JP4183189B2

JP4183189B2 - 電源装置

Info

Publication number: JP4183189B2
Application number: JP2004197993A
Authority: JP
Inventors: 博之江口; 元寿清水
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2004-07-05
Filing date: 2004-07-05
Publication date: 2008-11-19
Anticipated expiration: 2024-07-05
Also published as: JP2006020471A

Description

本発明は、電源装置に関し、特に、エンジンで駆動される発電機などを電力源として、単相３線式出力を取り出すことができる電源装置に関するものである。

エンジン駆動式発電機などの発電装置は、携帯用から非常用までさまざまな用途の電源装置として普及している。このような電源装置は、小規模に構成可能であるという特徴を有するが、さらに、さまざまな負荷に対応できるように単相３線式出力の取り出しが可能であるという要求も高まっている。

図４は、単相３線式出力の取り出しが可能な、従来の電源装置の機能ブロック図である。同図に示すように、電源装置は、エンジンにより駆動される発電機１を備える。発電機１の固定子には２系統の出力巻線１−１、１−１′がそれぞれ独立して巻装される。出力巻線１−１、１−１′の出力はそれぞれ、整流回路からなるＤＣ変換部２、２′で整流され、さらにＤＣ−ＤＣコンバータからなるＤＣ−ＤＣ変換部３、３′で電圧調整されてＤＣ−ＡＣ変換部４、４′に与えられる。ＤＣ変換部とＤＣ−ＤＣコンバータはまとめられて、整流回路兼用のサイリスタ式レギュレータとして構成されることもある。

ＤＣ−ＡＣ変換部４、４′はそれぞれインバータを含み、ＤＣ−ＤＣ変換部３、３′のＤＣ出力をＤＣ−ＡＣ変換して所定周波数のＡＣ出力を出力する。ＤＣ−ＡＣ変換部４、４′の出力側においてそれぞれのライン５−１、５−２、５−３、５−４の片側ライン５−２と５−３が共通ライン５−５として結合される。単相３線式出力として、共通ライン５−５とライン間５−１または５−５と５−４間からＡＣ１００Ｖを取り出すことができ、ライン５−１と５−４間からＡＣ２００Ｖを取り出すことができる。このような電源装置は特許文献１に記載されている。
特開２０００−２０９８７２号公報

上記従来の電源装置によれば、携帯型あるいは可搬型の小型発電機を用いて単相３線式出力を容易に取り出すことができる。しかしながら、この電源装置では、２系統の出力巻線を独立して設け、また、その出力をそれぞれ個別にＤＣ変換、ＤＣ−ＤＣ変換およびＤＣ−ＡＣ変換した後に結合しているため、共通ラインと他のライン間の片側の１出力、例えばＡＣ１００Ｖのみが使用される場合、取り出し得る最大出力は、発電機の全出力能力の半分程度に制限されてしまうことになる。

また、発電機の出力巻線からＤＣ−ＡＣ変換部に至る出力回路が２系統必要であるため、インバータを初めとして多くの回路部品の点数が増加し、部品点数の増加によるコスト増加、回路構成の複雑化が避けられない。

本発明の目的は、上記課題を解決し、単相３線式出力を取り出し可能な電源装置において、発電機の出力能力を最大限利用することができると共に、部品点数を大幅に削減できるようにすることにある。

前記した課題を解決するために、本発明は、直流電源出力を所定周波数の交流電力に変換して出力するインバータを備える電源装置において、前記直流電源出力をスイッチングして所定電圧に調整して前記インバータへ供給するＤＣ−ＤＣコンバータを設け、該ＤＣ−ＤＣコンバータは、前記インバータに入力電圧を与える第１のＤＣ−ＤＣコンバータと、前記インバータの入力電圧の中点を形成する第２のＤＣ−ＤＣコンバータとで構成され、前記第１のＤＣ−ＤＣコンバータには、出力ラインと直列に整流素子兼用の環流用スイッチング素子が設けられ、前記第１のＤＣ−ＤＣコンバータの出力側電圧が上昇したとき前記環流用スイッチング素子が動作されて電圧上昇が抑制されることを第１の特徴としている。
また、本発明は、直流電源出力を所定周波数の交流電力に変換して出力するインバータを備える電源装置において、前記直流電源出力をスイッチングして所定電圧に調整して前記インバータへ供給するＤＣ−ＤＣコンバータを設け、該ＤＣ−ＤＣコンバータは、前記インバータに入力電圧を与える第１のＤＣ−ＤＣコンバータと、前記インバータの入力電圧の中点を形成する第２のＤＣ−ＤＣコンバータとで構成され、前記第２のＤＣ−ＤＣコンバータには、前記インバータと並列に整流素子兼用の短絡用スイッチング素子が設けられ、前記第２のＤＣ−ＤＣコンバータの出力側電圧が上昇したとき前記短絡用スイッチング素子が動作されて電圧上昇が抑制されることを第２の特徴としている。

さらに、本発明は、前記第１のＤＣ−ＤＣコンバータが昇圧型コンバータで構成され、前記第２のＤＣ−ＤＣコンバータが降圧型コンバータで構成されることを第３の特徴としている。

本発明の第１および第２の特徴によれば、電源系統におけるＤＣ−ＤＣコンバータのみを２系統にして単相３線式出力を得るようにしているため、共通ラインと他のライン間の片側の１出力が使用される場合でも、発電機の全出力能力に見合う最大出力を取り出すことが可能になる。また、部品点数を大幅に削減することが可能になる。さらに、電動機などの誘導性負荷による回生エネルギによって出力ラインに高電圧が侵入する場合であっても、環流用スイッチング素子や短絡用スイッチング素子を駆動することによって上昇電圧を吸収し、出力ラインの電圧上昇を抑制することが可能になる。

また、第３の特徴によれば、ＤＣ−ＤＣコンバータを昇圧型と降圧型の２つのコンバータで構成しているため、構成が合理的であり、かつ出力制御を簡単に行うことが可能になる。

以下、図面を参照して本発明を詳細に説明する。図１は、本発明に係る電源装置を示す機能ブロック図である。図１において図４と同一または同等部分には同じ番号を付してある。図１において、発電機１は、例えば３相の多極磁石発電機からなる。発電機１は、固定子に巻装された１系統の出力巻線１−１を備える。

ＤＣ変換部２は、ブリッジ接続された整流素子を有し、発電機１の出力を整流する整流回路として機能する。ＤＣ−ＤＣ変換部３は、後段のＤＣ−ＡＣ変換部４に入力電圧を与える第１のＤＣ−ＤＣコンバータと該入力電圧の中点を形成する第２のＤＣ−ＤＣコンバータとからなる。

ＤＣ−ＡＣ変換部４の入力電圧は、その出力側に規定のＡＣ電圧ピーク値が得られるように単相３線式の出力電圧以上であることが必要であり、ＤＣ−ＤＣ変換部３の第１のＤＣ−ＤＣコンバータは、ＤＣ変換部２の出力電圧を調整してＤＣ−ＡＣ変換部４の入力側が必要とする電圧を出力する。発電機１やＤＣ変換部２を高電圧仕様にする必要をなくすという点からは、第１のＤＣ−ＤＣコンバータは、昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータであるのがよい。

ＤＣ−ＡＣ変換部４は、ＤＣ−ＤＣ変換部３の第１のＤＣ−ＤＣコンバータの出力を所定周波数のＡＣ電力に変換して出力する。

ＤＣ−ＡＣ変換部４の出力ライン５−１と５−４間から単相３線式出力のうち、例えばＡＣ２００Ｖを取り出すことができる。また、ＤＣ−ＤＣ変換部３の第２のＤＣ−ＤＣコンバータの出力ライン５−５と５−１間および５−５と５−４間からＡＣ１００Ｖを取り出すことができる。

図２は、ＤＣ−ＤＣ変換部３とＤＣ−ＡＣ変換部４の具体例を示す回路図である。なお、図１と同一あるいは同等部分には同じ番号を付してある。

ＤＣ−ＤＣ変換部３は、ＤＣ−ＡＣ変換部４に入力電圧を与える第１のＤＣ−ＤＣコンバータ３−１と該入力電圧の中点を形成する第２のＤＣ−ＤＣコンバータ３−２とからなる。なお、Ｃ１〜Ｃ３は平滑用コンデンサである。

第１のＤＣ−ＤＣコンバータ３−１は、ＭＯＳＦＥＴ３−１−１、３−１−２とチョークコイルＬ１を有し、ＭＯＳＦＥＴ３−１−１がオンすると、チョークコイルＬ１にエネルギを貯え、貯えたエネルギをＭＯＳＦＥＴ３−１−１がオフしたときに出力側に放出することで昇圧を行う昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータとして機能する。ＭＯＳＦＥＴ３−１−１のオン期間をＰＷＭ変調することで出力のＤＣ電圧が調整される。

ＭＯＳＦＥＴ３−１−２は環流用スイッチング素子であり、通常動作時には単に整流素子として機能する。整流素子の機能は、ＭＯＳＦＥＴ３−１−２の寄生ダイオードで得られるが、別途接合ダイオードを接続してもよい。電動機などの誘導性負荷による回生エネルギによってライン８−１に高電圧が侵入した場合、ＭＯＳＦＥＴ３−１−２をオンすれば、この高電圧を吸収することができ、ライン８−１の電圧上昇を抑制することができる。

ＤＣ変換部２が、例えばＤＣ２００Ｖを出力するとき第１のＤＣ−ＤＣコンバータ３−１はライン８−１と８−３間にＤＣ３２０Ｖを出力する。第１のＤＣ−ＤＣコンバータ３−１を昇圧型コンバータで構成することは、発電機１やＤＣ変換部２を高圧仕様にする必要性をなくすので有利である。

第２のＤＣ−ＤＣコンバータ３−２は、ＭＯＳＦＥＴ３−２−１、３−２−２とチョークコイルＬ２を有し、ＭＯＳＦＥＴ３−２−１のオン、オフでチョークコイルＬ２を通じてライン８−２側の出力を導出する降圧型コンバータとして機能する。

ＭＯＳＦＥＴ３−２−２は短絡用スイッチング素子であり、通常動作時には単に整流素子として機能する。整流素子の機能は、ＭＯＳＦＥＴ３−２−２の寄生ダイオードで得られるが、別途接合ダイオードを接続してもよい。電動機などの誘導性負荷による回生エネルギによってライン８−２に高電圧が侵入した場合、ＭＯＳＦＥＴ３−２−２をオンすれば、この高電圧を吸収することができ、ライン８−２の電圧上昇を抑制することができる。

ＤＣ−ＡＣ変換部４は、４つのＭＯＳＦＥＴ４−１−１〜４−１−４をブリッジ接続して構成されたインバータ４−１とフィルタ４−２からなる。インバータ４−１の駆動は、周知のように、ＭＯＳＦＥＴ４−１−１と４−１−４のペア、４−１−２と４−１−３のペアを交互にオン、オフすることで行われる。

フィルタ４−２はコンデンサＣ４、Ｃ５とコイルＬ３〜Ｌ５からなり、インバータ４−１の出力ラインと第２のＤＣ−ＤＣコンバータ３−２の出力ライン８−２に接続されて単相３線式出力を出力する。例えばライン５−５と５−１間および５−５と５−４間にＡＣ１００Ｖを出力し、ライン５−１と５−４間にＡＣ２００Ｖを出力する。

図３は、本発明に係る電源装置の具体的回路の一例を示す回路図であり、図２と同一あるいは同等部分には同じ番号を付してある。３相発電機１は、エンジンに連結され、エンジンにより駆動されるエンジン駆動式発電機であり、ここでは、エンジン始動用電動機として動作することもできる電動機兼用発電機としている。

発電機１は、エンジン（図示せず）に連結される。発電機１の出力側は、ＤＣ変換部２に接続される。ＤＣ変換部２は、ブリッジ接続された整流素子を有し、発電機１の出力を整流する。また、ＤＣ変換部２の各整流素子にはＭＯＳＦＥＴなどのスイッチング素子２−１〜２−６が並列接続されており、これらのスイッチング素子は、そのオン、オフによりＤＣ電圧を３相のＡＣ電圧に変換して発電機１に印加する駆動用インバータを構成している。ＤＣ変換部３の整流素子は、ＭＯＳＦＥＴのスイッチング素子の寄生ダイオードでよく、別途接続した接合ダイオードでもよい。

ＤＣ変換部２の出力側は、ＤＣ−ＤＣ変換部３に接続される。ＤＣ−ＤＣ変換部３の出力側は、ＤＣ−ＡＣ変換部４に接続される。ＤＣ−ＤＣ変換部３とＤ−ＡＣ変換部４は、図２と同じであるので説明を省略する。

ＤＣ変換部２とＤＣ−ＤＣ変換部３の接続点は、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ６の二次側に接続され、ＤＣ−ＤＣコンバータ６の一次側は、例えばバッテリ（１２Ｖ）からなるバッテリ７に接続される。

双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ６は、バッテリ７とＤＣ変換部２の出力との間で双方向に電力を融通するものであり、一次側の低圧側巻線６−１−１と二次側の高圧側巻線６−１−２を備えるトランス６−１含む。この双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ６の昇圧比は、低圧側巻線６−１−１と高圧側巻線６−１−２の巻線比により決定される。

低圧側スイッチング部６−２は、低圧側巻線６−１−１側に挿入され、高圧側スイッチング部６−３は、高圧側巻線６−１−２側に挿入される。低圧側スイッチング部６−２は、例えば、４つのＭＯＳＦＥＴ６−２−１〜６−２−４をブリッジ接続して構成され、高圧側スイッチング部６−３も同様に４つのＭＯＳＦＥＴ６−３−１〜６−３−４で構成される。

低圧側スイッチング部６−２および高圧側スイッチング部６−３の各ＭＯＳＦＥＴ６−２−１〜６−２−４、６−３−１〜６−３−４にはダイオードなどの整流素子が並列接続される。これらの整流素子もＭＯＳＦＥＴの寄生ダイオードでよく、別途接続した接合ダイオードでもよい。並列接続された整流素子を合わせれば、低圧側スイッチング部６−２および高圧側スイッチング部６−３はそれぞれ、スイッチング・ＤＣ変換部と考えることができる。

トランス６−１の高圧側巻線６−１−２側にはＬＣ共振回路６−４が挿入される。ＬＣ共振回路６−４は、低圧側スイッチング部６−２および高圧側スイッチング部６−３の少なくとも一方が駆動されたときに流れる電流を正弦波状にし、スイッチング損失を低減し、また、大電流によるＭＯＳＦＥＴ破壊を招かないように機能する。これは、正弦波状の電流の零クロス点付近でＭＯＳＦＥＴをオン、オフさせることができるからである。なお、ＬＣ共振回路６−４は、二次側ではなく一次側に設けてもよい。

低圧側スイッチング部６−２のＭＯＳＦＥＴ６−２−１〜６−２−４および高圧側スイッチング部６−３のＭＯＳＦＥＴ６−３−１〜６−３−４は、ＣＰＵなどからなる制御回路（図示せず）によりスイッチング制御される。なお、一次側および二次側に接続されているコンデンサＣ６、Ｃ７は、出力平滑用コンデンサである。

次に、図３の動作を説明する。双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ６が自動的に双方向で電力変換を行うように、その低圧側スイッチング部６−２と高圧側スイッチング部６−３とを完全同期で、すなわち同一の駆動信号で駆動する。この駆動は、周知のように、低圧側スイッチング部６−２においてはＭＯＳＦＥＴ６−２−１と６−２−４のペア、ＭＯＳＦＥＴ６−２−２と６−２−３のペアを交互にオン、オフし、高圧側スイッチング部６−３においてはＭＯＳＦＥＴ６−３−１と６−３−４のペア、ＭＯＳＦＥＴ６−３−２と６−３−３のペアを交互にオン、オフすることで行われる。

エンジンの始動時には、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ６の一次側から二次側への電力変換が行われ、これにより昇圧されたバッテリ７のＤＣ電圧が駆動用インバータ（ＤＣ変換部）２に与えられる。駆動用インバータ２は、このＤＣ電圧を３相のＡＣ電圧に変換して発電機１に印加し、これをエンジン始動用電動機として起動する。この起動は、駆動用インバータのＭＯＳＦＥＴ２−１〜２−６を周知のようにＰＷＭ駆動することにより行われる。この際、発電機（電動機）１の動きに従って逆起電圧で電流分配が変化することを利用して位相判別し、センサレスで同期駆動することができる。

エンジンが始動すると、発電機１はエンジンにより駆動されて出力を発生する。発電機１の出力は、ＤＣ変換部（駆動用インバータ）２で整流される。このとき、駆動用インバータを構成するＭＯＳＦＥＴ２−１〜２−６は駆動されず、発電機１の出力は、ＤＣ変換部２の整流素子で全波整流される。ＤＣ変換部２の出力は、ＤＣ−ＤＣ変換部３に与えられる。

ＤＣ−ＤＣ変換部３の第１のＤＣ−ＤＣコンバータ３−１は、ＤＣ−ＡＣ変換部４のインバータに入力電圧を与え、第２のＤＣ−ＤＣコンバータ３−２は、インバータの入力電圧の中点を形成する。なお、これらが出力するＤＣ電圧は、ＭＯＳＦＥＴ３−１−１、３−２−１をＰＷＭ変調することにより調整することができる。ＤＣ−ＤＣ変換部３の出力は、ＤＣ−ＡＣ変換部４で所定周波数のＡＣ出力に変換され、第２のＤＣ−ＤＣコンバータ３−２の出力を中点とした単相３線式出力が出力される。

このときバッテリ７の残容量が少なければ、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ６は二次側より一次側への電力変換を行い、降圧されたＤＣ変換部２の出力でバッテリ７が充電される。また、過負荷状態になって発電機１の出力では負荷に対応しきれなくなると、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ６を通してバッテリ７からも電力が供給されるように電力変換が行われる。

このように双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ６は、トランス６−１の巻線比による一次側と二次側の相対電圧差に従い一次側と二次側とで自動的に電力のやり取りを行い、相互に電力を融通する。

本発明は、発電機とＤＣ変換部（整流回路）とからなる直流電源の場合だけでなく、燃料電池などの直流電源の場合にも適用できる。

本発明に係る電源装置を示す機能ブロック図である。ＤＣ−ＤＣ変換部とＤＣ−ＡＣ変換部の具体例を示す回路図である。本発明に係る電源装置の具体的回路の一例を示す回路図である。従来の電源装置の機能ブロック図である。

符号の説明

１・・・発電機、１−１，１−１′・・・出力巻線、２，２′・・・ＤＣ変換部（駆動用インバータ）、２−１〜２−６，３−１−１，３−１−２，３−２−１，３−２−２，４−１−１〜４−１−４，６−２−１〜６−２−４，６−３−１〜６−３−４・・・ＭＯＳＦＥＴ、３，３′・・・ＤＣ−ＤＣ変換部、３−１・・・第１のＤＣ−ＤＣ−コンバータ、３−２・・・第２のＤＣ−ＤＣコンバータ、４，４′・・・ＤＣ−ＡＣ変換部、４−１・・・インバータ、４−２・・・フィルタ、５−１〜５−５，８−１〜８−３・・・出力ライン、６・・・双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ、６−１・・・トランス、６−１−１・・・低圧側巻線、６−１−２・・・高圧側巻線、６−２・・・低圧側スイッチング部、６−３・・・高圧側スイッチング部、６−４・・・ＬＣ共振回路、７・・・バッテリ、Ｃ１〜Ｃ７・・・コンデンサ、Ｌ１〜Ｌ５・・・コイル

Claims

直流電源出力を所定周波数の交流電力に変換して出力するインバータを備える電源装置において、
前記直流電源出力をスイッチングして所定電圧に調整して前記インバータへ供給するＤＣ−ＤＣコンバータを設け、該ＤＣ−ＤＣコンバータは、前記インバータに入力電圧を与える第１のＤＣ−ＤＣコンバータと、前記インバータの入力電圧の中点を形成する第２のＤＣ−ＤＣコンバータとで構成され、
前記第１のＤＣ−ＤＣコンバータには、出力ラインと直列に整流素子兼用の環流用スイッチング素子が設けられ、前記第１のＤＣ−ＤＣコンバータの出力側電圧が上昇したとき前記環流用スイッチング素子が動作されて電圧上昇が抑制されること特徴とする電源装置。
直流電源出力を所定周波数の交流電力に変換して出力するインバータを備える電源装置において、
前記直流電源出力をスイッチングして所定電圧に調整して前記インバータへ供給するＤＣ−ＤＣコンバータを設け、該ＤＣ−ＤＣコンバータは、前記インバータに入力電圧を与える第１のＤＣ−ＤＣコンバータと、前記インバータの入力電圧の中点を形成する第２のＤＣ−ＤＣコンバータとで構成され、
前記第２のＤＣ−ＤＣコンバータには、前記インバータと並列に整流素子兼用の短絡用スイッチング素子が設けられ、前記第２のＤＣ−ＤＣコンバータの出力側電圧が上昇したとき前記短絡用スイッチング素子が動作されて電圧上昇が抑制されること特徴とする電源装置。
前記第１のＤＣ−ＤＣコンバータは昇圧型コンバータで構成され、前記第２のＤＣ−ＤＣコンバータは降圧型コンバータで構成されることを特徴とする請求項１または２に記載の電源装置。