３に供給する電源１０の電力を制御するものである。例えば、制御ＩＣ５０は、定常回路２０において、ハイサイド側のトランジスタ２２のゲート端子に第１周波数で電圧を印加してデューティ期間（オン期間）を制御し、電源１０からインダクタ２４を介して負荷３に電力を供給する。また、制御ＩＣ５０は、定常回路２０において、ローサイド側のトランジスタ２３のゲート端子に第１周波数に対応する周波数で電圧を印加してデューティ期間を制御し、インダクタ２４から負荷３に電力を供給する。また、制御ＩＣ５０は、ブースター回路３０において、ハイサイド側のトランジスタ３２のゲート端子に第２周波数で電圧を印加してデューティ期間を制御し、電源１０からインダクタ３４を介して負荷３に電力を供給する。ここで、ブースター回路３０をスイッチング制御する第２周波数は、定常回路２０をスイッチング制御する第１周波数よりも高い。例えば、定常回路２０の第１周波数は、１００ＫＨｚ程度であり、ブースター回路３０の第２周波数は、１ＧＨｚ程度である。これにより、ブースター回路３０は、高周波で制御するので一周期あたりに処理するエネルギーを小さくすることができ、小型化することができる。ブースター回路３０は、定常回路２０に対して周波数を高くするほど小型される。制御ＩＣ５０は、ブースター回路３０において、ローサイド側のトランジスタ３３のゲート端子に第２周波数に対応する周波数で電圧を印加してデューティ期間を制御し、インダクタ３４から負荷３に電力を供給する。

定常回路２０は、頻繁に駆動されるので、定常回路２０の第１周波数が、通常、他の電子機器にノイズ等の悪影響を及ぼさない周波数が割り当てられている。ブースター回路３０の第２周波数も、他の電子機器にノイズ等の悪影響を及ぼさない周波数を割り当てることが好ましい。ただし、ブースター回路３０は、定常回路２０に比べて駆動される頻度が少ないので、他の電子機器にノイズ等の悪影響を及ぼさない周波数を割り当てることが難しい場合、他の電子機器にノイズ等の悪影響を及ぼしても比較的影響が少ない周波数を割り当てることが考えられる。例えば、第２周波数は、ＡＭラジオ機器やＦＭラジオ機器等の車両の快適装備に関する電子機器に影響を及ぼす周波数を割り当ててもよい。

次に、電源装置１の動作例について説明する。電源装置１は、図３に示すように、ＤＣ／ＤＣ変換を行うように制御する（ステップＳ１）。例えば、電源装置１は、定常回路２０において、ハイサイド側のトランジスタ２２のゲート端子に制御ＩＣ５０により第１周波数で電圧を印加し、同期整流を行いながら電源１０からインダクタ２４を介して負荷３に電力を供給する。次に、電源装置１は、電流及び電圧を検出する（ステップＳ２）。例えば、電源装置１は、定常回路２０から出力される電流値及び電圧値を検出回路４０により検出する。次に、電源装置１は、定常回路２０の負荷率が予め定められた規定値以上であるか否かを判定する（ステップＳ３）。ここで、負荷率は、例えば、ある時点の負荷３の消費電力と負荷３の最大消費電力との比率である。最大消費電力は、例えば、負荷３が消費する電力の最大値であり予め設定されている。電源装置１は、定常回路２０の負荷率が規定値以上である場合（ステップＳ３；Ｙｅｓ）、定常回路２０によりＤＣ／ＤＣ変換を行っている状態で、ブースター回路３０を起動する（ステップＳ４）。例えば、電源装置１は、ブースター回路３０において、ハイサイド側のトランジスタ３２のゲート端子に第２周波数で電圧を印加し、同期整流を行いながら電源１０からインダクタ３４を介して負荷３に電力を供給する。これにより、電源装置１は、定常回路２０から供給する電力とブースター回路３０から供給する電力とを加算した電力を負荷３に供給することができる。従って、電源装置１は、負荷３が使用する電力が瞬間的に上昇しても、負荷３が使用する電力が不足することを抑制できる。なお、電源装置１は、上述のステップＳ３で、定常回路２０の負荷率が規定値未満である場合（ステップＳ３；Ｎｏ）、ブースター回路３０を起動しない（ステップＳ５）。

以上のように、実施形態１に係る電源装置１は、第１周波数でスイッチング制御する定常回路２０と、第１周波数よりも高い第２周波数でスイッチング制御するブースター回路３０とを備え、定常回路２０から負荷３に電力を供給した状態で、負荷３の状況に応じて、さらに、ブースター回路３０から負荷３に電力を供給するように制御する。これにより、電源装置１は、最大消費電力に対応することができると共に、ブースター回路３０を高周波でスイッチング制御するのでブースター回路３０を小型化することができる。つまり、電源装置１は、ブースター回路３０を構成する電子部品を小型化することができる。例えば、電源装置１は、ブースター回路３０を構成する入力コンデンサ３１、ハイサイド側のトランジスタ３２、ローサイド側のトランジスタ３３、インダクタ３４、及び、出力コンデンサ３５を小型化することができる。従って、電源装置１は、高周波で駆動するブースター回路３０を用いることで、例えば、定常回路２０を２個並べて負荷３に電力を供給する場合と比較して、小型化することができる。また、電源装置１は、デジタル制御とすることにより、１つの制御ＩＣ５０で定常回路２０及びブースター回路３０を制御することができる。

〔実施形態１の変形例〕
次に、実施形態１の変形例について説明する。例えば、ＥＣＵ２は、負荷３に接続され、負荷３から電力に関する負荷情報を取得する。負荷情報は、例えば、負荷３のスイッチがオン・オフされたことを示す情報である。ＥＣＵ２は、当該負荷情報に基づいて電源装置１を制御する。具体的には、ＥＣＵ２は、負荷３のスイッチがオンされたことを示す負荷情報を取得すると、電力を増加することを示す電力増加指令を電源装置１に送信する。電源装置１は、図４に示すように、ＥＣＵ２から電力増加指令を受信したか否かを判定する（ステップＴ１）。電源装置１は、電力増加指令を受信したと判定した場合（ステップＴ１；Ｙｅｓ）、定常回路２０によりＤＣ／ＤＣ変換を行っている状態で、ブースター回路３０を起動する（ステップＴ２）。これにより、電源装置１は、定常回路２０から供給する電力とブースター回路３０から供給する電力とを加算した電力を負荷３に供給することができる。従って、電源装置１は、負荷３が使用する電力が瞬間的に上昇しても、負荷３が使用する電力が不足することを抑制できる。このように、電源装置１は、検出回路４０の検出結果を用いずに、ＥＣＵ２からの電力増加指令に基づいてブースター回路３０を起動してもよい。なお、電源装置１は、上述のステップＴ１で、電力増加指令を受信していないと判定した場合（ステップＴ１；Ｎｏ）、ブースター回路３０を起動しない（ステップＴ３）。

また、定常回路２０及びブースター回路３０は、降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ回路である例について説明したが、昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ回路であってもよい。

〔実施形態２〕
次に、実施形態２に係る電源装置１Ａについて説明する。実施形態２では、定常回路２０及びブースター回路３０に電力を供給する電源１０とは異なる電源から負荷３に電力を供給する点で実施形態１と異なる。例えば、電源装置１Ａは、図５に示すように、１次側としての電源１０の他に２次側の電源１０Ａを備え、１次側の電源１０の電力をＤＣ／ＤＣ変換して負荷３に電力を供給すると共に、２次側の電源１０Ａから負荷３に電圧変換を行わずに直接電力を供給する。また、電源装置１Ａは、１次側の電源１０にモータジェネレータ４や負荷３Ａが接続され、１次側の電源１０及びモータジェネレータ４から負荷３Ａに直接電力を供給する。なお、実施形態２は、説明の理解を容易にするために、検出回路４０及び制御ＩＣ５０の図示を省略している。

電源装置１Ａは、例えば、２次側の電源１０Ａの状態を監視する図示しない電源監視部を備える。電源監視部は、２次側の電源１０Ａの電流を検出し、２次側の電源１０Ａから負荷３に電流が正常に流れているか否かを判定する。例えば、電源監視部は、検出した電流の電流値が予め定められた電流基準値以上である場合、２次側の電源１０Ａから負荷３に電流が正常に流れていると判定し、２次側の電源１０Ａから負荷３に電流が正常に流れていることを示す電流正常信号を制御ＩＣ５０に出力する。また、電源監視部は、検出した電流の電流値が予め定められた電流基準値未満である場合、２次側の電源１０Ａから負荷３に電流が正常に流れていないと判定し、２次側の電源１０Ａから負荷３に電流が正常に流れていないことを示す電流異常信号を制御ＩＣ５０に出力する。

制御ＩＣ５０は、例えば、図６に示すように、２次側の電源１０Ａと負荷３とを接続する電線が断線し２次側の電源１０Ａから電力を供給できず、電源監視部から電流異常信号が出力された場合、定常回路２０によりＤＣ／ＤＣ変換を行っている状態で、ブースター回路３０を起動する。これにより、電源装置１Ａは、定常回路２０から供給する電力とブースター回路３０から供給する電力とを加算した電力を負荷３に供給することができる。従って、電源装置１Ａは、２次側の電源１０Ａから電力を供給することができない場合でも、負荷３が使用する電力が不足することを抑制できる。

また、電源監視部は、２次側の電源１０Ａの電圧を検出し、２次側の電源１０Ａが劣化しているか否かを判定する。例えば、電源監視部は、検出した電圧の電圧値が予め定められた電圧基準値以上である場合、２次側の電源１０Ａが劣化していないと判定し、２次側の電源１０Ａが正常であることを示す電圧正常信号を制御ＩＣ５０に出力する。また、電源監視部は、検出した電圧の電圧値が予め定められた電圧基準値未満である場合、２次側の電源１０Ａが劣化していると判定し、２次側の電源１０Ａが異常であることを示す電圧異常信号を制御ＩＣ５０に出力する。

制御ＩＣ５０は、例えば、図７に示すように２次側の電源１０Ａが劣化し２次側の電源１０Ａからの電圧が減少し、電源監視部から電圧異常信号が出力された場合、定常回路２０によりＤＣ／ＤＣ変換を行っている状態で、ブースター回路３０を起動する。これにより、電源装置１Ａは、定常回路２０から供給する電力とブースター回路３０から供給する電力とを加算した電力を負荷３に供給することができる。従って、電源装置１Ａは、２次側の電源１０Ａが劣化し２次側の電源１０Ａからの電圧が減少した場合でも、負荷３が使用する電力が不足することを抑制できる。

以上のように、実施形態２に係る電源装置１Ａは、定常回路２０及び２次側の電源１０Ａから負荷３に電力を供給した状態で、２次側の電源１０Ａから負荷３に供給する電力の状況に応じて、さらに、ブースター回路３０から負荷３に電力を供給するように制御する。これにより、電源装置１Ａは、実施形態１の効果を有すると共に、２次側の電源１０Ａから電力を供給する際に異常が発生しても負荷３に安定して電力を供給することができる。

１、１Ａ電源装置
１０電源
２０定常回路（第１の電源回路）
３、３Ａ負荷
３０ブースター回路（第２の電源回路）
４０検出回路
５０制御ＩＣ（制御部）

Claims

第１周波数でスイッチング制御され、電源の入力電圧を変換して出力電圧を生成し、生成した前記出力電圧の電力を負荷に供給する第１の電源回路と、
前記第１周波数よりも高い第２周波数でスイッチング制御され、前記電源の入力電圧を変換して出力電圧を生成し、生成した前記出力電圧の電力を前記負荷に供給する第２の電源回路と、
前記第１の電源回路及び前記第２の電源回路をスイッチング制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記第１の電源回路から前記負荷に電力を供給した状態で、前記負荷の状況に応じて、さらに、前記第２の電源回路から前記負荷に電力を供給するように制御することを特徴とする電源装置。
前記負荷は、
前記第１の電源回路及び前記第２の電源回路に電力を供給する前記電源とは異なる２次側の電源から電力が供給され、
前記制御部は、
前記第１の電源回路及び前記２次側の電源から前記負荷に電力を供給した状態で、前記２次側の電源から前記負荷に供給する電力の状況に応じて、さらに、前記第２の電源回路から前記負荷に電力を供給するように制御する請求項１に記載の電源装置。