JP4137175B2

JP4137175B2 - Ｄｃ−ｄｃコンバータ

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Publication number: JP4137175B2
Application number: JP2007514940A
Authority: JP
Inventors: 公禎小林
Original assignee: Shindengen Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Shindengen Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2005-05-12
Filing date: 2005-05-12
Publication date: 2008-08-20
Anticipated expiration: 2025-05-12
Also published as: EP1881580A1; JPWO2006120741A1; WO2006120741A1; US20080129117A1; US7880441B2; EP1881580A4

Description

本発明は、燃料電池の所要の電力を得るＤＣ−ＤＣコンバータに関するものである。

従来の燃料電池や太陽電池等を入力源とし、出力側に負荷Ｒｏと二次電池Ｂとを並列に接続して充電機能を備えたＤＣ−ＤＣコンバータを図１１に示す。図１１に示すＤＣ−ＤＣコンバータを備えたＤＣ−ＤＣコンバータは、電力給電時に出力インピーダンスの作用で低下する入力電圧を一定電圧化制御し、入力定電力化を図る手段として、入力給電電力Ｐinが出力給電電力Ｐoutより小さいときは、入力電圧が一定電圧化されて、出力電圧が垂下状態となり、入力給電電力Ｐinが出力給電電力Ｐoutより大きいときは、入力電圧が上昇して、出力電圧が一定電圧になる手段を採っていた（太陽電池に関しては、例えば特許文献１参照）。
特開平１１−３４１６９９号公報

しかし、入力給電電力Ｐinが出力給電電力Ｐoutより大きいときは、入力電圧が上昇する。そのため、特に燃料電池を入力源とした場合、燃料電池は化学反応により発電するため、急激な電圧環境の変化により、電池の劣化を招くという課題が生じた。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、出力側の電力給電を入力側の燃料電池の給電電力と同じとする一定電力化制御を図ることにより、電池出力電圧の上昇を抑制し劣化を防止する新規のＤＣ−ＤＣコンバータを提供する。

上記課題を解決するために、本発明に係るＤＣ−ＤＣコンバータは、電力供給時の出力インピーダンスが比較的大きい燃料電池や太陽電池等を入力源とするＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、出力に一つの巻線に巻回され、その巻線数比で電圧値が決定される磁気結合により構成される任意負荷への出力と二次電池への出力を備え、該二次電池の出力と該負荷との間に第二のコンバータを接続してあるとともに、該二次電池に接続される電流制御回路は、前記磁気結合の作用のために該負荷の電流が減少すると、該二次電池へ流入する充電電流を増加させ、該負荷の電流が増加すると、該二次電池への充電電流を減少させるように制御し、該二次電池の出力電圧が設定する垂下電圧にて維持されるように構成してあることを特徴とする。

前記電流制御回路は、前記二次電池の出力電圧と基準電圧とを比較して制御量を出力する比較手段と、この制御量に応じてオン・オフする半導体スイッチを備え、このオン・オフにより該二次電池の定電流制御を行う定電流制御手段とを備えてあることを特徴とする。

前記定電流制御手段は、前記比較手段の出力部に接続する第一のレベル変換手段を備え、この第一のレベル変換手段は、前記二次電池の正側出力端に接続してあるとともに、前記半導体スイッチの制御端子に接続してあり、該半導体スイッチの出力端子に第二のレベル変換手段を接続し、この第二のレベル変換手段は、ＤＣ−ＤＣコンバータの負側出力端に接続してあるとともに、第二の半導体スイッチの制御端子に接続し、この第二の半導体スイッチの出力端子は該二次電池の入力端子に接続してあり、前記負荷の電流が減少すると、該二次電池へ流入する充電電流を増加させ、該負荷の電流が増加すると、該二次電池への充電電流を減少させるように制御し、該二次電池の出力電圧が設定する垂下電圧にて維持されるように構成してあることを特徴とする。

前記入力源の電圧を検出し、任意に設定可能な電圧制御入力と比較制御し、その制御量から入力電圧を定電圧化制御する機能を備えてあることを特徴とする。

本発明によれば、出力側に負荷と二次電池を備え、二次電池に電流制御回路を接続し、負荷の電流が減少すると、二次電池への充電電流は電流制御回路により増加し、負荷の電流が増加すると、二次電池への充電電流が減少するように制御構成したことにより、全体の出力給電電力を一定電力化でき入力電圧（例えば燃料電池出力）を一定電圧制御できる効果がある。

また、本発明に係るＤＣ−ＤＣコンバータによれば、出力電圧は設定する垂下点で安定化されるため負荷に安定電力を給電できる効果もある。

さらに、本発明に係るＤＣ−ＤＣコンバータによれば、給電する燃料電池電力を安定化制御するコンバータと負荷電圧調整用コンバータの２つのコンバータを単一コンバータの多出力化により一体化構成としているため、高効率化が求められるシステムにおいては有効な手段である。

本発明に係るＤＣ−ＤＣコンバータにおける発明を実施するための最良の形態の回路図である。本発明ＤＣ−ＤＣコンバータの要部の一実施例を示す回路図である。図２とは別の実施例を示す回路図である。図２及び図３とは別の実施例を示す回路図である。図２乃至図４とは別の実施例を示す回路図である。電流制御回路が機能しない場合の電力特性を示す動作波形図である。電流制御回路が機能する場合の電力特性を示す動作波形図である。本発明ＤＣ−ＤＣコンバータの要部の一実施例を示す回路図である。第二のコンバータ周辺の動作波形図である。図１図示ＤＣ−ＤＣコンバータとは別のＤＣ−ＤＣコンバータの実施例の回路図である。従来の充電機能を備えたＤＣ−ＤＣコンバータを示す回路図である。

符号の説明

Ｖfc 入力源（燃料電池）
Ｖset 電圧制御入力
ＶRo 負荷電圧
Ｖbatt 充電電圧
Ｖls 比較電圧
Ｉbatt 充電電流
Ｒｏ負荷
Ｂ二次電池
１第一のコンバータ
２動作状態検出回路
１０，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ電流制御回路
１１比較回路
１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ定電流制御回路
２０充電回路
３０第二のコンバータ
＃Ａ，＃Ｆ差動増幅器
＃Ｂ，Compａ比較器
＃Ｃ電圧検出器
＃Ｄ，＃Ｅ，＃Ｇ，＃Ｈ増幅器
Ｑ１第一のコンバータ１の制御用スイッチ
Ｑ２，Ｑ３ａ，Ｑ３ｂ，Ｑ１０半導体スイッチ
Ｒ１，Ｒ２抵抗
Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５，Ｒ６，Ｒ７，Ｒ８，Ｒ２２，Ｒ２３，Ｒａ，Ｒｂ，Ｒｃ，Ｒｄ分圧抵抗
Ｒｍ，Ｒ２４電流検出抵抗
Ｒef１，Ｒef２，Ｒefａ基準電圧
Ｄ１，Ｄａダイオード

発明を実施するための最良の形態の回路図を図１に示す。図１図示のＤＣ−ＤＣコンバータは、電力供給時の出力インピーダンスＺが比較的大きい燃料電池を入力源Ｖfcとして使用している。なお、本実施例では燃料電池を入力源Ｖfcとして使用しているが、太陽電池その他出力インピーダンスが比較的大きいものでも本発明を実施することができる。ＤＣ−ＤＣコンバータは第一のコンバータ１を備え、この第一のコンバータ１は出力側に２つの出力として負荷Ｒｏへの出力と二次電池Ｂへの出力が接続してある。また、二次電池Ｂと負荷Ｒｏとの間には第二のコンバータ３０を接続している。

第一のコンバータ１の二次電池Ｂへの出力には分圧抵抗Ｒ３，Ｒ４を接続し、この分圧抵抗Ｒ３，Ｒ４の接続点に電流制御回路１０を接続してある。この電流制御回路１０は二次電池Ｂの負極にも接続してある。この電流制御回路１０は負荷Ｒｏの電流が減少すると、二次電池Ｂへ流入する充電電流Ｉbattを増加させるようにしてある。また、負荷Ｒｏの電流が増加すると、二次電池Ｂへの充電電流Ｉbattを減少させるように制御し、出力電圧が設定する垂下電圧にて維持されるようにしてある。なお、電流制御回路１０の具体例については後述する。

また、本発明に係るＤＣ−ＤＣコンバータは、電圧比較器＃Ｃを備えてある。この電圧比較器＃Ｃは、分圧抵抗Ｒ３，Ｒ４により検出された出力電圧信号と、基準電圧Ｒef１とを比較してレベル変換し、この出力に接続してある比較器＃Ｂに出力するものである。

本発明に係るＤＣ−ＤＣコンバータは、差動増幅器＃Ａを備えてある。この差動増幅器＃Ａは、外部に有してＤＣ−ＤＣコンバータの入力電圧Ｖfcを制御する任意値の電圧制御入力Ｖsetと燃料電池の出力電圧即ちＤＣ−ＤＣコンバータの入力電圧Ｖfcとを入力とし、入力電圧Ｖfcを電圧制御入力Ｖsetと同値にするための制御信号を出力するよう構成してある。

なお、電圧制御入力Ｖsetは以下の式で示すことができる。
Ｖset＝Ｖfc＊Ｒ２／（Ｒ１＋Ｒ２）
例えば、Ｒ１＝Ｒ２＝１ｋΩで、電池出力を５Ｖに制御したいときは、
Ｖset＝５Ｖ＊１ｋ／（１ｋ＋１ｋ）＝２．５Ｖとなり、外部より２．５Ｖで入力すればよいことになる。

この比較器＃Ｂは、電圧検出器＃Ｃより二次電池Ｂの出力電圧Ｖbattをレベル変換してなる電圧信号と、三角波発振器（OSC）から発振する安定制御するための制御信号とを比較し、後述する動作状態検出回路２を介して第一のコンバータ１の制御用スイッチＱ１に駆動信号を出力するものである。

本発明に係るＤＣ−ＤＣコンバータは、動作状態検出回路２を備えてある。この動作状態検出回路２は、補償電圧と燃料電池の出力電圧とを所定時間毎に比較し、燃料電池が使用可能な状態であるかを検出する回路で、燃料電池の出力電圧が補償電圧を下回ったときに、スイッチング電源の制御用スイッチＱ１の動作を停止して、燃料電池の出力電圧が補償電圧を上回ったときに、スイッチング電源の制御用スイッチＱ１を正常に動作する。なお、この動作状態検出回路２は応急処置的に設けられたものなので、必ずしも必要な回路ではない。

続いて、電流制御回路１０の具体例を図２で示し、これについて説明する。本実施例に係る電流制御回路１０ａは、第一のコンバータ１の二次電池Ｂへの出力電圧Ｖbattと基準電圧Ｒef２とを比較して制御量を出力する比較回路１１と、この制御量を利用して二次電池Ｂの定電流制御を行う定電流制御回路１２ａとを備えてある。比較回路１１は増幅器＃Ｄを備え、この増幅器＃Ｄで出力電圧Ｖbattと基準電圧Ｒef２とを比較してレベル変換し、制御量を出力するように構成してある。

定電流制御回路１２ａは分圧抵抗Ｒ５，Ｒ６を備えてある。一方の分圧抵抗Ｒ５の一端を第一のコンバータ１の二次電池Ｂへの出力の正側出力端に接続し、他方の分圧抵抗Ｒ６の他端を増幅器＃Ｄの出力端子に接続してある。また、分圧抵抗Ｒ５，Ｒ６との接続点に半導体スイッチＱ２の制御端子に接続し、さらに、定電流制御回路１２ａは分圧抵抗Ｒ７，Ｒ８を備えてある。一方の分圧抵抗Ｒ７の一端を半導体スイッチＱ２の出力端子に接続し、他方の分圧抵抗Ｒ８の他端を第一のコンバータ１の負側出力端に接続してある。

また、分圧抵抗Ｒ７，Ｒ８との接続点に第二の半導体スイッチＱ３ａの制御端子に接続し、この第二の半導体スイッチＱ３ａは二次電池Ｂの負の端子に接続してある。そのために、出力電圧が上昇した場合に半導体スイッチＱ２及び第二の半導体スイッチＱ３ａをオンさせることにより、二次電池Ｂに電力を定電流にて供給して、第一のコンバータ１の二次電池Ｂへの出力電圧Ｖbattを基準電圧Ｒef２で決まる電圧まで下げるように構成してある。

また、出力電圧が下降した場合に半導体スイッチＱ２及び第二の半導体スイッチＱ３ａをオフさせることにより、二次電池Ｂへの電力の供給を抑制して、第一のコンバータ１の二次電池Ｂへの出力電圧Ｖbattを基準電圧Ｒef２で決まる電圧まで上げるように構成してある。

さらに、第一のコンバータ１の二次電池Ｂへの出力電圧Ｖbattと負荷Ｒｏへの出力電圧ＶRoの関係であるが、２つの出力は電力給電のために第一のコンバータ１内で使用される一つの巻線において磁気結合されたいわゆる多出力化構成であるため、その出力電圧ＶRoはそれぞれの巻線の巻数比で決定されることになり（巻数が同じであれば、二つの出力電圧は同じである。）、結果として、負荷Ｒｏへの出力電圧ＶRoは分圧抵抗Ｒ３，Ｒ４により検出制御される二次電池Ｂへの出力電圧Ｖbattに依存した電圧値に制御されることとなる。これについては、以下の電流制御回路１０の実施例においても同様である。

続いて、別の電流制御回路１０ｂの具体例を図３で示す。電流制御回路１０ｂは、本実施例も第一のコンバータ１の二次電池Ｂへの出力電圧Ｖbattと基準電圧Ｒef２とを比較して制御量を出力する比較回路１１と、この制御量を利用して二次電池Ｂの定電流制御を行う定電流制御回路１２ｂとを備えてある。比較回路１１は増幅器＃Ｄを備え、この増幅器＃Ｄで出力電圧と基準電圧Ｒef２とを比較してレベル変換し、制御量を出力するように構成してある。

定電流制御回路１２ｂは分圧抵抗Ｒ５，Ｒ６を備えてある。一方の分圧抵抗Ｒ５の一端を第一のコンバータ１の二次電池Ｂへの出力の正側出力端に接続し、他方の分圧抵抗Ｒ６の他端を増幅器＃Ｄの出力端子に接続してある。また、分圧抵抗Ｒ５，Ｒ６との接続点に半導体スイッチＱ２の制御端子に接続し、さらに、定電流制御回路１２ｂは分圧抵抗Ｒ７，Ｒ８を備えてある。一方の分圧抵抗Ｒ７の一端を半導体スイッチＱ２の出力端子に接続し、他方の分圧抵抗Ｒ８の他端を第一のコンバータ１の負側出力端に接続してある。

また、分圧抵抗Ｒ７，Ｒ８との接続点に増幅器＃Ｇの検出端子に接続し、この増幅器＃Ｇの出力端子をＦＥＴで構成した第二の半導体スイッチＱ３ｂのゲート端子に接続してある。この第二の半導体スイッチＱ３ｂは二次電池Ｂの負の端子に接続してある。さらに、第二の半導体スイッチＱ３ｂのソース端子に電流検出抵抗Ｒ２４の一端を接続し、この電流検出抵抗Ｒ２４の両端を増幅器＃Ｈの両入力端子に接続し、この増幅器＃Ｈの出力端子を前記増幅器＃Ｇの基準端子に接続し、フィードバックをかけている。そのために、出力電圧が上昇した場合に半導体スイッチＱ２及び第二の半導体スイッチＱ３ｂをオンさせることにより、二次電池Ｂに電力を定電流にて供給して、ＤＣ−ＤＣコンバータの二次電池Ｂへの出力電圧Ｖbattを基準電圧Ｒef２で決まる電圧まで下げて制御できるように構成してある。この時、定電流の最大値を分圧抵抗Ｒ７，Ｒ８により制限することができるため、二次電池Ｂの充電電流Ｉbattが任意設定でき、安全なシステムが実現できる。

また、出力電圧が下降した場合に半導体スイッチＱ２及び第二の半導体スイッチＱ３ｂをオフさせることにより、二次電池Ｂへの電力の供給を抑制して、ＤＣ−ＤＣコンバータの二次電池Ｂへの出力電圧Ｖbattを基準電圧Ｒef２で決まる電圧まで上げて制御するように構成してある。

続いて、別の電流制御回路１０ｃの具体例を図４で示し、これについて説明する。電流制御回路１０ｃは、ＤＣ−ＤＣコンバータの二次電池Ｂへの出力電圧Ｖbattと基準電圧Ｒef２とを比較して制御量を出力する比較回路１１と、この制御量を利用して二次電池Ｂの定電流制御を行う定電流制御回路１２ｃとを備えてある。比較回路１１は増幅器＃Ｄを備え、この増幅器＃Ｄで出力電圧と基準電圧Ｒef２とを比較してレベル変換し、制御量を出力するように構成してある。

定電流制御回路１２ｃは分圧抵抗Ｒ５，Ｒ６を備えてある。一方の分圧抵抗Ｒ５の一端を第一のコンバータ１の二次電池Ｂへの出力の正側出力端に接続し、他方の分圧抵抗Ｒ６の他端を増幅器＃Ｄの出力端子に接続してある。また、分圧抵抗Ｒ５，Ｒ６との接続点に半導体スイッチＱ２の制御端子に接続し、さらに、定電流制御回路１２ｃは分圧抵抗Ｒ７，Ｒ８を備えてある。一方の分圧抵抗Ｒ７の一端を半導体スイッチＱ２の出力端子に接続し、他方の分圧抵抗Ｒ８の他端を第一のコンバータ１の負側出力端に接続してある。

また、分圧抵抗Ｒ７，Ｒ８との接続点に第二の半導体スイッチＱ３の制御端子に接続し、この第二の半導体スイッチＱ３ａは二次電池Ｂの負の端子に接続してある。そのために、出力電圧が上昇した場合に半導体スイッチＱ２及び第二の半導体スイッチＱ３ａをオンさせることにより、二次電池Ｂに電力を定電流にて供給して、第一のコンバータ１の二次電池Ｂへの出力電圧Ｖbattを基準電圧Ｒef２で決まる電圧まで下げるように構成してある。

また、定電流制御回路１２ｃは半導体スイッチＱ１０を備えてある。この半導体スイッチＱ１０の入出力端子を半導体スイッチＱ２の入出力端子に並列に接続してある。定電流制御回路１２ｃは分圧抵抗Ｒ２２，Ｒ２３を備えてある。一方の分圧抵抗Ｒ２２の一端を第一のコンバータ１の二次電池Ｂへの出力の正側出力端に接続し、他方の分圧抵抗Ｒ２３の他端をＡＣ入力端子に接続してある。また、分圧抵抗Ｒ２２，Ｒ２３との接続点に半導体スイッチＱ１０の制御端子に接続してあり、ＡＣアダプタから入力されるとＡＣ入力端子がロウとなるように外部入力し、同時にコンバータに停止信号を送るようにしてある。また、半導体スイッチＱ１０がオンしてＡＣアダプタからの電流で充電を開始した際に、半導体スイッチＱ３ａはオン状態になり、二次電池Ｂは定電流充電される。また、充電電流は二次電池Ｂの充電電圧の上昇とともに減少する。

続いて、別の電流制御回路１０ｄの具体例を図５で示す。電流制御回路１０ｄは、本実施例も第一のコンバータ１の二次電池Ｂへの出力電圧Ｖbattと基準電圧Ｒef２とを比較して制御量を出力する比較回路１１と、この制御量を利用して二次電池Ｂの定電流制御を行う定電流制御回路１２ｄとを備えてある。比較回路１１は増幅器＃Ｄを備え、この増幅器＃Ｄで出力電圧と基準電圧Ｒef２とを比較してレベル変換し、制御量を出力するように構成してある。

定電流制御回路１２ｄは分圧抵抗Ｒ５，Ｒ６を備えてある。一方の分圧抵抗Ｒ５の一端を第一のコンバータ１の二次電池Ｂへの出力の正側出力端に接続し、他方の分圧抵抗Ｒ６の他端を増幅器＃Ｄの出力端子に接続してある。また、分圧抵抗Ｒ５，Ｒ６との接続点に半導体スイッチＱ２の制御端子に接続し、さらに、定電流制御回路１２ｄは分圧抵抗Ｒ７，Ｒ８を備えてある。一方の分圧抵抗Ｒ７の一端を半導体スイッチＱ２の出力端子に接続し、他方の分圧抵抗Ｒ８の他端を第一のコンバータ１の負側出力端に接続してある。

また、分圧抵抗Ｒ７，Ｒ８との接続点に増幅器＃Ｇの検出端子に接続し、この増幅器＃Ｇの出力端子をＦＥＴで構成した第二の半導体スイッチＱ３ｂのゲート端子に接続してある。この第二の半導体スイッチＱ３ｂは二次電池Ｂの負の端子に接続してある。さらに、第二の半導体スイッチＱ３ｂのソース端子に電流検出抵抗Ｒ２４の一端を接続し、この電流検出抵抗Ｒ２４の両端を増幅器＃Ｈの両入力端子に接続し、この増幅器＃Ｈの出力端子を前記増幅器＃Ｇの基準端子に接続し、フィードバックをかけている。そのために、出力電圧が上昇した場合に半導体スイッチＱ２及び第二の半導体スイッチＱ３ｂをオンさせることにより、二次電池Ｂに電力を定電流にて供給して、第一のコンバータ１の二次電池Ｂへの出力電圧Ｖbattを基準電圧Ｒef２で決まる電圧まで下げて制御できるように構成してある。この時、定電流の最大値を分圧抵抗Ｒ７，Ｒ８により制限することができるため、二次電池Ｂの充電電流Ｉbattが任意設定でき、安全なシステムが実現できる。

また、出力電圧が下降した場合に半導体スイッチＱ２及び第二の半導体スイッチＱ３ｂをオフさせることにより、二次電池Ｂへの電力の供給を抑制して、第一のコンバータ１の二次電池Ｂへの出力電圧Ｖbattを基準電圧Ｒef２で決まる電圧まで上げて制御するように構成してある。

また、定電流制御回路１２ｄは半導体スイッチＱ１０を備えてある。この半導体スイッチＱ１０の入出力端子を半導体スイッチＱ２の入出力端子に並列に接続してある。定電流制御回路１２ｃは分圧抵抗Ｒ２２，Ｒ２３を備えてある。一方の分圧抵抗Ｒ２２の一端を第一のコンバータ１の二次電池Ｂへの出力の正側出力端に接続し、他方の分圧抵抗Ｒ２３の他端をＡＣ入力端子に接続してある。また、分圧抵抗Ｒ２２，Ｒ２３との接続点に半導体スイッチＱ１０の制御端子に接続してあり、ＡＣアダプタから入力されるとＡＣ入力端子がロウとなるように外部入力し、同時にコンバータに停止信号を送るようにしてある。また、半導体スイッチＱ１０がオンしてＡＣアダプタからの電流で充電を開始した際に、半導体スイッチＱ３ｂはオン状態になり、二次電池Ｂは定電流充電される。また、充電電流Ｉbattは二次電池Ｂの充電電圧Ｖbattの上昇とともに減少する。

続いて、本発明は二次電池Ｂの出力と負荷Ｒｏとの間に第二のコンバータ３０を設けてあることに特徴を有する。この一実施例を図８に示してある。この第二のコンバータ３０には、起動／停止を信号入力（例えばハイ／ロウ）で制御する端子が設けられている。そこで、この端子に入力する制御信号を設定するように構成してある。この第二のコンバータ３０の起動／停止電圧のために、抵抗Ｒｃ，Ｒｄで構成した分圧回路、及び抵抗ＲｅとダイオードＤａを直列に接続して構成したヒステリシス回路を設け、この分圧回路とヒステリシス回路で基準電圧Ｒefａを構成し、この基準電圧Ｒefａを比較器Compａの一方の入力に信号入力するように構成してある。また、比較器Compａの他方には負荷電圧ＶRoを抵抗Ｒａ，Ｒｂで分圧検出した比較電圧Ｖlsを入力するように構成してある。この比較器Compａの出力に第二のコンバータ３０を接続し、第二のコンバータ３０の起動／停止を信号入力で制御するようにしてある。

上記のように構成してあるＤＣ−ＤＣコンバータは、以下のように作用する。なお、電流制御回路が機能しない場合の電力特性について図６に示し、電流制御回路が機能する場合の電力特性について図７に示す。また、第二のコンバータ３０の動作特性について図９に示す。なお、本実施例においては、第一のコンバータ１内で１つの巻線の磁気結合により構成される二次電池Ｂへの出力電圧と負荷Ｒｏへの出力電圧の電圧調整にための巻数比は同巻数として設定しているため、Ｖｏ＝ＶRo＝Ｖbattである。

本発明に係るＤＣ−ＤＣコンバータは、通常時においては、入力源Ｖfcから第一のコンバータ１を介して負荷Ｒｏに電力が供給される。このとき、第二のコンバータ３０を起動若しくは停止させるために、比較器Compａに基準電圧Ｒefａと比較電圧Ｖlsを入力する。この際、比較器Comp ａの入力条件（初期）は“Ｖls ＞Ｒef ａ”でありその比較器Compａの出力はロウに保持されている。そのため、基準電圧Ｒefａは、前記ヒステリシス回路の設定分だけ、低い電圧値に設定される（図９図示ＶＡ）。

続いて、負荷Ｒｏに流れる電流が定格以上の状態（垂下）にある場合は、図６に示すように、電流制御回路１０は機能せず、第二のコンバータ３０及び二次電池Ｂから電流が供給される。二次電池ＢはダイオードＤ１を介して給電を行う。

続いて、主回路の動作停止や負荷Ｒｏに流れる電流が定格以上の状態（垂下）にある場合の第二のコンバータ３０の動作について説明する。出力垂下等で負荷電圧ＶRoと共に比較電圧Ｖlsが低下して基準電圧Ｒefａに達すると、比較器Compａ出力は反転して、ハイに移行する。この時、第二のコンバータ３０に対して比較器Compａの出力と補助電源電圧Ｖcc間に設けた抵抗Ｒfを通して起動信号（ハイ）が入力されて、第二のコンバータ３０は動作を開始し、電流が主回路に供給される。さらに、比較器Compａの出力がハイに移行したことで前記ヒステリシス回路は切り離されるために、基準電圧Ｒefａは前記分圧回路のみの設定となり、基準電圧Ｒefａは上昇する（図９図示ＶＢ）。なお、本実施例では、基準電圧ＲefａをＶＡ，ＶＢとし、第二のコンバータ３０の負荷電圧設定をＶＤとし、主回路の負荷電圧設定をＶＣとし、これらの電圧設定を“ＶＡ＜ＶＤ＜ＶＢ＜ＶＣ”になるように設定してある。

続いて、通常状態において負荷電流Ｉloadが減少した場合について説明する。図７に示すように、負荷電流Ｉloadが低下すると、出力電圧Ｖｏは上昇する。出力電圧Ｖｏが上昇し、出力電圧Ｖｏが基準電圧Ｒef２を上回ると、電流制御回路１０に設けた増幅器＃Ｄから負方向の制御量を出力する。これが分圧抵抗Ｒ５，Ｒ６を介して半導体スイッチＱ２の制御端子に出力され、半導体スイッチＱ２はオンする。さらに、分圧抵抗Ｒ７，Ｒ８を介して第二の半導体スイッチＱ３の制御端子に出力され、第二の半導体スイッチＱ３もオンすると、二次電池Ｂに流れる充電電流Ｉbattが増加して、出力供給電力Ｐoutは一定化する。これにより、出力電圧Ｖｏも垂下点で安定させることができる。

続いて、負荷電流Ｉloadが増加した場合について説明する。図７に示すように、負荷電流Ｉloadが増加すると、出力電圧Ｖｏは下降する。出力電圧Ｖｏが下降し、出力電圧Ｖｏが基準電圧Ｒef２を下回ると、電流制御回路１０に設けた増幅器＃Ｄから正方向の制御量を出力する。これが分圧抵抗Ｒ５，Ｒ６を介して半導体スイッチＱ２の制御端子に出力され、半導体スイッチＱ２はオフする。さらに、分圧抵抗Ｒ７，Ｒ８を介して第二の半導体スイッチＱ３の制御端子に出力され、第二の半導体スイッチＱ３もオフすると、二次電池Ｂに流れる充電電流Ｉbattが減少して、出力供給電力Ｐoutは一定化する。これにより、出力電圧Ｖｏも垂下点で安定させることができる。

続いて、本発明に係るＤＣ−ＤＣコンバータの変形例を図１０に示す。図１０図示のＤＣ−ＤＣコンバータは、外部に有してＤＣ−ＤＣコンバータの入力電流を制御する任意値の電流制御入力Ｉsetと入力源Ｖfcの出力電流即ちＤＣ−ＤＣコンバータの入力電流Ｉfcとを入力し、入力電流Ｉfcを電流制御入力Ｉsetと同値にするための制御信号を出力するよう以下のように構成してある。先ず、本実施例では、電流検出抵抗Ｒｍを入力源Ｖfcの出力端に設けてあり、この電流検出抵抗Ｒｍを用いて入出力間の電位を検出する。この電流検出抵抗Ｒｍの入出力間を増幅器＃Ｅのそれぞれの入力端子に接続し、この増幅器＃Ｅを用いて電流補償電圧に増幅する。なお、電流検出抵抗Ｒｍの入力側を増幅器＃Ｅのマイナス入力端子に接続し、電流検出抵抗Ｒｍの出力側を増幅器＃Ｅのプラス入力端子に接続してある。

本実施例では差動増幅器＃Ｆを備えてあり、差動増幅器＃Ｆは、外部に有してＤＣ−ＤＣコンバータの入力電流を制御する任意値の電流制御入力Ｉsetと入力源Ｖfcの出力電流即ちＤＣ−ＤＣコンバータの入力電流Ｉfcとを入力し、制御信号を比較器＃Ｂに出力するように構成してある。その他の構成については図１図示ＤＣ−ＤＣコンバータとほぼ同様であるため、説明を省略する。

本実施例においては、図１図示ＤＣ−ＤＣコンバータと、外部に有してＤＣ−ＤＣコンバータの入力電流を制御する任意値の電流制御入力Ｉsetと入力源Ｖfcの出力電流即ちＤＣ−ＤＣコンバータの入力電流Ｉfcとを入力し、制御信号を出力するよう以下のように構成してある点で相違するが、入力電流Ｉfcが増加すると、これに比例して入力電圧Ｖfcが下降する関係にあるのみであるため、作用については、図１図示ＤＣ−ＤＣコンバータとほぼ同様である。

本発明に係るＤＣ−ＤＣコンバータによれば、出力側に負荷と二次電池を備え、二次電池に電流制御回路を接続し、負荷の電流が減少すると、二次電池への充電電流は電流制御回路により増加し、負荷の電流が増加すると、二次電池への充電電流が減少するように制御構成したことにより、全体の出力給電電力を一定電力化でき入力電圧（例えば燃料電池出力）を一定電圧制御できる。また、出力電圧は設定する垂下点で安定化されるため負荷に安定電力を給電できる。

さらに、本発明に係るＤＣ−ＤＣコンバータによれば、給電する燃料電池電力を安定化制御するコンバータと負荷電圧調整用コンバータの２つのコンバータを単一コンバータの多出力化により一体化構成としているため、高効率化が求められるシステムにおいて比較的容易に高効率化を実現できる。

Claims

電力供給時の出力インピーダンスが比較的大きい燃料電池や太陽電池等を入力源とするＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、出力に一つの巻線に巻回され、その巻線数比で電圧値が決定される磁気結合により構成される第一のコンバータは、任意負荷への出力と二次電池への出力を備え、該第一のコンバータの出力と該二次電池の入力との間に接続される電流制御回路は、前記磁気結合の作用のために該負荷の電流が減少すると、該二次電池へ流入する充電電流を増加させ、該負荷の電流が増加すると、該二次電池への充電電流を減少させるように制御し、該二次電池の出力電圧が設定する垂下電圧にて維持されるように構成してあることを特徴とするＤＣ−ＤＣコンバータ。
前記電流制御回路は、前記二次電池の出力電圧と基準電圧とを比較して制御量を出力する比較手段と、この制御量に応じてオン・オフする半導体スイッチを備え、このオン・オフにより該二次電池の定電流制御を行う定電流制御手段とを備えてあることを特徴とする請求項１記載のＤＣ−ＤＣコンバータ。
前記定電流制御手段は、前記比較手段の出力部に接続する第一のレベル変換手段を備え、この第一のレベル変換手段は、前記二次電池の正側出力端に接続してあるとともに、前記半導体スイッチの制御端子に接続してあり、該半導体スイッチの出力端子に第二のレベル変換手段を接続し、この第二のレベル変換手段は、ＤＣ−ＤＣコンバータの負側出力端に接続してあるとともに、第二の半導体スイッチの制御端子に接続し、この第二の半導体スイッチの出力端子は該二次電池の入力端子に接続してあり、前記負荷の電流が減少すると、該二次電池へ流入する充電電流を増加させ、該負荷の電流が増加すると、該二次電池への充電電流を減少させるように制御し、該二次電池の出力電圧が設定する垂下電圧にて維持されるように構成してあることを特徴とする請求項２記載のＤＣ−ＤＣコンバータ。
前記入力源の電圧を検出し、任意に設定可能な電圧制御入力と比較制御し、その制御量から入力電圧を定電圧化制御する機能を備えてあることを特徴とする請求項１記載のＤＣ−ＤＣコンバータ。
前記入力源の電圧を検出し、任意に設定可能な電圧制御入力と比較制御し、その制御量から入力電圧を定電圧化制御する機能を備えてあることを特徴とする請求項２記載のＤＣ−ＤＣコンバータ。
前記入力源の電圧を検出し、任意に設定可能な電圧制御入力と比較制御し、その制御量から入力電圧を定電圧化制御する機能を備えてあることを特徴とする請求項３記載のＤＣ−ＤＣコンバータ。