JP4763322B2 - 高周波重畳電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、種々の波形の高周波電流を重畳させた直流で電池を放電試験するときに用いる高周波重畳電源装置に関する。

従来のこの種の技術としては特許文献１に小型でダイナミックレンジを拡大できるスイッチング素子応用の電源に関する技術が開示されている。特許文献１に開示された発明の骨子は、『使用が予測される電池の最大電圧・最大電流を考慮して充電回路の主トランスＴ１、放電回路の主トランスＴ２を容量決定していたので、電力容量を実使用に余裕を加えて大きく設計して装置が大型化する欠点があった。これを小型にしたい』要求からなされた発明で、放電回路の主トランスＴ２を不要とした。このためのトランスＴ１の１次、２次側での回路技術が開示されている。

特許文献１の段落（０００９）に「トランスＴ１の１次巻線に直列にスイッチング素子を接続し、該スイッチング素子のオン／オフ時間を制御することによりリニヤな可変電圧をＴ１の２次巻線に発生する電力供給手段と、該手段の出力の整流手段、これの後段に接続される定電流手段、とバッテリー放電時に該スイッチング素子のオン／オフでＴ１の２次巻線に例えば５Ｖの電圧を発生させ、バッテリーにこの５Ｖを加え合わせ、定電力電源を実現する」と記述され、段落（００１６）に「スイッチング用トランジスタＴＳＷのオン／オフ時間を制御するスイッチング制御回路ＣＮＴを備える事により、トランスＴ１の２次側に出力電圧をリニヤに変化させることができる」段落（００２０）に「所要の電流容量を得るために、例えばパワーＭＯＳトランジスタを並列に接続することになる」と記載されている。従来に比べて放電回路のトランスＴ２を不要の充放電装置とし小型化した実例である。

以上の開示技術はスイッチング素子応用の充放電電源に関する技術であるが、市場で要求されている電力容量、例えば、ＤＣ５００Ｖ電池を３００Ａで放電させるＤＣ充放電電源装置（既設）に接続して正弦波、三角波など波高値０〜２０Ａを１００Ｈz〜２０ｋＨz可変で重畳させ放電することが可能な装置が欲しい場合には、最大電流の大きさ３２０Ａが原因で適用し難い技術である。理由は主電流回路のパワーＭＯＳトランジスタを並列に接続する上記開示技術の場合、該トランジスタに直列接続のバランス用抵抗器と電流検出用の合計で１ボルト、トランジスタと配線で３ボルトの合計４ボルト電圧分の電力を消費する、このときの発熱が電源装置の周辺に温風となって設置環境に良くないし、発熱は電力ロスであるから運転経費が不経済な装置となってしまう。

「特開平６−３３５１７６号」公報、名称「充放電電源装置」

特許文献１の発明での装置は、バッテリー放電時に高周波電流を重畳させ放電試験するときの高周波の波形を変えることができない欠点があった。加えて、発熱が電源装置の周辺に温風となって設置環境に良くなく、発熱は電力ロスであるから資源が不経済な電源装置となってしまう欠点があった。高い周波数に於ける基本波を歪ませるリップル電流を減らし滑らかな高周波波形を重畳させること、既設の直流３００Ａ電源装置に接続し、波高値２５Ａの高周波を重畳させて５００Ｖの電池を放電させること。波高値２５Ａをゼロまで可変できること。重畳させる高周波波形の周波数を１００Ｈｚから２０ｋＨｚまで可変であること。重畳させる高周波波形を正弦波、三角波、方形波、など設定可能であること。以上の要求を満足させる電源を提供できる技術を創出する事が本発明の目的である。

この発明は、被試験体の電池に対する直流の充電電流又は電池からの放電電流を流す直流充・放電装置に並列接続される高周波重畳電源装置において、
受電した電力を直流に変換する第１の入力整流器と、高周波トランスの一次側にインバータ、二次側に直流に変換する整流器を有するコンバータとによって形成される第１の電力変換手段と、
前記第１の電力変換手段から出力される直流電圧が入力され、並列接続して出力リップルを相殺させるようにスイッチング位相をシフトさせたＮ個（Ｎは２以上）の高周波インバータユニットを備え、各高周波インバータユニットから出力される高周波電流を合成して出力する第２の電力変換手段と、
を備え、
前記第２の電力変換手段は、前記高周波電流をコンデンサを介して前記充電電流又は放電電流に重畳し、
前記第２の電力変換手段の出力電力は、前記直流充・放電装置の出力電力よりも小さく設定され、
前記Ｎ個の高周波インバータユニットの各々は、（１８０／Ｎ）度の位相差を有するＰＷＭ信号で駆動されるブリッジ接続された半導体スイッチング素子で構成され、
前記Ｎ個の高周波インバータユニット出力の合成波形は、それぞれの高周波インバータユニット出力に含まれたリップルが相殺された滑らかな出力波形であることを特徴としている。

図１と図２に於いて本発明の一実施形態における装置を説明すると、
受電した電力を直流に変換する第１の入力整流器１、高周波トランス２の一次側にインバータ３、二次側に直流に変換する整流器４を有するコンバータ５とによって第１の電力変換ユニット６が形成される。並列接続して出力リップルを相殺させるようにスイッチング位相をシフトさせた複数の高周波インバータユニット７と波形発生回路８、制御回路９とによって、第２の電力変換手段（ＡＣ高周波重畳ユニット）１０が形成される。第１の電力変換ユニット６に第２の電力変換手段（ＡＣ高周波重畳ユニットと呼ぶ）１０が接続されて交流重畳部１２が形成される。直流充・放電装置１１の出力端子１３に並列に交流重畳部１２が接続され、さらに被試験体（電池）１５が接続されると該電池の充・放電電流波形は高周波電流波形を重畳した直流として形成される。

直流充・放電装置１１の出力端子１３に並列に交流重畳部１２が接続されるとき、直流充・放電装置１１に交流重畳部１２の高周波交流電流が逃げて行くのを防止する目的で高周波阻止リアクトルＬが直流充・放電装置１１の出力側ラインに直列に接続されている。交流重畳部１２に直流充・放電装置１１の直流が逃げていくのを阻止するためにコンデンサ１４が交流重畳部１２の出力側ラインに直列に接続されている。

前記波形発生回路８に対して接続された波形切換信号生成器１６からディジタル信号の波形切換信号が送信され、ディジタル信号による例えば正弦波、三角波、方形波の信号に応じて波形発生回路８の信号が選択され、制御回路９に送信されて高周波インバータユニット７への駆動信号を制御して司令した波形のトリガー信号を生成し、高周波インバータユニットが出力する。波高値司令信号生成器１７からディジタル信号による波高値指定がなされて、制御回路９に送信されて高周波インバータユニット７への駆動信号を制御して司令した波高値トリガー信号を生成し、高周波インバータユニットが出力する。周波数司令信号生成器１８からディジタル信号による周波数指定がなされて、制御回路９に送信されて高周波インバータユニット７への駆動信号を制御して司令した周波数トリガー信号を生成し、高周波インバータユニットが出力する。

図３に於いて本発明の一実施形態における装置の動作を説明すると、ＡＣ高周波重畳ユニット１０の高周波インバータ７はブリッジ接続されたＩＧＢＴまたは、パワーＭＯＳで構成され、波形生成回路８から例えば１００ｋＨｚのＰＷＭ信号波形１８１と１８２を受け、該高周波インバータの各出力波形１９１、１９２は２００ｋＨｚのリップルを有する波形となる。信号波形１８１と１８２との間に位相を９０度だけシフトして各出力波形１９１、１９２を合成するときは、合成出力波形１９３は該リップルが相殺されて滑らかな高周波波形となる。高周波インバータユニット７の入力が例えばＤＣ１５０Ｖで、該高周波インバータの各出力電流がＡＣ１０Ａのとき合成出力は、波高値司令信号、周波数司令信号によって、ＡＣ２０Ａで１００Ｈｚから２０ｋＨｚに可変できる。ディジタル信号の波形切換信号によって、正弦波、三角波、方形波、など設定可能に切替えて出力できる。このようにして、コンデンサカップリングによって安価に既設の充放電装置のＤＣ出力に対して高周波交流電流波形を重畳させることが出来た。

複数の高周波インバータユニット７はブリッジ接続されたＩＧＢＴまたは、パワーＭＯＳで構成され、波形発生回路８から例えば１００ｋＨｚのＰＷＭ信号波形１８１と１８２を受け、該高周波インバータの各出力波形１９１、１９２は２００ｋＨｚのリップルを有する波形となるが、信号波形１８１と１８２との間に位相を９０度だけシフトして各出力波形１９１、１９２を合成して出力する２相交流生成のときは等価的に４００ｋＨｚの高速ＰＷＭ制御を実行している。合成出力波形１９３は該リップルが相殺されて滑らかな高周波波形となる。

複数の高周波インバータユニット７は例えば、三組の高周波インバータユニットを並列運転する場合は、各駆動信号の間に位相を９０度だけシフトして各インバータユニットの出力波形を合成して出力すると出力のリップルが相殺されて滑らかな高周波波形となる。従ってインバータユニットの数をＮとしたとき、１８０度／Ｎの度数だけ各駆動信号の間に位相をシフトして出力波形を合成して滑らかな高周波を出力する事ができる。

既設の直流３００Ａ電源装置に接続し、波高値２５Ａの高周波を重畳させて５００Ｖの電池を放電させること。波高値２５Ａをゼロまで可変できること。重畳させる高周波波形の周波数を１００Ｈｚから２０ｋＨｚまで可変であること。重畳させる高周波波形を正弦波、三角波、方形波、など設定可能であること。以上の要求を満足させる電源を提供できる技術が本発明によって創出できた。

従来の被試験体の充・放電時に高周波電流を重畳させ放電試験するときの高周波の波形を変えることができなかった欠点を排除し、電力ロスを少なくし、資源が不経済とならない電源装置が安価に提供できた。

本発明による第１の実施形態による要部詳細図である。 本発明による第１の実施形態を示す回路ブロック図である。 本発明による第１の実施形態による動作詳細図である。

符号の説明

１ 第１の入力整流器
２ 高周波トランス
３ インバータ
４ 整流器
５ コンバータ
６ 第１の電力変換ユニット
７ 高周波インバータユニット
８ 波形発生回路
９ 制御回路
１０ 第２の電力変換手段（ＡＣ高周波重畳ユニット）
１１ 直流充・放電装置
１２ 交流重畳部
１３ 出力端子
１４ コンデンサ
１５ 被試験体（電池）
１６ 波形切換信号生成器
１７ 波高値司令信号生成器
１８ 周波数司令信号生成器
１８１ 信号波形
１８２ 信号波形
１９１ 出力波形
１９２ 出力波形
１９３ 合成出力波形
Ｌ 高周波阻止用リアクトル

Claims (3)

1. 被試験体の電池に対する直流の充電電流又は電池からの放電電流を流す直流充・放電装置に並列接続される高周波重畳電源装置において、
   受電した電力を直流に変換する第１の入力整流器と、高周波トランスの一次側にインバータ、二次側に直流に変換する整流器を有するコンバータとによって形成される第１の電力変換手段と、
   前記第１の電力変換手段から出力される直流電圧が入力され、並列接続して出力リップルを相殺させるようにスイッチング位相をシフトさせたＮ個（Ｎは２以上）の高周波インバータユニットを備え、各高周波インバータユニットから出力される高周波電流を合成して出力する第２の電力変換手段と、
   を備え、
   前記第２の電力変換手段は、前記高周波電流をコンデンサを介して前記充電電流又は放電電流に重畳し、
   前記第２の電力変換手段の出力電力は、前記直流充・放電装置の出力電力よりも小さく設定され、
   前記Ｎ個の高周波インバータユニットの各々は、（１８０／Ｎ）度の位相差を有するＰＷＭ信号で駆動されるブリッジ接続された半導体スイッチング素子で構成され、
   前記Ｎ個の高周波インバータユニット出力の合成波形は、それぞれの高周波インバータユニット出力に含まれたリップルが相殺された滑らかな出力波形である高周波重畳電源装置。
2. 前記Ｎ個の高周波インバータユニットの出力周波数を司令する周波数司令信号生成器と、
   前記Ｎ個の高周波インバータユニットの出力波形を正弦波、三角波、方形波のいずれかに切換えるための司令をする波形切換司令信号生成器と、
   前記Ｎ個の高周波インバータユニットの出力波高値を司令する波高値司令信号生成器と、
   前記周波数司令信号生成器、波形切換司令信号生成器、波高値司令信号生成器の各生成器の司令信号が入力され、これらの司令信号に基づく前記ＰＷＭ信号を生成して前記半導体スイッチング素子に出力する制御回路と、
   を備える請求項１記載の高周波重畳電源装置。
3. 被試験体の電池に対する直流の充電電流又は電池からの放電電流を流す直流充・放電装置と、請求項１又は２記載の高周波重畳電源装置とからなる電源装置において、
   前記直流充・放電装置は、出力ラインに挿入され、高周波重畳電源装置から出力される前記高周波電流が該直流充・放電装置に流入することを阻止するためのリアクトルを備えている、電源装置。

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