JP5046021B2 - 電源回路 - Google Patents

Description

本発明は電源回路に関し、より詳しくは、簡単かつコンパクトな構成で大きな電力を負荷に供給することができる電源回路に関する。

自動車は、一般に、同期発電機を搭載している。
特許文献１は、同期発電機から得られる電力を最大にするための電力制御装置に係る技術を提案している。この技術においては、同期発電機からの出力電圧を整流し、整流後の電圧をスイッチングコンバータによって調節する。このスイッチングコンバータには、デューティサイクル制御装置が接続されている。デューティサイクル制御装置は、同期発電機の回転数毎に最大の電力を負荷に供給できるようにスイッチングコンバータのデューティサイクルを決定する。デューティサイクルの決定は、同期発電機の回転数、デューティサイクル及び出力電力間の固有の相関関係に基づき行われる。これにより、電力制御装置は、同期発電機の回転数毎に最大の電力を負荷に供給することができる。
特開平６−２２５５９９号公報

しかしながら、上記従来技術においては、同期発電機の回転数、デューティサイクル及び出力電力間の固有の相関関係はかなり複雑な関係であるため、デューティサイクル制御装置の構成が複雑となり、電力制御装置全体が大型化するという問題があった。

本発明は、このような実情に鑑みてなされたもので、簡単かつコンパクトな構成で大きな電力を負荷に供給することができる電源回路の提供を目的とする。

本発明に係る電源回路は、
交流発電機の出力電圧を調整する電源回路であって、
上記交流発電機の出力電圧を整流する整流器と、
上記交流発電機の各電機子コイルと直列に接続され、当該電機子コイルと協働して直列共振回路を構成するコンデンサとを備え、
上記整流器は、上記電機子コイルに接続され、
上記整流器を構成するスイッチング素子がトランジスタであり、当該トランジスタは、上記交流発電機の出力周波数に同期するようにスイッチングし、
上記トランジスタのスイッチングのタイミングを制御するタイミング制御部をさらに備える。

本発明における「トランジスタ」の種類は特に限定されるものではないが、このトランジスタとしては、例えば、ＭＯＳＦＥＴ等の電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）、バイポーラ型トランジスタ、絶縁ゲートバイポーラ型トランジスタ（ＩＧＢＴ）を挙げることができる。

本発明によれば、直列共振回路によって共振した電圧及び電流が交流発電機から出力されるので、その共振周波数において、交流発電機の出力電圧及び出力電流の振幅が大きくなる。よって、本発明によれば、直列共振回路の共振周波数において、交流発電機から大きな電力を出力させることができる。また、整流器のスイッチング素子がトランジスタであるので、同期整流器が構成される。よって、整流器のスイッチング素子をダイオードで構成したときのスイッチング損失（順方向電圧と順方向電流の積）が生じず、本発明における整流器は、損失の少ない高効率の整流を行うことができる。
従って、本発明によれば、交流発電機及び整流器を通じて大きな電力を出力することができるので、上記従来技術のような複雑な構成のデューティサイクル制御装置が不要となる。故に、本発明によれば、簡単かつコンパクトな構成で大きな電力を負荷に供給することができる電源回路を提供することができる。
本発明によれば、負荷へ大きな電力を供給することができるので、モータ等の大電力負荷に対して充分なラッシュ電流を供給することができる。これにより、アクチュエータの動作応答性を良好にすることができる。また、本発明においては、大電力負荷へ充分に大きな電力を供給することができるので、通常電力負荷へ供給する電圧が低下するのを抑制することができる。

本発明においては、
上記タイミング制御部は、上記トランジスタによるスイッチングが上記交流発電機の出力電流がゼロとなる時点に同期して行われるように、上記タイミングを制御することが好ましい。

この場合、本発明は、トランジスタによるスイッチングを交流発電機の出力電流がゼロとなる時点に同期して行うので、スイッチング損失の少ない整流を確実に行うことができる。

本発明においては、
上記整流器から入力した電圧を降下させる電圧制御部をさらに備え、
上記整流器から出力された電圧は、上記電圧制御部を介して通常電力負荷に供給され、上記通常電力負荷より大きな電力を消費する大電力負荷に上記電圧制御部を介さずに供給されることが好ましい。

この場合、本発明は、整流器から出力された電圧を、通常電力負荷へは電圧制御部を介して供給し、大電力負荷へは電圧制御部を介さずに供給するので、通常電力負荷及び大電力負荷に対し、それぞれ適切な電力を供給することができる。

本発明においては、
上記交流発電機の界磁コイルの電流を制御する電流調整部をさらに備え、
上記電流調整部は、上記電流を制御することにより、上記交流発電機の出力電圧を制御することが好ましい。

この場合、本発明は、交流発電機の界磁コイルの電流を制御することで交流発電機の出力電圧を制御するので、同期発電機の出力電圧を適切に制御することができる。

本発明によれば、直列共振回路の共振周波数において、交流発電機から大きな電力を出力させることができる。また、整流器のスイッチング素子がトランジスタであるので、同期整流器が構成される。よって、整流器のスイッチング素子をダイオードで構成したときのスイッチング損失（順方向電圧と順方向電流の積）が生じず、本発明における整流器は損失の少ない高効率の整流を行うことができる。
従って、本発明によれば、交流発電機及び整流器を通じて大きな電力を出力することができるので、上記従来技術のような複雑な構成のデューティサイクル制御装置が不要となる。故に、本発明によれば、簡単かつコンパクトな構成で大きな電力を負荷に供給する電源回路を提供することができる。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態に係る電源回路について、図面を参照しつつ説明する。
図１は、第１実施形態に係る電源回路を示す図である。図２は、第１実施形態における直列共振回路及び整流器を三相交流のうちの１つの相について示す図である。

第１実施形態に係る電源回路１は、主として自動車に適用される。
第１実施形態に係る電源回路１は、交流発電機２の出力電圧を調整する電源回路である。交流発電機２の種類は特に限定されないが、例えば、図１に示される如く、同期発電機とされる。図１に示される交流発電機２は、三相交流同期発電機である。交流発電機２は、ステータに設けられＹ結線された３つの電機子コイル６と、ロータに設けられた界磁コイル９と、界磁コイル９を励磁し界磁コイル９に流す電流を調整する電流調整部１０とを含む。

電源回路１は、整流器３と、コンデンサ４と、タイミング制御部５とを備えている。

図３は、図１の電源回路における整流器３のスイッチングタイミングを示す図であり、（ａ）は上段トランジスタ７１のＯＮ、ＯＦＦ動作を示す図、（ｂ）は下段トランジスタ７２のＯＮ、ＯＦＦ動作を示す図、（ｃ）は交流発電機２の出力電流波形を示す図、（ｄ）は上段トランジスタ７１の出力電圧波形を示す図である。

整流器３は、交流発電機２の出力電圧を整流する。整流器３は、電機子コイル６の出力端子１７に接続されている。整流器３を構成するスイッチング素子は、トランジスタ７である。トランジスタ７の種類は特に限定されるものではないが、例えば、ＭＯＳＦＥＴ等の電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）、バイポーラ型トランジスタ、絶縁ゲートバイポーラ型トランジスタ（ＩＧＢＴ）を挙げることができる。トランジスタ７は、交流発電機２の出力周波数に同期するようにスイッチングする。整流器３は、１つの電機子コイル６から出力された電流を整流する上段トランジスタ７１及び下段トランジスタ７２の組を各相毎に含んでいる。つまり、整流器３は、三相交流に対応する３つの組の上段トランジスタ７１及び下段トランジスタ７２を含んでいる。三相交流の各相において、上段トランジスタ７１と下段トランジスタ７２は交互にＯＮ、ＯＦＦする（図３（ａ）（ｂ）参照）。つまり、上段トランジスタ７１と下段トランジスタ７２は、プッシュプル型の駆動方式でＯＮ、ＯＦＦ制御される。

交流発電機２から出力された電流Iφ（図２、図３（ｃ）参照）は整流器３に入力される。整流器３は、入力電流Iφを整流し、上段トランジスタ７１から整流された電圧Ｖｈ（図２、図３（ｄ）参照）を出力する。整流された電圧は、図３（ｄ）において実線で示している。

コンデンサ４は、図１及び図２に示されるように、交流発電機２の各電機子コイル６と直列に接続され、電機子コイル６と協働して直列共振回路１６を構成する。コンデンサ４は、図１に示される例では、交流発電機２の各電機子コイル６の共通接続点１１と接地との間に介挿されて電機子コイル６と直列に接続されている。交流発電機２は、３つの電機子コイル６を有している。コンデンサ４は１つの電機子コイル６と協働して１つの直列共振回路１６を構成するから、全体として、三相交流に対応する３つの直列共振回路１６が構成される。

タイミング制御部５は、トランジスタ７のスイッチングのタイミングを制御する。タイミング制御部５は、図３（ａ）（ｂ）に示されるように、上段トランジスタ７１と下段トランジスタ７２を各相において交互にスイッチングさせる。各相のスイッチングタイミングは、三相交流に対応して１２０度ずつずれている。タイミング制御部５は、図３（ｃ）に示されるように、上段トランジスタ７１と下段トランジスタ７２によるスイッチングが交流発電機２の出力電流がゼロとなる時点（ゼロクロス点）に同期して行われるように、上段トランジスタ７１と下段トランジスタ７２のスイッチングタイミングを制御する。タイミング制御部５は、例えば、交流発電機２の出力電流値を検知し、その検知結果に基づいて上記タイミング制御を行う。

整流器３の出力端子には、整流器３から入力した電圧を降下させる電圧制御部１２（図１参照）が接続されている。電圧制御部１２はスイッチング・レギュレータである。電圧制御部１２の出力端子には、通常電力負荷１３が接続されている。通常電力負荷１３は、例えば、ＣＰＵ等のように消費電力の少ない電力負荷である。整流器３から出力された電圧は、電圧制御部１２を介して通常電力負荷１３に供給される。
一方、電動モータ等のように大電力を消費する大電力負荷１４は、電圧制御部１２を介さずに整流器３の出力端子に接続されている。整流器３から出力された電圧は、電圧制御部１２を介さずに大電力負荷１４に供給される。

次に、第１実施形態に係る電源回路１の動作について説明する。
まず、自動車の車軸が回転して界磁コイルが回転し、電流調整部１０がバッテリ１５の電力を用いて界磁コイル９に電流を流すことにより、交流発電機２が発電をする。交流発電機２の出力周波数が直列共振回路１６の共振周波数に近くなると、交流発電機２の出力端子１７から出力される電圧の振幅が大きくなる。出力電流も出力電圧の大きさに応じて大きくなるから、共振周波数付近では出力電力が大きくなる。よって、交流発電機２は、共振周波数付近において大きな電力を出力することができる。

交流発電機２の出力端子１７から出力された電流は、整流器３に入力される。整流器３は、図３（ａ）及び図３（ｂ）に示されるように、交流発電機２の出力電流Ｉφがゼロとなるタイミング（図３（ｃ）参照）に同期して、上段トランジスタ７１と下段トランジスタ７２を交互にＯＮ、ＯＦＦする。交流発電機２の出力電流Ｉφが正の値のときに、上段トランジスタ７１をＯＮにする。これにより、図３（ｄ）に示されるように、上段トランジスタ７１の出力電圧は整流される。この整流は、上段トランジスタ７１と下段トランジスタ７２による同期整流なので、スイッチング損失が殆ど生じることなく行われる。従って、交流発電機２から出力された大きな電力をほぼそのままの状態で大電力負荷１４及び電圧制御部１２へ供給することができる。これにより、上記従来技術のように電圧制御部において最大電力を出力させる必要がなくなり、電圧制御部１２のデューティ比を制御する回路を簡素化することができる。

また、本実施形態においては、整流器３から出力された電圧を、通常電力負荷１３へは電圧制御部１２を介して供給し、大電力負荷１４へは電圧制御部１２を介さずに供給するので、通常電力負荷１３及び大電力負荷１４に対し、それぞれ適切な電力を供給することができる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態に係る電源回路について、図面を参照しつつ説明する。
図４は、第２実施形態に係る電源回路を示す図である。第２実施形態については、第１実施形態と同様の構成については同じ参照符号を付して、その説明を省略する。

第２実施形態に係る電源回路１８が第１実施形態と異なる点は、コンデンサの位置であり、他の構成は第１実施形態と同様である。

第２実施形態では、コンデンサ４１は、電機子コイル６の出力端子側に直列に接続され、電機子コイル６と協働して直列共振回路２０を構成している。交流発電機２７は、３つの電機子コイル６を有している。コンデンサ４１は、三相交流の各相毎に設けられている。１つのコンデンサ４１が１つの電機子コイル６と協働して１つの直列共振回路２０を構成するから、全体として、三相交流に対応する３つの直列共振回路２０が構成される。

第２実施形態においても、上記したような、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態に係る電源回路について、図面を参照しつつ説明する。
図５は、第３実施形態に係る電源回路を示す図である。第３実施形態については、第１実施形態と同様の構成については同じ参照符号を付して、その説明を省略する。

第３実施形態に係る電源回路２１が第１実施形態と異なる点は、交流発電機２８において、電機子コイル６と直列に可変リアクトル２２を設けている点であり、その他の構成は第１実施形態と同様である。

コンデンサ４、電機子コイル６及び可変リアクトル２２の３つが協働して直列共振回路２３を構成する。可変リアクトル２２を設けることにより、直列共振回路２３の共振周波数を任意に変化させることができる。

（第４実施形態）
本発明の第４実施形態に係る電源回路について、図面を参照しつつ説明する。
図６は、第４実施形態に係る電源回路を示す図である。第４実施形態については、第１実施形態と同様の構成については同じ参照符号を付して、その説明を省略する。

第４実施形態に係る電源回路２４が第１実施形態と異なる点は、交流発電機２９において、電機子コイル６と並列に可変リアクトル２５を設けている点であり、その他の構成は第１実施形態と同様である。

コンデンサ４、電機子コイル６及び可変リアクトル２５の３つが協働して直列共振回路２６を構成する。可変リアクトル２５を設けることにより、直列共振回路２６の共振周波数を任意に変化させることができる。

なお、上記各実施形態では、交流発電機２を三相交流発電機としたが、２相交流発電機等の他の交流発電機としてもよい。

本発明は、主として自動車において、簡単かつコンパクトな構成で大きな電力を負荷に供給することができる電源回路等として有用である。

第１実施形態に係る電源回路を示す図 第１実施形態における直列共振回路及び整流器を三相交流のうちの１つの相について示す図 第１実施形態に係る電源回路における整流器のスイッチングタイミングを示す図であり、（ａ）は上段トランジスタのＯＮ、ＯＦＦ動作を示す図、（ｂ）は下段トランジスタのＯＮ、ＯＦＦ動作を示す図、（ｃ）は交流発電機の出力電流波形を示す図、（ｄ）は上段トランジスタの出力電圧波形を示す図 第２実施形態に係る電源回路を示す図 第３実施形態に係る電源回路を示す図 第４実施形態に係る電源回路を示す図

符号の説明

１、１８、２１、２４ 電源回路
２、２７、２８、２９ 交流発電機
３ 整流器
４、１９ コンデンサ
５ タイミング制御部
６ 電機子コイル
７ トランジスタ
７１ 上段トランジスタ
７２ 下段トランジスタ
９ 界磁コイル
１０ 電流調整部
１１ 共通接続点
１２ 電圧制御部
１３ 通常電力負荷
１４ 大電力負荷
１５ バッテリ
１６、２０、２３、２６ 直列共振回路
１７ 交流発電機の出力端子
２２、２５ 可変リアクトル

Claims (4)

1. 交流発電機の出力電圧を調整する電源回路であって、
   前記交流発電機の出力電圧を整流する整流器と、
   前記交流発電機の各電機子コイルと直列または並列に接続された可変リアクトルと、
   前記交流発電機の各電機子コイルと直列に接続され、当該電機子コイルおよび前記可変リアクトルと協働して直列共振回路を構成するコンデンサとを備え、
   前記整流器は、前記電機子コイルに接続され、
   前記整流器を構成するスイッチング素子がトランジスタであり、当該トランジスタは、前記交流発電機の出力周波数に同期するようにスイッチングし、
   前記トランジスタのスイッチングのタイミングを制御するタイミング制御部をさらに備えた電源回路。
2. 前記タイミング制御部は、前記トランジスタによるスイッチングが前記交流発電機の出力電流がゼロとなる時点に同期して行われるように、前記タイミングを制御することを特徴とする請求項１に記載の電源回路。
3. 前記整流器から入力した電圧を降下させる電圧制御部をさらに備え、
   前記整流器から出力された電圧は、前記電圧制御部を介して通常電力負荷に供給され、前記通常電力負荷より大きな電力を消費する大電力負荷に前記電圧制御部を介さずに供給されることを特徴とする請求項１に記載の電源回路。
4. 前記交流発電機の界磁コイルの電流を制御する電流調整部をさらに備え、
   前記電流調整部は、前記電流を制御することにより、前記交流発電機の出力電圧を制御することを特徴とする請求項１に記載の電源回路。

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