JP3286673B2 - 充電器用のコンバータ回路 - Google Patents

充電器用のコンバータ回路

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、複数の二次電池を
一括して充電する充電装置、特に電気自動車駆動用の二
次電池の充電に使用する充電器用のコンバータ回路に関
する。
【0002】
【従来の技術】電気自動車駆動用の二次電池を簡単な操
作によって効率よく充電させる充電装置が開発されつつ
あり、高周波トランスを使用した絶縁形の非接触方式の
充電装置が提案されている。
【0003】図3は、ハーフブリッジ形DC−DCコン
バータと昇圧形PFCを組み合わせたワンコンバータよ
り成る充電器の回路構成を示すブロック図である。図3
において、交流電源107からの交流入力は4つのダイ
オード108〜111より成る整流回路130によって
直流変換される。整流回路130のプラス側端子には昇
圧用リアクタ106が接続してあり、昇圧用リアクタ1
06の他端にアノード側を夫々接続した2つのダイオー
ド104と105のカソード側の両端には第2のスイッ
チング素子102のドレイン端子とソース端子が並列接
続してあり、第2のスイッチング素子102のソース端
子と整流回路130の接地側端子との間には第1のスイ
ッチング素子101のドレイン端子とソース端子が夫々
接続してあって第2と第1のスイッチング素子102と
101より成る直列回路を構成している。また、2つの
コンデンサ116と117より成る直列回路が、前記2
つのスイッチング素子より成る直列回路の両端に並列接
続してあり、2つのスイッチング素子同士の接続点と2
つのコンデンサ同士の接続点との間には高周波トランス
112の1次コイル113が接続してあり、その2次コ
イル114は充電器を構成する負荷115に接続してあ
る。
【0004】第1のスイッチング素子101と第2のス
イッチング素子102の夫々のゲート端子とソース端子
は、制御回路103からの制御信号を入力して交互にオ
ン・オフ制御され、トランス112を介して負荷115
に2つのスイッチング素子によって生成された高周波電
力を供給する。第1のスイッチング素子101がオンと
なると、整流回路130の出力電圧は昇圧用リアクタ1
06,ダイオード105を介して第1のスイッチング素
子101によって短絡され、昇圧用リアクタ106にエ
ネルギーが蓄積される。第1のスイッチング素子101
がオフとなると、昇圧用リアクタ106に蓄積されたエ
ネルギーはダイオード104を介して放出され、コンデ
ンサ116と117を充電する。第1のスイッチング素
子101がオンの時に昇圧用リアクタ106を流れる電
流の傾きは整流回路130の出力電圧に比例するので、
昇圧リアクタ106を流れる電流が不連続モード(DC
M)であり、第1のスイッチング素子101のオン期間
が一定であれば、入力電流の平均値は整流回路130の
出力電圧に比例する。従って、時比率制御等しなくても
力率を1にできる。しかし、周波数が一定であるとコン
デンサ116と117の両端の電圧は負荷電流によって
大幅に変化するので、負荷電圧の制御のために周波数制
御を行う必要がある。
【0005】上述した問題点を解決するために、ワンコ
ンバータを構成する複数のスイッチング素子を交互にオ
ン・オフ制御する制御回路として可変周波数磁気発振回
路(バンアレン回路)を適用すると、負荷電流によって
出力電圧が変動せず、かつ、回路構成が簡略化された制
御回路が実現できるので、この制御回路を使用したワン
コンバータ方式充電器が提案されている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】上述したワンコンバー
タ方式充電器においては、交流電源投入時に昇圧リアク
タとダイオードを介して並列コンデンサに向けて過大電
流が流れる。そのため、スイッチング素子やダイオード
には大きな電流ストレスが加わっていた。交流電源投入
直後における2つの並列コンデンサへの充電電圧は、図
7に示すように充電電圧が大きいばかりでなく、平衡し
ていない。また、昇圧リアクタと高周波トランスの1次
コイルを流れる電流L1 とTr1 は図8に示す通りであ
り、大きなピーク電流が流れる。
【0007】本発明は、上述した従来技術の欠点を解消
するためになされたものであって、昇圧リアクタに2次
コイルを設け、この2次コイルを介して2つの並列コン
デンサへの充電電圧を制限しようとするものである。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明による充電器のコ
ンバータ回路は、従来技術におけるワンコンバータ回路
の昇圧用リアクタに代えて、2次コイルを備えたリアク
タを設け、その1次コイルの一端は整流回路のプラス側
端子に接続すると共に他端はダイオード5を介して第1
のスイッチング素子のドレイン端子に接続し、1次コイ
ルと極性の異なる2次コイルの一端はダイオード4を介
して第2のスイッチング素子のドレイン端子に接続する
と共に他端を整流回路の接地側端子に接続した。また、
第2のスイッチング素子のソース端子をダイオード19
を介して第1のスイッチング素子のドレイン端子に接続
すると共に、ダイオード18を介して第1のスイッチン
グ素子のソース端子に接続した。従って、交流電源入力
時に並列コンデンサ16と17への充電電圧は阻止さ
れ、また、コンデンサ17に蓄積された充電エネルギー
はダイオード18を介して還流するようになる。
【0009】上述した本発明によるコンバータ回路は、
ハーフブリッジ接続したスイッチング素子によって構成
したものである。スイッチング素子をフルブリッジ接続
したコンバータ回路によると、回路構成は多少複雑にな
るが、電源投入時における突入電流を大幅に抑制できる
ので、抵抗と電磁接触器またはサイリスタやトライアッ
クによる位相制御等による突入電流の抑制手段は不要と
なる。
【0010】フルブリッジ接続した4つのスイッチング
素子より成る充電器用のコンバータ回路は、ダイオード
を介して第1と第2のスイッチング素子を直列接続した
第1のハーフブリッジ回路と、同じくダイオードを介し
て第3と第4のスイッチング素子を直列接続した第2の
ハーフブリッジ回路を並列接続することによってフルブ
リッジ回路を構成した。整流回路からの直流電力を夫々
のスイッチング素子に供給するために、整流回路のプラ
ス側端子に1端を並列接続した2つの1次コイルと、整
流回路のマイナス側端子に1端を並列接続した2つの2
次コイルを有する第1と第2のリアクタを設け、第1の
リアクタの1次コイルの他端をダイオードを介して第1
のスイッチング素子のドレイン端子に接続すると共に第
2のリアクタの1次コイルの他端をダイオードを介して
第3のスイッチング素子のドレイン端子に接続し、さら
に、2次コイルの他端同士は夫々ダイオードを介して第
2のスイッチング素子のドレイン端子に接続した。ま
た、可変周波数発振器を備えた制御回路によって、フル
ブリッジ回路における夫々2組のスイッチング素子を交
互にオン・オフ制御して高周波電力を生成させ、第1の
ハーフブリッジ回路における第2のスイッチング素子の
ソース端子と第2のハーフブリッジ回路における第4の
スイッチング素子のソース端子の間に1次コイルを接続
した高周波トランスを設け、高周波トランスの2次コイ
ルを介して充電器へ高周波電力を供給する。従って、昇
圧型コンバータとして交互にオン・オフ動作する第1の
スイッチング素子と第3のスイッチング素子の時比率を
制御すると、電源投入時における突入電流を大幅に抑制
することが可能となる。
【0011】
【発明の実施の形態】以下、本発明による実施例を図面
を参照しながら説明する。図1と図2は、本発明による
充電器用のコンバータ回路の回路構成を示すブロック図
である。
【0012】図1に、本発明による第1の実施例である
ハーフブリッジ接続したワンコンバータ方式の充電器用
のコンバータ回路を示す。整流回路30は4つのダイオ
ード8〜11によって構成しており、整流回路30のプ
ラス側端子にはリアクタ21の1次コイル22の一端が
接続してある。リアクタ21の1次コイル22の他端は
ダイオード5を介して第1のスイッチング素子1のドレ
イン端子に接続してあり、また、2次コイル23の一端
はダイオード4を介して第2のスイッチング素子2のド
レイン端子に接続すると共に2次コイル23の他端は整
流回路30の接地側端子と接続してある。
【0013】第1のスイッチング素子1のドレイン端子
は、カソード側を接続したダイオード19を介して第2
のスイッチング素子2のソース端子に接続してあるの
で、第2のスイッチング素子2,ダイオード19,第1
のスイッチング素子1より成るハーフブリッジ回路は、
リアクタ21の2次コイル23への並列回路を構成して
いる。また、第1のスイッチング素子1と第2のスイッ
チング素子2の夫々のゲート端子とソース端子は可変周
波数発振回路またはVFコンバータより成る制御回路3
に接続してあり、制御回路3の出力する制御信号によ
り、2つのスイッチング素子1と2は交互にオン・オフ
制御される。
【0014】コンデンサ16と17より成る直列回路
は、第2のスイッチング素子2のドレイン端子と第1の
スイッチング素子1のソース端子の間に並列接続してあ
る。また、第2のスイッチング素子2のソース端子とコ
ンデンサ16と17の中間接続点との間には高周波トラ
ンス12の1次コイル13が接続してあり、2次コイル
14は充電器を構成する負荷15に接続してあって、2
つのスイッチング素子1と2によって生成された高周波
電力を負荷15に供給する。なお、第2のスイッチング
素子2のソース端子と第1のスイッチング素子1のソー
ス端子との間にはダイオード18が並列接続してあっ
て、コンデンサ17に蓄積された充電エネルギーを還流
させる。
【0015】上述した回路構成によると、交流電源を投
入しても整流回路30によって生成された直流電圧はダ
イオード19によって阻止され、並列コンデンサ16と
17は充電されない。第1のスイッチング素子1がオン
となると、整流回路30の出力電圧はリアクタ21の1
次コイル22とダイオード5を介して短絡され、リアク
タ21にエネルギーが蓄積される。次に、第1のスイッ
チング素子がオフとなり第2のスイッチング素子2がオ
ンとなると、リアクタ21に蓄積されたエネルギーはリ
アクタ21の2次コイル23を介して並列コンデンサ1
6と17を充電する。第1のスイッチング素子を起動さ
せる場合の入力電圧は投入位相によって変化するので、
入力電圧に対応させて第1のスイッチング素子の時比率
を制御回路3によって制御し、コンデンサへの充電電流
を制御できる。従って、コンデンサ16と17への充電
電圧は、図4に示すC1 とC2 に示すように緩やかに立
上り、コンデンサ間の電圧差が小さいものとなる。2つ
のコンデンサ16と17への充電電圧の平衡に伴って、
高周波トランス12の1次コイル13を流れる偏磁電流
も小さくなり、この結果、高周波トランス12の1次コ
イル電流Tr1も図5に示すように低減される。また、リ
アクタ21の2次コイル22の一端は接地してあるの
で、並列コンデンサ16と17への充電電圧も低くな
り、第1のスイッチング素子1がオンとなった時にリア
クタ21の1次コイル22を流れる電流L1 も図5に示
すようにピーク値は低減される。
【0016】次に、本発明による第2の実施例であるフ
ルブリッジ接続したスイッチング素子より成るワンコン
バータ方式の充電器用のコンバータ回路の回路構成を図
2に示す。図2において、整流回路60は4つのダイオ
ード46〜49によって構成しており、整流回路60の
プラス側端子は第1のリアクタ51の1次コイルの1端
および第2のリアクタ52の1次コイルの1端に接続し
てある。第1のリアクタ51の1次コイルの他端はダイ
オード43を介して第1のスイッチング素子32のドレ
イン端子に、第2のリアクタ52の1次コイルの他端は
ダイオード44を介して第3のスイッチング素子34の
ドレイン端子に接続してある。また、第1リアクタ51
の2次コイルの1端と第2のリアクタ52の2次コイル
の1端とは整流回路60のマイナス側端子に並列接続し
てあり、夫々の2次コイルの他端はダイオード41と4
2を介して並列接続してある。
【0017】ダイオード41と42の接続点と整流回路
60のマイナス側端子との間に接続してあるコンデンサ
45の両端には、第2のスイッチング素子31,ダイオ
ード39,第1のスイッチング素子32より成る第1の
ハーフブリッジ回路が並列接続してあり、また、第4の
スイッチング素子33,ダイオード40,第3のスイッ
チング素子34より成る第2のハーフブリッジ回路も並
列接続してあり、2組のハーフブリッジ回路によってフ
ルブリッジ回路を構成している。さらに、ダイオード3
5と36より成る直列回路が第1のハーフブリッジ回路
に並列接続してあり、2つのダイオード同士の接続点は
第2のスイッチング素子31のソース端子に接続してあ
る。また、ダイオード37と38より成る直列回路が第
2のハーフブリッジ回路に並列接続してあり、2つのダ
イオード同士の接続点は第4のスイッチング素子33の
ソース端子に接続してある。
【0018】第2のスイッチング素子31のソース端子
と第4のスイッチング素子33のソース端子の間には高
周波トランス54の1次コイル56が接続してあり、そ
の2次コイル57は充電器を構成する負荷55に接続し
てあって、フルブリッジ回路によって生成された高周波
電力を負荷55に供給する。フルブリッジ回路を構成す
る4つのスイッチング素子31〜34における夫々のゲ
ート端子とソース端子は制御回路53に接続してあっ
て、4組の駆動回路を構成している。可変周波数発振回
路またはVFコンバータより成る制御回路53は、第1
のスイッチング素子と第4のスイッチング素子より成る
グループと、第2のスイッチング素子と第3のスイッチ
ング素子より成るグループを交互にオン・オフ制御す
る。
【0019】第1のスイッチング素子がオンすると第1
のリアクタ51の1次コイルを流れる電流は直線的に上
昇し、第1のスイッチング素子がオフとなると第1のリ
アクタ51に蓄積されたエネルギーは2次コイルを介し
てコンデンサ45を充電させる。第1のスイッチング素
子と第4のスイッチング素子が同時にオンすると、コン
デンサ45の充電電圧が高周波トランス54の1次コイ
ル56に印加される。次に、第3のスイッチング素子が
オンすると第2のリアクタ52の1次コイルを流れる電
流は直線的に上昇し、第3のスイッチング素子がオフと
なると第2のリアクタに蓄積されたエネルギーは2次コ
イルを介してコンデンサ45を充電させる。第3のスイ
ッチング素子と第2のスイッチング素子が同時にオンす
ると、コンデンサ45の充電電圧が逆極性で高周波トラ
ンス54の1次コイル56に印加される。即ち、第1の
スイッチング素子と第3のスイッチング素子は昇圧型コ
ンバータとして動作すると共に、インバータとしても動
作するものである。上述した昇圧型コンバータを不連続
モード(DCM)で動作させるので、入力電流の包絡線
や平均値は入力電圧に略比例し、入力力率がよく、高調
波電流も小さくなり、小型のフィルタで対応できる。ま
た、第1のスイッチング素子と第3のスイッチング素子
の時比率を制御回路53によって制御することによっ
て、電源投入時における突入電流(コンデンサ45への
充電電流)を抑制できるので、突入電流制御回路を設け
る必要はなくなる。
【0020】図6は、フルブリッジ回路によって構成し
た充電器用のコンバータ回路における電源投入時の電圧
・電流特性である。昇圧型スイッチング素子の時比率を
0.1,0.2,0.3,0.4および0.5と0.5
ms毎に切り替えた場合のコンデンサ電圧(高周波トラ
ンスの1次コイル電圧)と1次電流(整流器の出力電
流)を示しており、突入電流は大幅に抑制され、コンデ
ンサへの充電電圧の立上りも緩やかになることが判る。
【0021】
【発明の効果】以上説明したように、本発明による充電
器用のコンバータ回路は、2次コイルを備えたリアクタ
とハーフブリッジ接続したスイッチング回路、およびハ
ーフブリッジ接続した2つのスイッチング素子を交互に
オン・オフ制御する可変周波数発振回路より成る制御回
路によって構成した第1の実施例と、2次コイルを夫々
備えた2つのリアクタとフルブリッジ接続したスイッチ
ング回路、およびフルブリッジ接続した4つのスイッチ
ング素子を2グループに分割して交互にオン・オフ制御
する可変周波数発振回路より成る制御回路によって構成
した第2の実施例に示すコンバータ回路である。従っ
て、電源投入時における突入電流を昇圧用のスイッチン
グ素子の時比率制御によって大幅に抑制できるので、突
入電流抑制のために設けていた抵抗と電磁接触器、また
はトライアックやサイリスタを付加して行っていた位相
制御等は不要となった。また、ワンコンバータで構成し
ているので、スイッチング素子や制御回路が半分で済
み、入力力率が高く、高周波電流も小さいので小型の入
力フィルタでよい。従って小型で高効率な経済性に優れ
た信頼性の高いコンバータを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による第1の実施例の回路構成を示すブ
ロック図。
【図2】本発明による第2の実施例の回路構成を示すブ
ロック図。
【図3】従来技術によるワンコンバータ方式充電器の回
路構成を示すブロック図。
【図4】本発明による充電器用のコンバータ回路(ハー
フブリッジ回路)におけるコンデンサへの充電電圧特
性。
【図5】本発明による充電器用のコンバータ回路(ハー
フブリッジ回路)におけるリアクタと高周波トランスへ
の充電電流特性。
【図6】本発明による充電器用のコンバータ回路(ハー
フブリッジ回路)における電源投入時の電圧・電流特
性。
【図7】従来技術によるワンコンバータ方式充電器のコ
ンデンサへの充電電圧特性。
【図8】従来技術によるワンコンバータ方式充電器の昇
圧リアクタと高周波トランスへの充電電流特性。
【符号の説明】
1,2,31〜34 スイッチング素子 3,53 制御回路 4,5,8〜11,18,19,35〜44,46〜4
9 ダイオード 16,17,45 コンデンサ 12,54 高周波トランス 15,55 負荷 21,51,52 リアクタ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H02J 7/00 - 7/12 H02J 7/34 - 7/36 H02M 3/335

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 交流入力を直流変換するダイオードより
    成る単相全波整流回路と、 ダイオード(19)を介して第1のスイッチング素子と
    第2のスイッチング素子を直列接続して構成したハーフ
    ブリッジ回路と、 前記整流回路のプラス側端子に1端を接続すると共に、
    他端をダイオード(5)を介して第1のスイッチング素
    子のドレイン端子に接続した1次コイルと、ダイオード
    (4)を介して第2のスイッチング素子のドレイン端子
    に接続すると共に、他端を前記整流回路のマイナス側端
    子に接続した2次コイルより成るリアクタと、 前記ハーフブリッジ回路の両端に並列接続した2つのコ
    ンデンサより成る直列回路と、 前記第2のスイッチング素子のソース端子と第1のスイ
    ッチング素子のソース端子との間に並列接続したダイオ
    ード(18)と、 前記第2のスイッチング素子のソース端子と前記2つの
    コンデンサの中間接続点との間に接続した1次コイル
    と、充電器を構成する負荷に高周波電力を供給する2次
    コイルより成る高周波トランスと、 前記第1のスイッチング素子のゲート端子とソース端、
    および第2のスイッチング素子のゲート端子とソース端
    子に、夫々接続した2つの駆動回路を有し、第1のスイ
    ッチング素子と第2のスイッチング素子を交互にオン・
    オフ制御する可変周波数発振回路より成る制御回路と、 によって構成したことを特徴とする充電器用のコンバー
    タ回路。
  2. 【請求項2】 第1のスイッチング素子の時比率を制御
    することにより、電源投入時における突入電流を抑制さ
    せることを特徴とする請求項1に記載の充電器用のコン
    バータ回路。
  3. 【請求項3】 交流入力を直流変換して出力するダイオ
    ードより成る単相全波整流回路と、 ダイオード(39)を介して第1のスイッチング素子と
    第2のスイッチング素子を直列接続して構成した第1の
    ハーフブリッジ回路と、ダイオード(40)を介して第
    3のスイッチング素子と第4のスイッチング素子を直列
    接続して構成した第2のハーフブリッジ回路とを並列接
    続して構成したフルブリッジ回路と、 前記整流回路のプラス側端子に1端を接続し、他端をダ
    イオード(43)を介して第1のスイッチング素子のド
    レイン端子に接続した1次コイルと、前記整流回路のマ
    イナス側端子に1端を接続し、他端をダイオード(4
    1)を介して第2のスイッチング素子のドレイン端子に
    接続した2次コイルより成る第1のリアクタと、 前記整流回路のプラス側端子に1端を接続し、他端をダ
    イオード(44)を介して第3のスイッチング素子のド
    レイン端子に接続した1次コイルと、前記整流回路のマ
    イナス側端子に1端を接続し、他端をダイオード(4
    2)を介して第2のスイッチング素子のドレイン端子と
    接続した2次コイルより成る第2のリアクタと、 第1のハーフブリッジ回路の両端に並列接続したコンデ
    ンサと、 第2のスイッチング素子のドレイン端子とソース端子と
    の間に並列接続したダイオードと、第2のスイッチング
    素子のソース端子と第1のスイッチング素子のソース端
    子との間に並列接続したダイオードより成る2つのダイ
    オードの直列回路と、 第4のスイッチング素子のドレイン端子とソース端子と
    の間に並列接続したダイオードと、第4のスイッチング
    素子のソース端子と第3のスイッチング素子のソース端
    子との間に並列接続したダイオードより成る2つのダイ
    オードの直列回路と、 第2のスイッチング素子のソース端子と第4のスイッチ
    ング素子のソース端子との間に接続した1次コイルと、
    充電器を構成する負荷に高周波電力を供給する2次コイ
    ルより成る高周波トランスと、 前記フルブリッジ回路における4つのスイッチング素子
    のゲート端子とソース端子に夫々接続した4つの駆動回
    路を有し、第1のスイッチング素子と第4のスイッチン
    グ素子のグループ、および第2のスイッチング素子と第
    3のスイッチング素子のグループを交互にオン・オフ制
    御する可変周波数発振器より成る制御回路と、 によって構成したことを特徴とする充電器用のコンバー
    タ回路。
  4. 【請求項4】 交互にオン・オフ動作する第1のスイッ
    チング素子と第3のスイッチング素子の時比率を制御す
    ることにより、電源投入時における突入電流を制御させ
    ることを特徴とする請求項3に記載の充電器用のコンバ
    ータ回路。
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