JP2019213344A - 車載充電器 - Google Patents

Abstract

【課題】力率改善部におけるスイッチング素子の電流の検出精度を向上させることが可能な車載充電器を提供する。【解決手段】車載充電器１００は、整流部１２０と、インダクタ２１０、ダイオード２２０およびスイッチング素子２３０を含む、インターリーブ式の力率改善部２００と、ＤＣ／ＤＣ変換部１５０と、スイッチング素子のソース側端部の電流を検出し、その検出結果をＰＦＣ制御部２５０の制御部２５２に送信する検出部２５１と、を備える車載充電器であって、スイッチング素子のソースとグランドとの間を接続する電流検出抵抗２６０と、電流検出抵抗のソース側端部と、検出部との間に設けられるノイズ除去部２７０と、を備える。【選択図】図１

Description

本開示は、車載充電器に関する。

一般的に、電気自動車に搭載される車載用充電器等の車載充電器には、力率改善回路が設けられることが知られている。例えば、特許文献１には、複数組のコイル、スイッチング素子およびダイオードを有する、インターリーブ式の力率改善回路が開示されている。

この力率改善回路では、２つのスイッチング素子のそれぞれにおいて、負荷の分担を行うことで、それぞれのコイル等に均等に電流が流れるようにスイッチング制御を行う必要がある。また、スイッチング素子を保護するため、スイッチング素子に流れる電流が過剰であるか否かを検出する必要がある。

これらの観点からすれば、各スイッチング素子に流れる電流を精度良く検出する必要がある。そのため、特許文献１に記載の構成では、各スイッチング素子のソース側の電流（以下、「ソース電流」という）を検出し、その検出結果に基づいて力率改善回路の制御を行っている。

中国実用新案第２０３６４５３８１号明細書

しかしながら、所定のノイズに起因してスイッチング素子のソース電流が変動する場合がある。所定のノイズとしては、スイッチング素子のスイッチング制御によって発生するスイッチングノイズや、車載充電器が配置されるグランドパターンに流れる大電流と、当該グランドパターンのインピーダンスとにより発生するフロアノイズ等が挙げられる。そのため、特許文献１のようにスイッチング素子のソース電流を検出する場合、これらのノイズに起因して、電流の検出精度が劣化するおそれがあった。

本開示の目的は、力率改善部におけるスイッチング素子のソース電流の検出精度を向上させることが可能な車載充電器を提供することである。

本開示に係る車載充電器は、
整流部と、インダクタ、ダイオードおよびスイッチング素子を含む、インターリーブ式の力率改善部と、ＤＣ／ＤＣ変換部と、前記力率改善部を制御する制御部と、前記スイッチング素子のソース側端部の電流を検出し、その検出結果を前記制御部に送信する検出部と、を備える車載充電器であって、
前記スイッチング素子のソースとグランドとの間を接続する電流検出抵抗と、
前記電流検出抵抗の前記ソース側端部と、前記検出部との間に設けられるノイズ除去部と、
を備える。

本開示によれば、力率改善部におけるスイッチング素子のソース電流の検出精度を向上させることができる。

本開示の実施の形態に係る車載充電器を示す図である。 第１変形例に係る車載充電器を示す図である。 第２変形例に係る車載充電器を示す図である。

以下、本開示の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は、本開示の実施の形態に係る車載充電器１００を示す図である。

図１に示すように、車載充電器１００は、外部交流電源１０に接続され、外部交流電源１０から供給される交流電力を直流電力に電力変換してバッテリー２０を充電する充電器である。バッテリー２０は、例えば、車載電池等の充電池である。

車載充電器１００は、交流フィルタ１１０と、整流部１２０と、第１コンデンサ１３０と、力率改善部２００と、第２コンデンサ１４０と、ＤＣ／ＤＣ変換部１５０と、駆動部２４０と、ＰＦＣ（Power Factor Correction）制御部２５０と、電流検出抵抗２６０と、を備える。ＰＦＣ制御部２５０は、検出部２５１と、制御部２５２とを有する。

交流フィルタ１１０は、外部交流電源１０から入力される交流電力のノイズを除去するとともに、車載充電器１００からのノイズが外部交流電源１０へ流出するのを防止する。

整流部１２０は、例えば、４つのダイオードからなるダイオードブリッジ回路を有しており、外部交流電源１０から出力された交流電力を全波整流して直流電力に変換し、力率改善部２００に出力する。

第１コンデンサ１３０は、整流部１２０と力率改善部２００の間に接続されており、整流部１２０の出力を平滑化する。これにより、整流部１２０の出力におけるリップルを低減することができる。

力率改善部２００は、整流部１２０から入力された直流電力の力率を改善するインターリーブ式の力率改善（ＰＦＣ）回路である。力率改善部２００、駆動部２４０、ＰＦＣ制御部２５０および電流検出抵抗２６０の詳細については後述する。

第２コンデンサ１４０は、力率改善部２００とＤＣ／ＤＣ変換部１５０との間に接続されている。第２コンデンサ１４０には、力率改善部２００の出力に応じた電荷がチャージされることで、力率改善部２００が出力する直流電力が平滑化される。

ＤＣ／ＤＣ変換部１５０は、力率改善部２００が出力した直流電力を、バッテリー２０に充電可能な直流電力に変換する回路であり、第２コンデンサ１４０を介して力率改善部２００の後段に接続されている。ＤＣ／ＤＣ変換部１５０によって変換された直流電力が、バッテリー２０に出力されることにより、バッテリー２０が充電される。

次に、力率改善部２００、駆動部２４０、ＰＦＣ制御部２５０および電流検出抵抗２６０の詳細について説明する。力率改善部２００は、２組（複数組）のインダクタの一例としてのコイル２１０、ダイオード２２０およびスイッチング素子２３０を有する。

各コイル２１０と、当該コイル２１０に対応するダイオード２２０とは、直列に接続されている。具体的には、各コイル２１０の一端は、整流部１２０の出力端子にそれぞれ接続されている。各コイル２１０の他端は、当該コイル２１０に対応する各ダイオード２２０のアノードにそれぞれ接続されている。また、各ダイオード２２０のカソードは、ＤＣ／ＤＣ変換部１５０の入力端子にそれぞれ接続されている。また、コイル２１０およびダイオード２２０は、各組毎に並列に接続され、それぞれのダイオード２２０の出力電力がＤＣ／ＤＣ変換部１５０に出力される。

スイッチング素子２３０は、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ：Field Effect Transistor）であり、各組におけるコイル２１０と、ダイオード２２０との間に接続されている。具体的には、スイッチング素子２３０のドレインは、コイル２１０の他端とダイオード２２０のアノードとの間に接続され、スイッチング素子２３０のソースは、電流検出抵抗２６０を介してＰＦＣグランドＧ１に接続されている。

ＰＦＣグランドＧ１は、ＰＦＣ制御部２５０を動作させるための第１電源電圧に対応したグランドであり、所定の接続点Ｐにおいて、グランドの一例としての基板グランドＧ２に接続されている。基板グランドＧ２は、車載充電器１００の各部が配置される基板のグランドであり、当該各部を動作させるための第２電源電圧に対応したグランドである。第２電源電圧の電圧値は、第１電源電圧の電圧値よりも大きい電圧値である。

駆動部２４０は、スイッチング素子２３０のゲートに抵抗２４１を介して制御信号を出力可能に構成されたＩＣ（Integrated Circuit）である。駆動部２４０は、ＰＦＣ制御部２５０の制御の下、各スイッチング素子２３０をスイッチング制御するための制御信号を出力する。なお、駆動部２４０は、各スイッチング素子２３０のそれぞれに対応して１つずつ設けられていても良い。

ＰＦＣ制御部２５０は、図示しないＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）および入出力回路を備えるＩＣである。ＰＦＣ制御部２５０は、駆動部２４０を介して各スイッチング素子２３０のスイッチング制御を行う。ＰＦＣ制御部２５０は、上述したように、スイッチング素子２３０のソース電流を検出する検出部２５１と、検出部２５１の検出結果に基づいて上記スイッチング制御を行う制御部２５２とを有する。

電流検出抵抗２６０は、例えば、シャント抵抗であり、スイッチング素子２３０のソースと、ＰＦＣグランドＧ１との間に接続されている。検出部２５１は、電流検出抵抗２６０におけるスイッチング素子２３０のソース側の端部２６１（以下、「ソース側端部」という）と、ＰＦＣグランドＧ１との電位差を検出することにより、各スイッチング素子２３０のソース電流を検出する。

具体的には、検出部２５１は、当該電位差と、電流検出抵抗２６０の抵抗値とに基づいて、各スイッチング素子２３０のソース電流を算出し、その算出結果（検出結果）を制御部２５２に送信する。

制御部２５２は、検出したソース電流に基づいて、各スイッチング素子２３０のソース電流が均等になるように、各スイッチング素子２３０のスイッチング制御を行うように駆動部２４０を制御する。

電流検出抵抗２６０の抵抗値は、電流検出抵抗２６０のＰＦＣグランドＧ１側の端部２６２と、基板グランドＧ２とを接続する配線の配線抵抗の抵抗値よりも大きい。当該配線は、例えば、電流検出抵抗２６０のＰＦＣグランドＧ１側の端部から、ＰＦＣグランドＧ１と基板グランドとの接続点Ｐまでの配線である。また、上記の配線抵抗の抵抗値は、電流検出抵抗２６０の抵抗値と比較して、極めて小さな値である。

ここで、基板グランドＧ２には、力率改善部２００以外の回路等も接続されているため、基板グランドＧ２に流れる大電流と基板グランドＧ２のインピーダンスとによって生じるフロアノイズ等が発生する場合がある。そのため、例えば、電流検出抵抗２６０の抵抗値が、上記の配線抵抗の抵抗値よりも小さいような場合、基板グランドＧ２で発生するノイズに起因して、スイッチング素子２３０のソース電流が変動し、当該ソース電流を精度良く検出できない可能性がある。

しかし、本実施の形態では、電流検出抵抗２６０の抵抗値が上記の配線抵抗の抵抗値よりも大きいので、上記の配線間における電位差を、電流検出抵抗２６０の両端部における電位差に対して無視できるレベルの電位差とすることができる。その結果、基板グランドＧ２でノイズが発生しても、スイッチング素子２３０のソース電流を精度良く検出することができる。

ノイズ除去部２７０は、ノイズ除去抵抗２７１と、ノイズ除去コンデンサ２７２とで構成されるＲＣフィルタであり、所定のノイズを除去する。所定のノイズは、上記した基板で発生するフロアノイズや、スイッチング素子２３０のスイッチング制御に起因したスイッチングノイズ等が挙げられる。

ノイズ除去抵抗２７１は、電流検出抵抗２６０のソース側端部２６１と、ＰＦＣ制御部２５０との間とを接続する。

ノイズ除去コンデンサ２７２は、ノイズ除去抵抗２７１とＰＦＣ制御部２５０との間と、ＰＦＣグランドＧ１（基板グランドＧ２）との間とを接続する。

ここで、上記した所定のノイズが発生すると、各スイッチング素子２３０のソース電流が当該ノイズに起因して変動するので、ＰＦＣ制御部２５０により、ソース電流を精度良く検出できず、ひいてはスイッチング制御を正確に行うことができない可能性がある。

しかし、本実施の形態では、ノイズ除去部２７０が電流検出抵抗２６０のソース側端部２６１とＰＦＣ制御部２５０との間に設けられるので、上記のような所定のノイズを除去することができる。その結果、各スイッチング素子２３０のソース電流を精度良く検出し、ひいてはスイッチング制御を正確に行うことができる。

また、ノイズ除去コンデンサ２７２の一端２７２Ａと、一端２７２Ａに接続されるＰＦＣ制御部２５０との間の配線の長さ（第１配線長）および、ノイズ除去コンデンサ２７２の他端２７２Ｂと、他端２７２Ｂに接続されるＰＦＣ制御部２５０との間の配線の長さ（第２配線長）は、それぞれ、ノイズ除去コンデンサ２７２の他端２７２Ｂと、他端２７２Ｂに接続される基板グランドＧ２（ＰＦＣグランドＧ１と基板グランドＧ２との接続点Ｐ）との間の配線の長さ（第３配線長）よりも短い。

ノイズ除去コンデンサ２７２は、ノイズ除去後におけるノイズ低減の観点から、可能な限り、ＰＦＣ制御部２５０に近接させることが好ましい。そのため、第１配線長および第２配線長を、第３配線長よりも短くすることで、ノイズ除去コンデンサ２７２をＰＦＣ制御部２５０に近接させることができ、ひいては、ＰＦＣ制御部２５０におけるスイッチング素子２３０のソース電流の検出精度を向上させることができる。

また、ＰＦＣグランドＧ１（電流検出抵抗２６０）と基板グランドＧ２との接続点ＰからＰＦＣ制御部２５０までの配線の長さ（第４配線長）は、電流検出抵抗２６０のソース側端部２６１からＰＦＣ制御部２５０までの配線の長さ（第５配線長）以下である。

ＰＦＣ制御部２５０から接続点Ｐまでの配線が長いと、外来ノイズの影響を受けやすく、配線からノイズが発生しやすくなるので、ノイズ除去部２７０におけるノイズ除去効率が低下する。しかし、本実施の形態では、第４配線長が第５配線長以下であるので、上記の配線を短くでき、ひいてはノイズ除去効率を向上させることができる。

以上のように構成された本実施の形態によれば、電流検出抵抗２６０のソース側端部２６１とＰＦＣ制御部２５０との間にノイズ除去部２７０が設けられているので、スイッチングノイズやフロアノイズ等のノイズが発生しても、当該ノイズが除去されたソース電流をＰＦＣ制御部２５０（検出部２５１）により検出することができる。その結果、ソース電流の検出精度を向上させることができ、ひいては各スイッチング素子２３０におけるスイッチング制御を正確に行うことができる。

また、電流検出抵抗２６０の抵抗値が、電流検出抵抗２６０と基板グランドＧ２とをつなぐ配線の抵抗値よりも大きいので、基板グランドＧ２側で発生するノイズの影響を低減することができる。その結果、ソース電流の検出精度をさらに向上させることができる。

また、ノイズ除去コンデンサ２７２がＰＦＣ制御部２５０に近接しているので、スイッチング素子２３０の出力を、ノイズを除去した後、速やかにＰＦＣ制御部２５０に入力させることができる。そのため、ノイズ除去コンデンサ２７２がＰＦＣ制御部２５０から離れている構成と比較して、ソース電流の検出精度を向上させることができる。

また、ＰＦＣ制御部２５０から接続点Ｐまでの配線が短いので、ノイズ除去コンデンサ２７２におけるノイズ除去効率を向上させることができ、ひいてはソース電流の検出精度をさらに向上させることができる。

また、第１コンデンサ１３０が、整流部１２０と力率改善部２００の間に接続されているので、整流部１２０の出力におけるリップルを低減することができる。その結果、当該リップルに起因して、スイッチング素子２３０のソース電流が変動することを抑制し、ひいてはソース電流の検出精度を向上させることができる。

なお、上記実施の形態では、電流検出抵抗２６０と、ＰＦＣ制御部２５０（検出部２５１）との間に、ノイズ除去部２７０のみが設けられていたが、本開示はこれに限定されない。例えば、図２に示すように、電流検出抵抗２６０とノイズ除去部２７０との間にバッファ部２８０が設けられていても良い。図２に示す構成は、バッファ部２８０以外の構成は、図１に示す構成と同様である。

バッファ部２８０は、例えば、ボルテージフォロワであり、入力側（電流検出抵抗２６０側）と出力側（ノイズ除去部２７０側）のインピーダンスを整合させる。バッファ部２８０には、電流検出抵抗２６０ソース側端部２６１に係る電圧値が入力される。バッファ部２８０の出力は、ノイズ除去部２７０に入力される。

ここで、例えば、基板側のノイズの影響を低減する観点から、電流検出抵抗２６０の抵抗値を極端に大きな値とすると、スイッチング素子２３０のソース側における出力インピーダンスが増大する。出力インピーダンスが増大すると、その分、外来ノイズの影響を受けやすくなるので、検出部２５１により精度良く電圧値を検出できなくなる可能性がある。

しかし、本実施の形態では、バッファ部２８０によってインピーダンス変換することにより、検出部２５１への出力インピーダンスを低下させることができる。その結果、外来ノイズの影響を低減できるので、検出部２５１において、スイッチング素子２３０のソース電流を精度良く検出することができる。

また、バッファ部２８０によって、バッファ部２８０における入力側と、出力側とのインピーダンスを合わせることができるので、スイッチング素子２３０のソース電流をより精度良く検出することができる。

また、図３に示すように、電流検出抵抗２６０とノイズ除去部２７０との間に差動増幅部２９０が設けられていても良い。図３に示す構成は、差動増幅部２９０以外の構成は、図２に示す構成と同様である。差動増幅部２９０は、バッファ部２８０と、電流検出抵抗２６０との間に設けられている。

差動増幅部２９０の一方の入力には、抵抗Ｒ１を介して、スイッチング素子２３０のソースと、電流検出抵抗２６０との接続点に係る電圧値が入力される。抵抗Ｒ１の差動増幅部２９０側の端部は、抵抗Ｒ２を介して、差動増幅部２９０の出力に接続されている。

差動増幅部２９０の他方の入力には、抵抗Ｒ１と抵抗値が同じである抵抗Ｒ３を介して、電流検出抵抗２６０のＰＦＣグランドＧ１側の端部２６２に係る電圧値が入力される。抵抗Ｒ３の差動増幅部２９０側の端部は、抵抗Ｒ２と抵抗値が同じである抵抗Ｒ４を介して、ＰＦＣグランドＧ１に接続されている。

差動増幅部２９０には、電流検出抵抗２６０の両端部２６１，２６２における各電圧値が入力されるので、電流検出抵抗２６０部分の電位差のみを検出することができる。つまり、電流検出抵抗２６０のＰＦＣグランド側の端部２６２から基板グランドＧ２までの配線抵抗の影響を考慮する必要がないので、電流検出抵抗２６０の抵抗値を小さい値にすることができる。

また、差動増幅部２９０によって、差動増幅部２９０に入力される電圧値を検出部２５１において検出可能な電圧値に増幅させることができるので、検出部２５１におけるソース電流の検出精度をさらに向上させることができる。

また、差動増幅部２９０の後段に設けられるバッファ部２８０によって、差動増幅部２９０の出力がインピーダンス変換されることにより、バッファ部２８０における入力側と、出力側とのインピーダンスを合わせることができる。その結果、スイッチング素子２３０のソース電流をより精度良く検出することができる。

また、上記実施の形態では、電流検出抵抗２６０としてシャント抵抗を用いていたが、本開示はこれに限定されず、カレントトランス抵抗を用いても良い。

また、上記実施の形態では、ノイズ除去部２７０として、抵抗およびコンデンサで構成されるフィルタを用いていたが、本開示はこれに限定されず、当該フィルタ以外のフィルタ（例えば、ＬＣフィルタやアクティブフィルタ）を用いても良い。

また、図３に示す構成では、バッファ部２８０と電流検出抵抗２６０との間に差動増幅部２９０が設けられていたが、本開示はこれに限定されず、例えば、バッファ部２８０を設けずに、ノイズ除去部２７０と電流検出抵抗２６０との間に差動増幅部２９０を設けても良い。

また、上記実施の形態では、力率改善部２００と、駆動部２４０、ＰＦＣ制御部２５０、電流検出抵抗２６０およびノイズ除去部２７０とが別々に設けられた構成であったが、本開示はこれに限定されない。例えば、駆動部２４０、ＰＦＣ制御部２５０、電流検出抵抗２６０およびノイズ除去部２７０が、力率改善部２００に含まれた構成であっても良い。

また、上記実施の形態では、ＰＦＣ制御部２５０が検出部２５１および制御部２５２を含む構成であったが、本開示はこれに限定されず、検出部２５１と制御部２５２とが別々に設けられた構成であっても良い。また、検出部２５１は、各スイッチング素子２３０に対応して複数設けられていても良い。

その他、上記実施の形態は、何れも本開示を実施するにあたっての具体化の一例を示したものに過ぎず、これらによって本開示の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本開示はその要旨、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

本開示の車載充電器は、力率改善部におけるスイッチング素子の電流の検出精度を向上させることが可能な車載充電器として有用である。

１０ 外部交流電源
２０ バッテリー
１００ 車載充電器
１１０ 交流フィルタ
１２０ 整流部
１３０ 第１コンデンサ
１４０ 第２コンデンサ
１５０ ＤＣ／ＤＣ変換部
２００ 力率改善部
２１０ コイル
２２０ ダイオード
２３０ スイッチング素子
２４０ 駆動部
２４１ 抵抗
２５０ ＰＦＣ制御部
２５１ 検出部
２５２ 制御部
２６０ 電流検出抵抗
２７０ ノイズ除去部
２７１ ノイズ除去抵抗
２７２ ノイズ除去コンデンサ
２８０ バッファ部
２９０ 差動増幅部
Ｇ１ ＰＦＣグランド
Ｇ２ 基板グランド

Claims (8)

1. 整流部と、インダクタ、ダイオードおよびスイッチング素子を含む、インターリーブ式の力率改善部と、ＤＣ／ＤＣ変換部と、前記力率改善部を制御する制御部と、前記スイッチング素子のソース側端部の電流を検出し、その検出結果を前記制御部に送信する検出部と、を備える車載充電器であって、
   前記スイッチング素子のソースとグランドとの間を接続する電流検出抵抗と、
   前記電流検出抵抗の前記ソース側端部と、前記検出部との間に設けられるノイズ除去部と、
   を備える車載充電器。
2. 前記電流検出抵抗の抵抗値は、前記電流検出抵抗と前記グランドとをつなぐ配線の抵抗値よりも大きい、
   請求項１に記載の車載充電器。
3. 前記ノイズ除去部は、
   前記ソース側端部と前記検出部との間に設けられるノイズ除去抵抗と、
   前記ノイズ除去抵抗と前記検出部との間と、前記グランドとの間に設けられるノイズ除去コンデンサと、
   を有し、
   前記ノイズ除去コンデンサの一端と、前記一端に接続される前記検出部との間の配線の長さは、前記ノイズ除去コンデンサの他端と、前記他端に接続される前記グランドとの間の配線の長さよりも短い、
   請求項１または請求項２に記載の車載充電器。
4. 前記電流検出抵抗と前記グランドとの接続点から前記検出部までの配線の長さは、前記電流検出抵抗の前記ソース側端部から前記検出部までの配線の長さ以下である、
   請求項１〜３の何れか１項に記載の車載充電器。
5. 前記電流検出抵抗は、シャント抵抗またはカレントトランス抵抗である、
   請求項１〜４の何れか１項に記載の車載充電器。
6. 交流電力を全波整流して直流電力に変換し、当該直流電力を前記力率改善部に出力する整流部と、
   前記整流部と前記力率改善部との間に設けられるコンデンサと、
   を備える、
   請求項１〜５の何れか１項に記載の車載充電器。
7. 前記電流検出抵抗と前記ノイズ除去部との間に設けられ、前記電流検出抵抗側と前記ノイズ除去部側のインピーダンスを整合させるバッファ部を備える、
   請求項１〜６の何れか１項に記載の車載充電器。
8. 前記電流検出抵抗と前記ノイズ除去部との間に設けられる差動増幅部を備える、
   請求項１〜７の何れか１項に記載の車載充電器。

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