JP2023123010A - 充電システム - Google Patents

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淳志 関
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Abstract

【課題】突入電流を抑制できる充電システムを提供する。【解決手段】ＡＣ／ＤＣコンバータは、入力ノードＮｉｎ１及び入力ノードＮｉｎ２を介して交流電源ＰＳに接続される。ＤＣ／ＤＣコンバータは、中間ノードＮｍｉｄ１及び中間ノードＮｍｉｄ２と出力ノードＮｏｕｔ１及び出力ノードＮｏｕｔ２との間に接続される。ＤＣ／ＤＣコンバータは、絶縁トランスＴＲと１次側回路２１と２次側回路２２と、を含む。１次側回路は、絶縁トランスの１次側に配される。１次側回路は、複数のスイッチング素子ＳＷ１１～ＳＷ１４を含む。２次側回路は、絶縁トランスの２次側に配される。制御回路は、ＡＣ／ＤＣコンバータ及びＤＣ／ＤＣコンバータの起動時に第１の周波数でスイッチング素子を動作させ、ＡＣ／ＤＣコンバータ及びＤＣ／ＤＣコンバータの定常動作時に第２の周波数でスイッチング素子を動作させる。第１の周波数は、第２の周波数より高い。【選択図】図１

Description

本開示は、充電システムに関する。
交流電源及び電池の間に接続される充電システムは、交流電源から受ける交流電力を直流電力に変換し、その直流電力を他の直流電力に変換し、他の直流電力で電池を充電する（例えば、特許文献１参照）。
特表２０１３－５１６９５５号公報
充電システムでは、交流電源による交流電力の供給が開始される起動時において、変換される直流電力が過渡期的に不安定になることなどにより、突入電流が発生することがある。このとき、充電システムでは、突入電流を抑制することが望まれる。
本開示は、突入電流を抑制できる充電システムを提供する。
本開示に係る充電システムは、ＡＣＤＣコンバータとＤＣＤＣコンバータと制御回路とを有する。ＡＣＤＣコンバータは、第１の入力ノード及び第２の入力ノードと第１の中間ノード及び第２の中間ノードとの間に接続される。ＡＣＤＣコンバータは、第１の入力ノード及び第２の入力ノードを介して交流電源に接続される。ＤＣＤＣコンバータは、第１の中間ノード及び第２の中間ノードと第１の出力ノード及び第２の出力ノードとの間に接続される。ＤＣＤＣコンバータは、第１の出力ノード及び第２の出力ノードを介して電池に接続可能である。ＤＣＤＣコンバータは、絶縁トランスと１次側回路と２次側回路とを含む。１次側回路は、絶縁トランスの１次側に配される。１次側回路は、複数のスイッチング素子を含む。２次側回路は、絶縁トランスの２次側に配される。制御回路は、ＡＣＤＣコンバータ及びＤＣＤＣコンバータの起動時に第１の周波数でスイッチング素子を動作させる。制御回路は、ＡＣＤＣコンバータ及び前記ＤＣＤＣコンバータの定常動作時に第２の周波数でスイッチング素子を動作させる。第１の周波数は、第２の周波数より高い。
本開示に係る充電システムによれば、突入電流を抑制できる。
実施形態に係る充電システムの構成を示す回路図。 実施形態におけるＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御及びＰＦＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御を示す波形図。 実施形態に係る充電システムの動作を示すフローチャート。 実施形態におけるスイッチング素子の動作周波数と充電システムの電圧ゲインとの関係を示す図。 実施形態に係る充電システムの動作を示す波形図。 実施形態に係る充電システムの動作を示す波形図。
以下、図面を参照しながら、本開示に係る充電システムの実施形態について説明する。
（実施形態）
実施形態にかかる充電システムでは、交流電源及び電池の間に接続され、交流電源の交流電力を直流電力に変換して電池に充電可能であるが、交流電源による交流電力の供給が開始される起動時における突入電流を抑制するための工夫が施される。例えば、充電システム１は、図１に示すように構成され得る。図１は、充電システム１の構成を示す回路図である。
充電システム１は、交流電源ＰＳと電池ＢＴとの間に接続される。充電システム１は、ＡＣＤＣコンバータ１０、ＤＣＤＣコンバータ２０、及び制御回路３０を有する。ＤＣＤＣコンバータ２０は、例えば、ＬＬＣコンバータである。充電システム１は、制御回路３０による制御のもと、交流電源ＰＳからの交流電圧ＶｉｎをＡＣＤＣコンバータ１０で昇圧しながら直流電圧Ｖｓｕｂに変換し、変換後の直流電圧ＶｓｕｂをＤＣＤＣコンバータ２０で降圧しながら充電用の直流電圧Ｖｏｕｔに変換し電池ＢＴに充電する。例えば、充電システム１は電気自動車又はハイブリッド車に搭載される車載充電器であってもよく、交流電源ＰＳは家庭又は充電スタンドにおける電力系統であってもよく、電池ＢＴは車載電池であってもよい。
充電システム１は、入力ノードＮｉｎ１が交流電源ＰＳの一端に接続され、入力ノードＮｉｎ２が交流電源ＰＳの他端に接続される。充電システム１は、出力ノードＮｏｕｔ１が電池ＢＴの正極に接続され、出力ノードＮｏｕｔ２が電池ＢＴの負極に接続される。
充電システム１において、制御回路３０は、ＡＣＤＣコンバータ１０及びＤＣＤＣコンバータ２０の起動時に、ＡＣＤＣコンバータ１０におけるスイッチング素子とＤＣＤＣコンバータ２０におけるスイッチング素子とをそれぞれＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御する。充電システム１は、ＡＣＤＣコンバータ１０及びＤＣＤＣコンバータ２０の定常動作時に、ＡＣＤＣコンバータ１０におけるスイッチング素子をＰＷＭ制御し、ＤＣＤＣコンバータ２０におけるスイッチング素子をＰＦＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御する。
ＰＷＭ制御は、図２（ａ）、図２（ｂ）に示すように、制御信号のレベルに応じてパルス信号のパルス幅を変調するような制御である。図２は、ＰＷＭ制御及びＰＦＭ制御を示す波形図である。制御回路３０は、制御信号のレベルの基準レベルからの変化量に応じて、パルス幅を基準パルス幅から変化させる。このとき、周期は任意であるが、周期を一定に維持してもよい。
ＰＷＭ制御する場合、制御回路３０は、図２（ａ）に示す制御信号に応じて図２（ｂ）に示すＰＷＭ変調波を生成する。例えば、制御信号の基準レベルを最大振幅Ａｍａｘとし、ＰＷＭ制御の基準パルス幅を最大パルス幅Ｗｍａｘとする。制御信号の最大振幅Ａｍａｘを受け、制御回路３０は、制御信号の最大振幅Ａｍａｘに応じてＰＷＭ変調波のパルス幅を最大パルス幅（基準パルス幅）Ｗｍａｘにする。制御信号の最小振幅Ａｍｉｎを受け、制御回路３０は、制御信号の最小振幅Ａｍｉｎの最大振幅Ａｍａｘからの変化量に応じて、ＰＷＭ制御のパルス幅を最大パルス幅（基準パルス幅）Ｗｍａｘから減少させ、最小パルス幅Ｗｍｉｎにする。
このとき、周期を一定Ｔに維持していれば、制御回路３０は、制御信号のレベルの基準レベルからの変化量に応じて、デューティ比を基準デューティ比から変化させる。例えば、制御信号の基準レベルを最大振幅Ａｍａｘとし、ＰＷＭ変調波の基準デューティ比を最大デューティ比Ｄｍａｘとする。制御信号の最大振幅Ａｍａｘを受け、制御回路３０は、制御信号の最大振幅Ａｍａｘに応じてＰＷＭ変調波のデューティ比を最大デューティ比（基準デューティ比）Ｄｍａｘにする。これにより、制御回路３０は、ＰＷＭ変調波のパルス幅を最大パルス幅Ｗｍａｘ（＝Ｔ×Ｄｍａｘ）とする。制御信号の最小振幅Ａｍｉｎを受け、制御回路３０は、制御信号の最小振幅Ａｍｉｎの最大振幅Ａｍａｘからの変化量に応じて、ＰＷＭ変調波のデューティ比を減少させ、最小デューティ比Ｄｍｉｎにする。これにより、制御回路３０は、ＰＷＭ制御のパルス幅を最小パルス幅Ｗｍｉｎ（＝Ｔ×Ｄｍｉｎ）にする。
ＰＦＭ制御は、図２（ａ）、図２（ｃ）に示すように、制御信号のレベルに応じてパルス信号の周波数を変調するような制御である。制御回路３０は、制御信号のレベルの基準レベルからの変化量に応じて、周波数を基準周波数から変化させる。このとき、パルス幅は任意であるが、パルス幅を一定に維持してもよいし、デューティ比を一定に維持してもよい。図２（ｃ）では、パルス幅を一定に維持する場合が例示される。
ＰＦＭ制御する場合、制御回路３０は、図２（ａ）に示す制御信号に応じて図２（ｃ）に示すＰＦＭ変調波を生成する。例えば、制御信号の基準レベルを最大振幅Ａｍａｘとし、ＰＦＭ制御の基準周波数を最大周波数Ｆｍａｘとする。あるいは、ＰＦＭ制御の基準周期を最小周期Ｔｍｉｎとする。制御信号の最大振幅Ａｍａｘを受け、制御回路３０は、制御信号の最大振幅Ａｍａｘに応じてＰＦＭ変調波の周波数を最大周波数（基準周波数）Ｆｍａｘにする。制御信号の最小振幅Ａｍｉｎを受け、制御回路３０は、制御信号の最小振幅Ａｍｉｎの最大振幅Ａｍａｘからの変化量に応じて、ＰＦＭ制御の周波数を最大周波数（基準周波数）Ｆｍａｘから減少させ、最小周波数Ｆｍｉｎにする。あるいは、制御回路３０は、制御信号の最小振幅Ａｍｉｎの最大振幅Ａｍａｘからの変化量に応じて、ＰＦＭ制御の周期を最小周期（基準周期）Ｔｍｉｎから増加させ、最大周期Ｔｍａｘにする。
図１に戻り、充電システム１は、ＡＣＤＣコンバータ１０、ＤＣＤＣコンバータ２０、及び制御回路３０に加えて、ＡＣフィルタ２、容量素子Ｃ１、ＤＣフィルタ３、電圧センサＶＳ１～ＶＳ３、電流センサＣＳ１，ＣＳ２を有する。
ＡＣフィルタ２は、入力ノードＮｉｎ１，Ｎｉｎ２とＡＣＤＣコンバータ１０との間に接続される。ＡＣフィルタ２は、一端が入力ノードＮｉｎ１とＡＣＤＣコンバータ１０の入力ノード１０ａとの間に接続され、他端が入力ノードＮｉｎ２とＡＣＤＣコンバータ１０の入力ノード１０ｂとの間に接続される。ＡＣフィルタ２は、ＡＣＤＣコンバータ１０側からノイズ成分が流出する場合、ノイズ成分に対してフィルタ処理を施し減衰させる。これにより、ＡＣフィルタ２は、ＡＣＤＣコンバータ１０側からノイズ成分が交流電源ＰＳへ流出することを防止できる。
ＡＣＤＣコンバータ１０は、入力ノードＮｉｎ１，Ｎｉｎ２と中間ノードＮｍｉｄ１，Ｎｍｉｄ２との間に接続される。ＡＣＤＣコンバータ１０は、入力ノードＮｉｎ１，Ｎｉｎ２を介して交流電源ＰＳに接続可能である。ＡＣＤＣコンバータ１０は、ＡＣフィルタ２と中間ノードＮｍｉｄ１，Ｎｍｉｄ２との間に接続される。ＡＣＤＣコンバータ１０は、交流電力の力率改善を行いつつ直流電力に変換するために、ＰＦＣ（Ｐｏｗｅｒ Ｆａｃｔｏｒ Ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ）回路が用いられる。
ＡＣＤＣコンバータ１０は、例えばＰＦＣ回路として、複数の整流素子Ｄ１～Ｄ６、複数の誘導素子Ｌ１，Ｌ２、複数のスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２を有する。整流素子Ｄ１～Ｄ４がブリッジ接続されてブリッジ回路が構成される。この構成では、ブリッジ回路にて交流電圧を全波整流した後、スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２のスイッチング動作で誘導素子Ｌ１，Ｌ２へのエネルギーの蓄積と放出とが繰り返され、それに応じて、整流素子Ｄ５，Ｄ６を介した容量素子Ｃ１に対する電流の停止と注入とが繰り返される。これにより、ＡＣＤＣコンバータ１０は、交流電流の位相を交流電圧の位相に近づけながら直流電圧Ｖｓｕｂを生成でき、力率改善を図ることができる。
整流素子Ｄ１は、入力ノード１０ａから出力ノード１０ｃに向かう方向に整流する。整流素子Ｄ１は、例えばダイオードであり、アノードが入力ノード１０ａに接続され、カソードが誘導素子Ｌ１及び整流素子Ｄ５を介して出力ノード１０ｃに接続される。
整流素子Ｄ２は、入力ノード１０ｂから出力ノード１０ｃに向かう方向に整流する。整流素子Ｄ２は、例えばダイオードであり、アノードが入力ノード１０ｂに接続され、カソードが誘導素子Ｌ１及び整流素子Ｄ５を介して出力ノード１０ｃに接続される。
整流素子Ｄ３は、入力ノード１０ａから出力ノード１０ｄに向かう方向に整流する。整流素子Ｄ３は、例えばダイオードであり、アノードが入力ノード１０ａに接続され、カソードが出力ノード１０ｄに接続される。
整流素子Ｄ４は、入力ノード１０ｂから出力ノード１０ｄに向かう方向に整流する。整流素子Ｄ４は、例えばダイオードであり、アノードが入力ノード１０ｂに接続され、カソードが出力ノード１０ｄに接続される。
整流素子Ｄ１，Ｄ２と出力ノード１０ｃとの間には、誘導素子Ｌ１及び整流素子Ｄ５の直列接続と誘導素子Ｌ２及び整流素子Ｄ６の直列接続とが並列に接続される。誘導素子Ｌ１及び整流素子Ｄ５の間のノード１０ｅと出力ノード１０ｄとの間には、スイッチング素子ＳＷ１が接続される。誘導素子Ｌ２及び整流素子Ｄ６の間のノード１０ｆと出力ノード１０ｄとの間には、スイッチング素子ＳＷ２が接続される。
誘導素子Ｌ１は、整流素子Ｄ１，Ｄ２とノード１０ｅとの間に接続される。誘導素子Ｌ１は、例えばコイルであり、一端が整流素子Ｄ１，Ｄ２に接続され、他端がノード１０ｅに接続される。誘導素子Ｌ１は、電磁エネルギーの蓄積・放出を行うことでＡＣＤＣコンバータ１０の力率改善に寄与し得る。
整流素子Ｄ５は、ノード１０ｅから出力ノード１０ｃに向かう方向に整流する。整流素子Ｄ５は、例えばダイオードであり、アノードがノード１０ｅに接続され、カソードが出力ノード１０ｃに接続される。
誘導素子Ｌ２は、整流素子Ｄ１，Ｄ２とノード１０ｅとの間に接続される。誘導素子Ｌ２は、例えばコイルであり、一端が整流素子Ｄ１，Ｄ２に接続され、他端がノード１０ｆに接続される。誘導素子Ｌ２は、電磁エネルギーの蓄積・放出を行うことでＡＣＤＣコンバータ１０の力率改善に寄与し得る。
整流素子Ｄ６は、ノード１０ｆから出力ノード１０ｃに向かう方向に整流する。整流素子Ｄ６は、例えばダイオードであり、アノードがノード１０ｆに接続され、カソードが出力ノード１０ｃに接続される。
スイッチング素子ＳＷ１は、ノード１０ｅと整流素子Ｄ３，Ｄ４との間に接続される。スイッチング素子ＳＷ１は、制御回路３０からの制御信号に応じて、ノード１０ｅと整流素子Ｄ３，Ｄ４との間を電気的に接続・遮断させる。スイッチング素子ＳＷ１は、例えば、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ型のトランジスタであり、ソースが整流素子Ｄ３，Ｄ４に接続され、ドレインがノード１０ｅに接続され、ゲートが制御回路３０に接続される。
スイッチング素子ＳＷ１は、制御回路３０からアクティブレベルの制御信号をゲートで受けた際にオンしてノード１０ｅと整流素子Ｄ３，Ｄ４とを電気的に接続する。スイッチング素子ＳＷ１は、制御回路３０からノンアクティブレベルの制御信号をゲートで受けた際にオフしてノード１０ｅと整流素子Ｄ３，Ｄ４とを電気的に遮断する。
スイッチング素子ＳＷ２は、ノード１０ｆと整流素子Ｄ３，Ｄ４との間に接続される。スイッチング素子ＳＷ２は、制御回路３０からの制御信号に応じて、ノード１０ｆと整流素子Ｄ３，Ｄ４との間を電気的に接続・遮断させる。スイッチング素子ＳＷ２は、例えば、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ型のトランジスタであり、ソースが整流素子Ｄ３，Ｄ４に接続され、ドレインがノード１０ｆに接続され、ゲートが制御回路３０に接続される。
スイッチング素子ＳＷ２は、制御回路３０からアクティブレベルの制御信号をゲートで受けた際にオンしてノード１０ｆと整流素子Ｄ３，Ｄ４とを電気的に接続する。スイッチング素子ＳＷ２は、制御回路３０からノンアクティブレベルの制御信号をゲートで受けた際にオフしてノード１０ｆと整流素子Ｄ３，Ｄ４とを電気的に遮断する。
容量素子Ｃ１は、ＡＣＤＣコンバータ１０とＤＣＤＣコンバータ２０との間に接続される。容量素子Ｃ１は、例えばアルミ電解コンデンサやフィルムコンデンサ、セラミックコンデンサなどの平滑コンデンサであり、一端が中間ノードＮｍｉｄ１に接続され、他端が中間ノードＮｍｉｄ２に接続される。容量素子Ｃ１は、電荷の放電・充電を行うことで、ＡＣＤＣコンバータ１０の力率改善に寄与でき、直流電圧Ｖｓｕｂを生成できる。
ＤＣＤＣコンバータ２０は、例えばＬＬＣコンバータである。ＤＣＤＣコンバータ２０は、中間ノードＮｍｉｄ１，Ｎｍｉｄ２と出力ノードＮｏｕｔ１，Ｎｏｕｔ２との間に接続される。ＤＣＤＣコンバータ２０は、入力ノード２０ａ，２０ｂが中間ノードＮｍｉｄ１，Ｎｍｉｄ２に接続され、出力ノード２０ｃ，２０ｄが出力ノードＮｏｕｔ１，Ｎｏｕｔ２に接続される。ＤＣＤＣコンバータ２０は、出力ノードＮｏｕｔ１，Ｎｏｕｔ２を介して電池ＢＴに接続可能である。ＤＣＤＣコンバータ２０は、中間ノードＮｍｉｄ１，Ｎｍｉｄ２とＤＣフィルタ３との間に接続される。ＤＣＤＣコンバータ２０は、入力側（１次側）と出力側（２次側）との絶縁分離を行いつつ直流電力を充電用の直流電力に変換するために、絶縁トランスＴＲが用いられる。
ＤＣＤＣコンバータ２０は、例えば、１次側回路２１、絶縁トランスＴＲ、２次側回路２２を有する。１次側回路２１は、複数のスイッチング素子ＳＷ１１～ＳＷ１４及び容量素子Ｃ１１を含む。絶縁トランスＴＲは、１次巻線Ｌ１１、２次巻線Ｌ１２、コアＣＲ１を含む。２次側回路２２は、複数の整流素子Ｄ１１～Ｄ１４を含む。
スイッチング素子ＳＷ１１は、入力ノード２０ａとノード２０ｅとの間に接続される。スイッチング素子ＳＷ１１は、制御回路３０からの制御信号に応じて、入力ノード２０ａとノード２０ｅの間を電気的に接続・遮断させる。スイッチング素子ＳＷ１１は、例えば、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ型のトランジスタであり、ソースがノード２０ｅに接続され、ドレインが入力ノード２０ａに接続され、ゲートが制御回路３０に接続される。
スイッチング素子ＳＷ１１は、制御回路３０からアクティブレベルの制御信号をゲートで受けた際にオンして入力ノード２０ａとノード２０ｅを電気的に接続する。スイッチング素子ＳＷ１１は、制御回路３０からノンアクティブレベルの制御信号をゲートで受けた際にオフして入力ノード２０ａとノード２０ｅとを電気的に遮断する。
スイッチング素子ＳＷ１２は、入力ノード２０ａとノード２０ｆとの間に接続される。スイッチング素子ＳＷ１２は、制御回路３０からの制御信号に応じて、入力ノード２０ａとノード２０ｆの間を電気的に接続・遮断させる。スイッチング素子ＳＷ１２は、例えば、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ型のトランジスタであり、ソースがノード２０ｆに接続され、ドレインが入力ノード２０ａに接続され、ゲートが制御回路３０に接続される。
スイッチング素子ＳＷ１２は、制御回路３０からアクティブレベルの制御信号をゲートで受けた際にオンして入力ノード２０ａとノード２０ｆを電気的に接続する。スイッチング素子ＳＷ１２は、制御回路３０からノンアクティブレベルの制御信号をゲートで受けた際にオフして入力ノード２０ａとノード２０ｆとを電気的に遮断する。
スイッチング素子ＳＷ１３は、ノード２０ｅと入力ノード２０ｂとの間に接続される。スイッチング素子ＳＷ１３は、制御回路３０からの制御信号に応じて、ノード２０ｅと入力ノード２０ｂとの間を電気的に接続・遮断させる。スイッチング素子ＳＷ１３は、例えば、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ型のトランジスタであり、ソースが入力ノード２０ｂに接続され、ドレインがノード２０ｅに接続され、ゲートが制御回路３０に接続される。
スイッチング素子ＳＷ１３は、制御回路３０からアクティブレベルの制御信号をゲートで受けた際にオンしてノード２０ｅと入力ノード２０ｂとを電気的に接続する。スイッチング素子ＳＷ１３は、制御回路３０からノンアクティブレベルの制御信号をゲートで受けた際にオフしてノード２０ｅと入力ノード２０ｂとを電気的に遮断する。
スイッチング素子ＳＷ１４は、ノード２０ｆと入力ノード２０ｂとの間に接続される。スイッチング素子ＳＷ１４は、制御回路３０からの制御信号に応じて、ノード２０ｆと入力ノード２０ｂとの間を電気的に接続・遮断させる。スイッチング素子ＳＷ１４は、例えば、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ型のトランジスタであり、ソースが入力ノード２０ｂに接続され、ドレインがノード２０ｆに接続され、ゲートが制御回路３０に接続される。
スイッチング素子ＳＷ１４は、制御回路３０からアクティブレベルの制御信号をゲートで受けた際にオンしてノード２０ｆと入力ノード２０ｂとを電気的に接続する。スイッチング素子ＳＷ１４は、制御回路３０からノンアクティブレベルの制御信号をゲートで受けた際にオフしてノード２０ｆと入力ノード２０ｂとを電気的に遮断する。
なお、各スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ１１～ＳＷ１４がＮチャネルＭＯＳＦＥＴであることを前提にトランジスタの電極をドレイン、ゲート、ソースと記載しているが、各スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ１１～ＳＷ１４がＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）の場合は、ドレインをコレクタ、ソースをエミッタと読み替えることができる。
容量素子Ｃ１１は、ノード２０ｅと１次巻線Ｌ１１との間に接続される。容量素子Ｃ１１は、一端がノード２０ｅに接続され、他端が１次巻線Ｌ１１の一端に接続される。容量素子Ｃ１１は、１次巻線Ｌ１１とともに共振動作を行うことで、スイッチング素子ＳＷ１１～ＳＷ１４によるスイッチング損失を低減できる。
絶縁トランスＴＲにおいて、１次巻線Ｌ１１は、２次巻線Ｌ１２から電気的に絶縁され、コアＣＲ１を介して２次巻線Ｌ１２に磁気的に結合される。１次巻線Ｌ１１及び２次巻線Ｌ１２は、それぞれ、例えばコイルである。絶縁トランスＴＲは、フライバック型で構成され得る。図１に●で示すように、コアＣＲ１内の磁力線が通る経路に対して、１次巻線Ｌ１１と２次巻線Ｌ１２とは、互いに逆方向に巻き回されている。絶縁トランスＴＲは、１次巻線Ｌ１１は、２次巻線Ｌ１２が互いに磁気的に結合されていれば、コアＣＲ１が省略された構成であってもよい。
１次巻線Ｌ１１は、一端が容量素子Ｃ１１を介してノード２０ｅに接続され、他端がノード２０ｆに接続される。２次巻線Ｌ１２は、一端がノード２０ｇに接続され、他端がノード２０ｈに接続される。
整流素子Ｄ１１は、ノード２０ｇから出力ノード２０ｃに向かう方向に整流する。整流素子Ｄ１１は、例えばダイオードであり、アノードがノード２０ｇに接続され、カソードが出力ノード２０ｃに接続される。
整流素子Ｄ１２は、ノード２０ｆから出力ノード２０ｃに向かう方向に整流する。整流素子Ｄ１２は、例えばダイオードであり、アノードがノード２０ｆに接続され、カソードが出力ノード２０ｃに接続される。
整流素子Ｄ１３は、出力ノード２０ｄからノード２０ｇに向かう方向に整流する。整流素子Ｄ１３は、例えばダイオードであり、アノードが出力ノード１０ｄに接続され、カソードがノード２０ｇに接続される。
整流素子Ｄ１４は、出力ノード２０ｄからノード２０ｈに向かう方向に整流する。整流素子Ｄ１４は、例えばダイオードであり、アノードが出力ノード２０ｄに接続され、カソードがノード２０ｈに接続される。
ＤＣフィルタ３は、ＤＣＤＣコンバータ２０と出力ノードＮｏｕｔ１，Ｎｏｕｔ２との間に接続される。ＤＣフィルタ３は、一端がＤＣＤＣコンバータ２０と出力ノードＮｏｕｔ１との間に接続され、他端がＤＣＤＣコンバータ２０と出力ノードＮｏｕｔ２との間に接続される。ＤＣフィルタ３２は、ＤＣフィルタ３から供給された直流電力に対してフィルタ処理を施して電池ＢＴへ供給する。これにより、ＤＣフィルタ３は、直流電力に含まれるノイズを低減して電池ＢＴへ供給することができる。
電圧センサＶＳ１は、充電システム１の入力電圧Ｖｉｎを検知する。電圧センサＶＳ１は、入力ノード１０ａ及び入力ノード１０ｂの間の電圧を入力電圧Ｖｉｎとして検知する。電圧センサＶＳ１は、検知された入力電圧Ｖｉｎを制御回路３０へ供給する。
電圧センサＶＳ２は、充電システム１の出力電圧Ｖｏｕｔを検知する。電圧センサＶＳ２は、出力ノード２０ｃ及び出力ノード２０ｄの間の電圧を出力電圧Ｖｏｕｔとして検知する。電圧センサＶＳ２は、検知された出力電圧Ｖｏｕｔを制御回路３０へ供給する。
電圧センサＶＳ３は、充電システム１の電圧Ｖｓｕｂを検知する。電圧センサＶＳ３は、中間ノードＮｍｉｄ１及び中間ノードＮｍｉｄ２の間の電圧を電圧Ｖｓｕｂとして検知する。電圧センサＶＳ３は、検知された電圧Ｖｓｕｂを制御回路３０へ供給する。
電流センサＣＳ１は、充電システム１の入力電流Ｉｉｎを検知する。電流センサＣＳ１は、入力ノードＮｉｎ１及び入力ノード１０ａの間に流れる電流を入力電流Ｉｉｎとして検知する。電流センサＣＳ１は、検知された入力電流Ｉｉｎを制御回路３０へ供給する。
電流センサＣＳ２は、充電システム１の出力電流Ｉｏｕｔを検知する。電流センサＣＳ２は、出力ノード２０ｃ及び出力ノードＮｏｕｔ１の間に流れる電流を出力電流Ｉｏｕｔとして検知する。電流センサＣＳ２は、検知された出力電流Ｉｏｕｔを制御回路３０へ供給する。
制御回路３０は、ＡＣＤＣコンバータ１０及びＤＣＤＣコンバータ２０の起動時に、ＡＣＤＣコンバータ１０におけるスイッチング素子とＤＣＤＣコンバータ２０におけるスイッチング素子とをそれぞれＰＷＭ制御する。このとき、制御回路３０は、ＤＣＤＣコンバータ２０におけるスイッチング素子の動作周波数を定常動作時の周波数Ｆｏｐより高い周波数Ｆｓｔａｒｔに制御する。周波数Ｆｓｔａｒｔは、周波数Ｆｏｐより絶縁トランスＴＲの共振周波数に近い。このため、制御回路３０は、スイッチング素子の動作周波数を周波数Ｆｓｔａｒｔに制御することで、ＤＣＤＣコンバータ２０の出力側より絶縁トランスＴＲの出力電圧が低くなるように制御できる。
起動時において、制御回路３０は、周波数Ｆｓｔａｒｔでスイッチング素子の動作を開始させる。制御回路３０は、ＤＣＤＣコンバータ２０におけるスイッチング素子の動作周波数を周波数Ｆｓｔａｒｔに維持しながらＰＷＭ制御の基準デューティ比を初期値（例えば、ゼロ）から所定のデューティ比まで増加させる。その後、制御回路３０は、ＰＷＭ制御の基準デューティ比を所定のデューティ比に維持しながらスイッチング素子の動作周波数を周波数Ｆｓｔａｒｔから周波数Ｆｏｐまで減少させる。制御回路３０は、スイッチング素子の動作周波数を徐々に又は段階的に周波数Ｆｓｔａｒｔから周波数Ｆｏｐまで減少させる。これにより、制御回路３０は、ＤＣＤＣコンバータ２０の出力側より絶縁トランスＴＲの出力電圧が低い状態からＤＣＤＣコンバータ２０の出力側より絶縁トランスＴＲの出力電圧が高い状態へ徐々に又は段階的に遷移させることができる。この結果、スイッチング素子のゲート信号を適切に調整でき、充電システム１の起動時における突入電流を抑制できる。
制御回路３０は、ＡＣＤＣコンバータ１０及びＤＣＤＣコンバータ２０の定常動作時に、ＡＣＤＣコンバータ１０におけるスイッチング素子をＰＷＭ制御し、ＤＣＤＣコンバータ２０におけるスイッチング素子をＰＦＭ制御する。制御回路３０は、ＤＣＤＣコンバータ２０におけるスイッチング素子に対して、所定の周波数をＰＦＭ制御の基準周波数としながら制御信号のレベルに応じて周波数を可変させて制御する。
例えば、制御回路３０は、起動時に図３に示すような制御を行う。図３は、充電システム１の動作を示すフローチャートである。
充電システム１において、制御回路３０は、起動指令を受けるまで（Ｓ１でＮｏ）待機し、起動指令を受けると（Ｓ１でＹｅｓ）、ＡＣＤＣコンバータ１０を起動させるとともに、ＤＣＤＣコンバータ２０に対して動作周波数ＦｓｔａｒｔでＰＷＭ制御（Ｓ２）を開始する。制御回路３０は、予め取得された電圧ゲイン－負荷－周波数の対応情報（図４参照）を用いて、ＤＣＤＣコンバータ２０における絶縁トランスＴＲの出力電圧が電池ＢＴの電圧より低くなる周波数ＦｓｔａｒｔでＤＣＤＣコンバータ２０を起動させる。すなわち、動作周波数Ｆｓｔａｒｔでスイッチング素子ＳＷ１１～ＳＷ１４のスイッチング動作を開始させる。
動作周波数Ｆｓｔａｒｔは、図４に示すように、定常動作時の動作周波数Ｆｏｐより高い。図４は、スイッチング素子ＳＷ１１～ＳＷ１４の動作周波数と充電システム１の電圧ゲインとの関係を示す図である。図４では、スイッチング素子ＳＷ１１～ＳＷ１４の動作周波数と充電システム１の電圧ゲインとの関係が、異なる複数の電池ＢＴの負荷状態について例示されている。図４に示すように、動作周波数Ｆｓｔａｒｔは、動作周波数Ｆｏｐより絶縁トランスＴＲの共振周波数Ｆ０に近い。このため、動作周波数Ｆｓｔａｒｔに対応する充電システム１の電圧ゲインＧｓｔａｒｔは、複数の負荷状態のいずれにおいても、動作周波数Ｆｏｐに対応する充電システム１の電圧ゲインＧｏｐより低い。これに応じて、制御回路３０は、スイッチング素子の動作周波数を周波数Ｆｓｔａｒｔに制御することで、電池ＢＴの負荷状態に関わらず、ＤＣＤＣコンバータ２０の出力側より絶縁トランスＴＲの出力電圧が低くなるように制御できる。
図３に戻って、ＰＷＭ制御を開始すると、制御回路３０は、ＰＷＭ制御の基準デューティ比を調整する（Ｓ２１）。制御回路３０は、スイッチング素子Ｓ１１～Ｓ１４の動作周波数を周波数Ｆｓｔａｒｔに維持しながら（スイッチング素子Ｓ１１～Ｓ１４の動作周期を周期Ｔｓｔａｒｔに維持しながら）ＰＷＭ制御の基準デューティ比を初期値から所定のデューティ比まで増加させる。所定のデューティ比は、例えば略０．５であり、デッドタイムを設ける場合、０．４５～０．４９とすることができる。周期Ｔｓｔａｒｔは、周波数Ｆｓｔａｒｔに対応する周期である。
例えば、図５（ａ）に示すように、制御回路３０は、スイッチング素子ＳＷ１１，ＳＷ１４のゲート信号ＱＡ，ＱＤを周波数Ｆｓｔａｒｔに応じた周期Ｔ１で生成する。このとき、制御回路３０は、ＰＷＭ制御の基準デューティ比を初期値（＝０）からＤ１に増加させる。制御回路３０は、スイッチング素子ＳＷ１１，ＳＷ１４のゲート信号ＱＡ，ＱＤを基準デューティ比Ｄ１に応じた基準パルス幅Ｔ１×Ｄ１でＰＷＭ変調して生成する。同様に、図５（ｂ）に示すように、制御回路３０は、スイッチング素子ＳＷ１２，ＳＷ１３のゲート信号ＱＢ，ＱＣを周期Ｔ１及び基準パルス幅Ｔ１×Ｄ１でＰＷＭ変調して生成する。なお、ゲート信号ＱＡ，ＱＤとゲート信号ＱＢ，ＱＣとは相補的にＨレベルに維持される。
図５（ｃ）に示すように、制御回路３０は、スイッチング素子ＳＷ１１，ＳＷ１４のゲート信号ＱＡ，ＱＤの周波数をＦｓｔａｒｔに維持しながら（周期をＴ１に維持しながら）ＰＷＭ制御の基準デューティ比をＤ１からＤ２（＞Ｄ１）に増加させる。制御回路３０は、スイッチング素子ＳＷ１１，ＳＷ１４のゲート信号ＱＡ，ＱＤを基準デューティ比Ｄ２に応じた基準パルス幅Ｔ１×Ｄ２でＰＷＭ変調して生成する。同様に、図５（ｄ）に示すように、制御回路３０は、スイッチング素子ＳＷ１２，ＳＷ１３のゲート信号ＱＢ，ＱＣを周期Ｔ１及び基準パルス幅Ｔ１×Ｄ２でＰＷＭ変調して生成する。
図５（ｅ）に示すように、制御回路３０は、スイッチング素子ＳＷ１１，ＳＷ１４のゲート信号ＱＡ，ＱＤの周波数をＦｓｔａｒｔに維持しながら（周期をＴ１に維持しながら）ＰＷＭ制御の基準デューティ比をＤ２からＤ３（＞Ｄ２）に増加させる。制御回路３０は、スイッチング素子ＳＷ１１，ＳＷ１４のゲート信号ＱＡ，ＱＤを基準デューティ比Ｄ３に応じた基準パルス幅Ｔ１×Ｄ３でＰＷＭ変調して生成する。同様に、図５（ｆ）に示すように、制御回路３０は、スイッチング素子ＳＷ１２，ＳＷ１３のゲート信号ＱＢ，ＱＣを周期Ｔ１及び基準パルス幅Ｔ１×Ｄ３でＰＷＭ変調して生成する。
図３に戻って、基準デューティ比の調整（Ｓ２１）が完了すると、制御回路３０は、周波数を調整する（Ｓ２２）。制御回路３０は、スイッチング素子ＳＷ１１～ＳＷ１４のゲート信号の基準デューティ比を所定のデューティ比に維持した状態でスイッチング素子ＳＷ１１～ＳＷ１４の動作周波数を周波数Ｆｓｔａｒｔから周波数をＦｏｐに減少させる。
例えば、図６（ａ）に示すように、制御回路３０は、スイッチング素子ＳＷ１１，ＳＷ１４のゲート信号ＱＡ，ＱＤを周波数Ｆｓｔａｒｔに応じた周期Ｔ１及び基準デューティ比Ｄ３に応じた基準パルス幅Ｔ１×Ｄ３でＰＷＭ変調して生成する。同様に、図６（ｂ）に示すように、制御回路３０は、スイッチング素子ＳＷ１２，ＳＷ１３のゲート信号ＱＢ，ＱＣを周期Ｔ１及び基準パルス幅Ｔ１×Ｄ３でＰＷＭ変調して生成する。
図６（ｃ）に示すように、制御回路３０は、スイッチング素子ＳＷ１１，ＳＷ１４のゲート信号ＱＡ，ＱＤのＰＷＭ制御の基準デューティ比をＤ３に維持しながら周波数をＦｓｔａｒｔからＦ２（＜Ｆｓｔａｒｔ）に減少させる。制御回路３０は、スイッチング素子ＳＷ１１，ＳＷ１４のゲート信号ＱＡ，ＱＤを周波数Ｆ２に応じた周期Ｔ２（＞Ｔ１）及び基準デューティ比Ｄ３に応じた基準パルス幅Ｔ２×Ｄ３でＰＷＭ変調して生成する。同様に、図６（ｄ）に示すように、制御回路３０は、スイッチング素子ＳＷ１２，ＳＷ１３のゲート信号ＱＢ，ＱＣを周期Ｔ２及び基準パルス幅Ｔ２×Ｄ３でＰＷＭ変調して生成する。
図６（ｅ）に示すように、制御回路３０は、スイッチング素子ＳＷ１１，ＳＷ１４のゲート信号ＱＡ，ＱＤのＰＷＭ制御の基準デューティ比をＤ３に維持しながら周波数をＦ２からＦｏｐ（＜Ｆ２）に減少させる。制御回路３０は、スイッチング素子ＳＷ１１，ＳＷ１４のゲート信号ＱＡ，ＱＤを周波数Ｆｏｐに応じた周期Ｔ３（＞Ｔ２）及び基準デューティ比Ｄ３に応じた基準パルス幅Ｔ３×Ｄ３でＰＷＭ変調して生成する。同様に、図６（ｆ）に示すように、制御回路３０は、スイッチング素子ＳＷ１２，ＳＷ１３のゲート信号ＱＢ，ＱＣを周期Ｔ３及び基準パルス幅Ｔ３×Ｄ３でＰＷＭ変調して生成する。
図３に戻って、周波数の調整（Ｓ２２）を完了すると、制御回路３０は、周波数Ｆｏｐを基準周波数としてＰＦＭ制御を行う（Ｓ３）。
以上のように、充電システム１において、制御回路３０は、起動時に、定常動作時より高い周波数Ｆｓｔａｒｔでスイッチング素子ＳＷ１１～ＳＷ１４の動作を開始させる。制御回路３０は、その周波数Ｆｓｔａｒｔを維持しながらスイッチング素子のゲート信号の基準デューティ比を所定のデューティ比にする。制御回路３０は、スイッチング素子のゲート信号の基準デューティ比を所定のデューティ比に維持した状態でスイッチング素子の動作周波数を周波数Ｆｓｔａｒｔから定常動作用の周波数Ｆｏｐに減少させる。制御回路３０は、ＰＷＭ制御の基準デューティ比をＤ３に維持した状態でスイッチング素子ＳＷ１１～ＳＷ１４の動作周波数をＦｓｔａｒｔからＦｏｐに徐々に又は段階的に減少させる。これにより、充電システム１において、電池の負荷状態に関わらず、起動時に突入電流を抑制でき、スイッチング素子ＳＷ１１～ＳＷ１４のゲート信号を適切に調整できる。
なお、絶縁トランスＴＲの２次巻線Ｌ１２の両端電圧、又は片方の端子電圧（例えば、図１に示すノード２０ｈ又はノード２０ｄの電圧）を検出する電圧検出回路を追加して検出電圧が制御回路３０に供給されるようにしてもよい。この場合、制御回路３０は、起動時及び／又は定常動作時に絶縁トランスＴＲの２次巻線Ｌ１２の両端電圧又は片方の端子電圧を観測する。２次巻線Ｌ１２の両端電圧は、正負電圧の矩形波として観測され、片方の端子電圧は、正電圧の矩形波として観測される。制御回路３０は、観測結果に応じて、出力電圧Ｖｏｕｔより低くなるように起動時の周波数Ｆｓｔａｒｔを決定してもよい。これにより、絶縁トランスＴＲの出力電圧と電池ＢＴの電圧との差を極力小さくして、より低周波で起動動作を行うことができる。定常動作時の周波数と起動周波数が近い方が、短時間で起動完了できる。そして、この電圧の大小関係を崩さないようＰＷＭ制御の基準デューティ比を略０．５（例えば、０．４５～０．４９）まで増加させ、突入電流が流れない程度に徐々に周波数を変化させ、所望の電力伝送動作に到達させる点は、実施形態と同様である。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
１ 充電システム
１０ ＡＣＤＣコンバータ
２０ ＤＣＤＣコンバータ
３０ 制御回路

Claims (7)

  1. 第１の入力ノード及び第２の入力ノードと第１の中間ノード及び第２の中間ノードとの間に接続され、前記第１の入力ノード及び前記第２の入力ノードを介して交流電源に接続されるＡＣＤＣコンバータと、
    前記第１の中間ノード及び前記第２の中間ノードと第１の出力ノード及び第２の出力ノードとの間に接続され、前記第１の出力ノード及び前記第２の出力ノードを介して電池に接続可能であり、絶縁トランスと前記絶縁トランスの１次側に配され複数のスイッチング素子を含む１次側回路と前記絶縁トランスの２次側に配される２次側回路とを含むＤＣＤＣコンバータと、
    前記ＡＣＤＣコンバータ及び前記ＤＣＤＣコンバータの起動時に第１の周波数で前記スイッチング素子の動作を開始させ、前記ＡＣＤＣコンバータ及び前記ＤＣＤＣコンバータの定常動作時に第２の周波数で前記スイッチング素子を動作させる制御回路と、
    を備え、
    前記第１の周波数は、前記第２の周波数より高い
    充電システム。
  2. 前記ＤＣＤＣコンバータは、ＬＬＣコンバータである
    請求項１に記載の充電システム。
  3. 前記第１の周波数は、前記第２の周波数より前記絶縁トランスの共振周波数に近い
    請求項１に記載の充電システム。
  4. 前記制御回路は、前記ＡＣＤＣコンバータ及び前記ＤＣＤＣコンバータの起動時に、前記スイッチング素子の動作周波数を前記第１の周波数に維持しながら前記スイッチング素子のゲート信号の基準デューティ比を所定のデューティ比にする
    請求項１に記載の充電システム。
  5. 前記制御回路は、前記ＡＣＤＣコンバータ及び前記ＤＣＤＣコンバータの起動時に、前記スイッチング素子の動作周波数を前記第１の周波数に維持しながら前記スイッチング素子のゲート信号の基準デューティ比をゼロから前記所定のデューティ比まで増加させる
    請求項４に記載の充電システム。
  6. 前記制御回路は、前記ＡＣＤＣコンバータ及び前記ＤＣＤＣコンバータの起動時に、前記スイッチング素子のゲート信号の基準デューティ比を前記所定のデューティ比に維持した状態で前記スイッチング素子の動作周波数を前記第１の周波数から前記第２の周波数に減少させる
    請求項４に記載の充電システム。
  7. 前記制御回路は、前記スイッチング素子の動作周波数を徐々に又は段階的に前記第１の周波数から前記第２の周波数に減少させる
    請求項６に記載の充電システム。
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