JP5321651B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、電力変換装置に関する。

従来、電力変換装置として例えば特許文献１に開示されている電動車用電源装置がある。

この電動車用電源装置は、メインスイッチがオンすることによって起動し、走行用電源の直流高電圧を絶縁して降圧し、直流低電圧の補機用電源に供給する装置である。ここで、走行用電源は、走行用モータに直流高電圧を供給する電源である。補機用電源は、制御装置や灯火器等に直流低電圧を供給する電源である。電動車用電源装置は、起動回路と、トランスと、スイッチング回路と、整流平滑回路とを備えている。

起動回路は、メインスイッチがオンすると、走行用電源をスイッチング回路に接続し、スイッチング回路を起動するとともに、走行用電源をトランスに接続する回路である。スイッチング回路は、起動回路を介して走行用電源の直流高電圧が供給されることで起動し、スイッチングすることによって走行用電源の直流高電圧を交流電圧に変換し、トランスの１次巻線に供給する回路である。トランスは、スイッチング回路がスイッチングすることによって起動回路を介して１次巻線に入力される交流電圧を絶縁して降圧し、２次巻線から出力する機器である。整流平滑回路は、トランスの２次巻線から出力される降圧された交流電圧を整流平滑することによって直流低電圧に変換し、補機用電源に供給する回路である。

電動車用電源装置は、メインスイッチがオンすると、起動回路を介して走行用電源をスイッチング回路に接続し、スイッチング回路を起動する。そして、走行用電源をトランスに接続し、スイッチング回路及び整流平滑回路によって、走行用電源の直流高電圧を絶縁して降圧し、直流低電圧の補機用電源に供給する。

特開平７−０８７６０１号公報

ところで、スイッチング回路は、走行用電源の直流高電圧が供給されることで起動する。そのため、直流高電圧が供給される部分については、高耐圧の部品を用いて構成しなければならない。従って、コストが増大してしまうという問題があった。

これに対して、補機用電源の直流低電圧が供給されることでスイッチング回路が起動するようにした構成が提案されている。この場合、メインスイッチがオンすると補機用電源をスイッチング回路に接続しスイッチング回路を起動する別の起動回路を設けなければならない。そして、この別の起動回路にメインスイッチの状態を伝達しなければならない。そのため、メインスイッチからこの別の起動回路までの距離が長いと、メインスイッチの状態を伝達するための配線長が長くなり、コストが増大してしまうという問題があった。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、起動信号に基づいて低電圧の電源を制御回路に接続し制御回路を起動する電力変換装置において、起動信号の配線を増やすことなく制御回路を起動することができる電力変換装置を提供することを目的とする。

そこで、本発明者らは、この課題を解決すべく鋭意研究し試行錯誤を重ねた結果、コンバータ回路の入力端子の電圧に基づいて起動信号の状態を判定することで、起動信号の配線を増やすことなく制御回路を起動できることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、請求項１に記載の電力変換装置は、入力端子に入力される第１電源の電圧を絶縁して異なる電圧に変換し、出力端子から出力して第２電源に供給するコンバータ回路と、第２電源の電圧で起動し、コンバータ回路を制御する制御回路と、外部から入力される起動信号に基づいて第１電源をコンバータ回路の入力端子に接続する第１電源接続回路と、起動信号に基づいて第２電源を制御回路に接続し、制御回路を起動する起動回路と、を備えた電力変換装置において、起動回路は、コンバータ回路の入力端子の電圧に基づいて起動信号の状態を判定し、制御回路を起動することを特徴とする。この構成によれば、コンバータ回路の入力端子の電圧に基づいて起動信号の状態を判定する。そのため、起動信号の配線を増やすことなく制御回路を起動することができる。

請求項２に記載の電力変換装置は、起動回路は、第２電源を制御回路に接続する第２電源接続回路と、コンバータ回路の入力端子に接続され、入力端子の電圧に基づいて起動信号の状態を判定し、判定結果に基づいて第２電源接続回路を駆動する第１駆動回路と、を有することを特徴とする。この構成によれば、起動信号に基づいて制御回路を確実に起動することができる。

請求項３に記載の電力変換装置は、起動回路は、制御回路の指示に基づいて第２電源接続回路を駆動する第２駆動回路を有し、制御回路は、起動した後、第２駆動回路を制御して第２電源接続回路を駆動し、第２電源と制御回路の接続を保持することを特徴とする。この構成によれば、制御回路が起動した後に、コンバータ回路の入力端子の電圧が変動したり、ノイズ等によって第１駆動回路が誤動作したりしても、制御回路を継続して動作させることができる。

請求項４に記載の電力変換装置は、起動回路は、制御回路に指示に基づいて、コンバータ回路の入力端子に接続されている第１駆動回路を入力端子から切断する切断回路を有し、制御回路は、第２電源と制御回路の接続を保持した後に、切断回路を制御してコンバータ回路の入力端子から第１駆動回路を切断することを特徴とする。この構成によれば、制御回路が起動した後に無駄に消費される第１駆動回路の電力を抑えることができる。

請求項５に記載の電力変換装置は、コンバータ回路は、第２電源の電圧を絶縁して異なる電圧に変換し、第１電源に供給することを特徴とする。この構成によれば、第１電源から第２電源に電圧を供給できるだけでなく、第２電源から第１電源にも電圧を供給することができる。

請求項６に記載の電力変換装置は、車両に搭載されることを特徴とする。この構成によれば、車両に搭載される電力変換装置において、起動信号の配線を増やすことなく制御回路を起動することができる。

なお、第１及び第２電源、並びに、第１及び第２駆動回路は、電源及び駆動回路を区別するために便宜的に導入したものである。

本実施形態における電力変換装置の回路図である。

次に実施形態を挙げ、本発明をより詳しく説明する。本実施形態では、本発明に係る電力変換装置を、車両に搭載され、高電圧バッテリの直流電圧を絶縁して降圧し、低電圧バッテリに供給する電力変換装置に適用した例を示す。

まず、図１を参照して本実施形態の電力変換装置の構成について説明する。ここで、図１は、本実施形態における電力変換装置の回路図である。

図１に示す電力変換装置１は、高電圧バッテリＢ１０（第１電源）の直流高電圧を絶縁して降圧し、より低い直流低電圧の低電圧バッテリＢ１１（第２電源）に供給する装置である。ここで、高電圧バッテリＢ１０は、車両駆動用モータ（図略）を駆動するための電源である。低電圧バッテリＢ１１は、車両に搭載された制御装置や灯火器等を駆動するための電源である。高電圧バッテリＢ１０の負極端子は、車体に接続されることなく浮いている。一方、低電圧バッテリＢ１１の負極端子は、車体に接続されている。電力変換装置１は、コンバータ回路１０と、制御回路１１と、メインスイッチ１２（第１電源接続回路）と、起動回路１３とを備えている。

コンバータ回路１０は、入力端子に入力される高電圧バッテリＢ１０の直流電圧を絶縁して降圧し、出力端子から出力して低電圧バッテリＢ１１に供給する回路である。具体的には、スイッチ素子とトランスを有する周知の絶縁型のコンバータ回路である。コンバータ回路１０の正極入力端子はメインスイッチ１２に、負極入力端子は高電圧バッテリＢ１０の負極端子にそれぞれ接続されている。また、正極出力端子は低電圧バッテリＢ１１の正極端子に、負極出力端子は低電圧バッテリＢ１１の負極端子にそれぞれ接続されている。さらに、制御端子は制御回路１１に接続されている。

制御回路１１は、低電圧バッテリＢ１１の直流電圧で起動し、コンバータ回路１０を制御する回路である。また、起動した後に、起動回路１３制御して低電圧バッテリＢ１１と制御回路１１の接続を保持する回路でもある。さらに、低電圧バッテリＢ１１と制御回路１１の接続を保持した後に、起動回路１３を制御してコンバータ回路１０の入力端子から起動回路１３を切断する回路でもある。制御回路１１の正極電源端子は起動回路１３に、負極電源端子は車体にそれぞれ接続されている。また、制御端子はコンバータ回路１０及び起動回路１３にそれぞれ接続されている。

メインスイッチ１２は、外部から入力される起動信号に基づいて高電圧バッテリＢ１０をコンバータ回路１０の入力端子に接続する素子である。具体的には、通常はオフ状態であり、起動信号が入力されたときにオンして、高電圧バッテリＢ１０の正極端子をコンバータ回路１０の正極入力端子に接続する素子である。メインスイッチ１２の一端はコンバータ回路１０の正極入力端子に、他端は高電圧バッテリＢ１０の正極端子にそれぞれ接続されている。また、制御端子には、外部から起動信号が入力されている。

起動回路１３は、外部から入力される起動信号に基づいて低電圧バッテリＢ１１を制御回路１１に接続し、制御回路１１を起動する回路である。具体的には、コンバータ回路１０の入力端子の電圧に基づいて起動信号の状態を判定し、制御回路１１を起動する回路である。より具体的には、コンバータ回路１０の正極入力端子と負極入力端子間の電圧に基づいて起動信号の状態を判定し、制御回路１１を起動する回路である。起動回路１３は、低電圧バッテリ接続回路１３０（第２電源接続回路）と、第１駆動回路１３１と、第２駆動回路１３２と、切断スイッチ１３３（切断回路）とを備えている。

低電圧バッテリ接続回路１３０は、低電圧バッテリＢ１１を制御回路１１に接続する回路である。低電圧バッテリ接続回路１３０は、ＦＥＴ１３０ａと、抵抗１３０ｂ、１３０ｃとを備えている。ＦＥＴ１３０ａのソースは低電圧バッテリＢ１１の正極端子に、ドレインは制御回路１１の正極電源端子に接続されている。また、ゲートは抵抗１３０ｂの一端に接続され、抵抗１３０ｂを介して第１駆動回路１３１及び第２駆動回路１３２にそれぞれ接続されている。さらに、ゲートとソース間には、抵抗１３０ｃが接続されている。なお、抵抗１３０ｂ、１３０ｃの抵抗値は、抵抗１３０ｂの他端が車体に接続されたとき、抵抗１３０ｂ、１３０ｃによって分圧された低電圧バッテリＢ１１の直流低電圧がＦＥＴ１３０ａのゲートに印加され、ＦＥＴ１３０ａがオンするような値に設定されている。

第１駆動回路１３１は、コンバータ回路１０の入力端子の電圧に基づいて起動信号の状態を判定し、判定結果に基づいて低電圧バッテリ接続回路１３０を駆動する回路である。具体的には、コンバータ回路１０の正極入力端子と負極入力端子の間の電圧が所定電圧を超えると、起動信号が入力されたと判定し、低電圧バッテリＢ１１を制御回路１１に接続するように、低電圧バッテリ接続回路１３０を駆動する回路である。第１駆動回路１３１は、抵抗１３１ａと、フォトカプラ１３１ｂとを備えている。抵抗１３１ａの一端はコンバータ回路１０の正極入力端子に、他端は切断スイッチ１３３に接続され、切断スイッチ１３３を介してフォトカプラ１３１ｂに接続されている。フォトカプラ１３１ｂの発光ダイオードのアノードは切断スイッチ１３３に接続され、切断スイッチ１３３を介して抵抗１３１ａの他端に接続されている。また、カソードはコンバータ回路１０の負極入力端子に接続されている。フォトカプラ１３１ｂのフォトトランジスタのコレクタは抵抗１３０ｂの他端に、エミッタは車体にそれぞれ接続されている。なお、抵抗１３１ａの抵抗値は、高電圧バッテリＢ１０の直流高電圧がコンバータ回路１０の入力端子に印加されたとき、フォトカプラ１３１ｂの発光ダイオードが発光し、それに伴ってフォトトランジスタがオンするような値に設定されている。

第２駆動回路１３２は、制御回路１１の指示に基づいて低電圧バッテリ接続回路１３０を駆動する回路である。具体的には、制御回路１１が起動した後に、低電圧バッテリＢ１１と制御回路１１の接続を保持するように指示すると、低電圧バッテリＢ１１を制御回路１１に接続するように低電圧バッテリ接続回路１３０を駆動する回路である。第２駆動回路１３２は、ダイオード１３２ａと、トランジスタ１３２ｂと、抵抗１３２ｃ、１３２ｄとを備えている。ダイオード１３２ａのアノードは抵抗１３０ｂの他端に、カソードはトランジスタ１３２ｂに接続されている。トランジスタ１３２ｂのコレクタはダイオード１３２ａのカソードに、エミッタは車体にそれぞれ接続されている。また、ベースは抵抗１３２ｃ、１３２ｄの一端にそれぞれ接続され、抵抗１３２ｃを介して制御回路１１の制御端子に接続されるとともに、抵抗１３２ｄを介して車体に接続されている。なお、抵抗１３２ｃ、１３２ｄの抵抗値は、制御回路１１によって抵抗１３２ｃの他端に所定電圧が印加されたとき、抵抗１３０ｂ、１３０ｃによって分圧された電圧がトランジスタ１３２ｂのベースに印加され、トランジスタ１３２ｂがオンするような値に設定されている。

切断スイッチ１３３は、制御回路１１の指示に基づいて、コンバータ回路１０の入力端子に接続されている第１駆動回路１３１を入力端子から切断する素子である。具体的には、通常はオン状態であり、制御回路１１が低電圧バッテリＢ１１と制御回路１１の接続を保持した後に、コンバータ回路１０の入力端子から第１駆動回路１３１を切断するように指示するとオフして、コンバータ回路の入力端子から第１駆動回路１３１を切断する素子である。切断スイッチ１３３の一端は抵抗１３１ａの他端に、他端はフォトカプラ１３１ｂの発光ダイオードのアノードにそれぞれ接続されている。

次に、図１を参照して電力変換装置の動作について説明する。

車両のイグニッションスイッチ（図略）がオンすると、外部装置（図略）において起動信号が発生する。外部装置から起動信号が入力されると、メインスイッチ１２がオンし、高電圧バッテリＢ１０をコンバータ回路１０に接続する。その結果、コンバータ回路１０の入力端子に高電圧バッテリＢ１０の直流高電圧が印加される。コンバータ回路１０の入力端子に直流高電圧が印加されると、抵抗１３１ａ及び切断スイッチ１３３を介してフォトカプラ１３１ｂの発光ダイオードに電流が流れ、発光ダイオードが発光する。それに伴って、フォトカプラ１３１ｂのフォトトランジスタがオンする。フォトトランジスタがオンすると、抵抗１３０ｂの他端が車体に接続され、低電圧バッテリＢ１１の直流低電圧が抵抗１３０ｂ、１３０ｃによって分圧される。分圧された電圧がＦＥＴ１３０ａのゲートに印加されると、ＦＥＴ１３０ａがオンする。その結果、低電圧バッテリＢ１１の直流低電圧が制御回路１１の正極電源端子に印加され、制御回路１１が起動する。

起動後、制御回路１１は、抵抗１３２ｃの他端に所定電圧を印加する。印加された所定電圧は、抵抗１３２ｃ、１３２ｄによって分圧される。分圧された電圧がトランジスタ１３２ｂのベースに印加されると、トランジスタ１３２ｂがオンする。その結果、フォトカプラ１３１ｂのフォトトランジスタの状態に関係なく、抵抗１３０ｂの他端が車体に接続され、ＦＥＴ１３０ａのオン状態が保持される。これにより、低電圧バッテリＢ１１と制御回路１１の接続が保持される。

接続保持後、制御回路１１は、切断スイッチ１３３をオフしてコンバータ回路１０の入力端子から第１駆動回路１３１を切断する。

その後、制御回路１１は、コンバータ回路１０を制御し、高電圧バッテリＢ１０の直流高電圧を絶縁して降圧し、より低い直流低電圧を低電圧バッテリＢ１１に供給する。

次に、図４を参照して効果について説明する。

本実施形態によれば、起動回路１３は、コンバータ回路１０の入力端子の電圧に基づいて起動信号の状態を判定する。そのため、車両に搭載され、高電圧バッテリＢ１０の電圧を絶縁して降圧し、低電圧バッテリＢ１１に供給する電力変換装置１において、起動信号の配線を増やすことなく制御回路１１を起動することができる。

また、本実施形態によれば、起動回路１３は、低電圧バッテリＢ１１を制御回路１１に接続する低電圧バッテリ接続回路１３０と、コンバータ回路１０の入力端子に接続され、入力端子の電圧に基づいて起動信号の状態を判定し、判定結果に基づいて低電圧バッテリ接続回路１３０を駆動する第１駆動回路１３１とを備えている。そのため、起動信号に基づいて制御回路１１を確実に起動することができる。

さらに、本実施形態によれば、起動回路１３は、制御回路１１の指示に基づいて低電圧バッテリ接続回路１３０を駆動する第２駆動回路１３２を有し、制御回路１１が、起動後、第２駆動回路１３２を制御して低電圧バッテリ接続回路１３０を駆動し、低電圧バッテリＢ１１と制御回路１１の接続を保持する。そのため、制御回路１１が起動した後に、コンバータ回路１０の入力端子の電圧、つまり高電圧バッテリＢ１０の電圧が変動したり、コンバータ回路１０のスイッチングノイズ等によって第１駆動回路１３１が誤動作したりしても、制御回路１１を継続して動作させることができる。また、スイッチングノイズ等に影響されないため、第１駆動回路１３１をコンバータ回路１０から離して配置する必要もない。第１駆動回路１３１を任意の位置に自由に配置することができる。

加えて、本実施形態によれば、起動回路１３は、コンバータ回路１１の入力端子に接続されている第１駆動回路１３１を入力端子から切断する切断スイッチ１３３を有し、制御回路１１が、接続保持後に、切断スイッチ１３３を制御してコンバータ回路１０の入力端子から第１駆動回路１３１を切断する。そのため、制御回路１１が起動した後に無駄に消費される第１駆動回路１３１の電力を抑えることができる。

なお、本実施形態では、コンバータ回路１０が、いわゆる降圧コンバータ回路である例を挙げているが、これに限られるものではない。コンバータ回路は、昇圧コンバータ回路であってもよい。また、昇降圧コンバータ回路であってもよい。

また、本実施形態では、起動回路１３においてＦＥＴ１３０ａを、第２駆動回路１３２においてトランジスタ１３２ｂを用いている例を挙げているが、これに限られるものではない。他のスイッチング素子やスイッチを用いてもよい。

１・・・電力変換装置、１０・・・コンバータ回路、１１・・・制御回路、１２・・・メインスイッチ（第１電源接続回路）、１３・・・起動回路、１３０・・・低電圧バッテリ接続回路（第２電源接続回路）、１３０ａ・・・ＦＥＴ、１３０ｂ、１３０ｃ・・・抵抗、１３１・・・第１駆動回路、１３１ａ・・・抵抗、１３１ｂ・・・フォトカプラ、１３２・・・第２駆動回路、１３２ａ・・・ダイオード、１３２ｂ・・・トランジスタ、１３２ｃ、１３２ｄ・・・抵抗、１３３・・・切断スイッチ（切断回路）、Ｂ１０・・・高電圧バッテリ（第１電源）、Ｂ１１・・・低電圧バッテリ（第２電源）

Claims (6)

1. 入力端子に入力される第１電源の電圧を絶縁して異なる電圧に変換し、出力端子から出力して第２電源に供給するコンバータ回路と、
   前記第２電源の電圧で起動し、前記コンバータ回路を制御する制御回路と、
   外部から入力される起動信号に基づいて前記第１電源を前記コンバータ回路の前記入力端子に接続する第１電源接続回路と、
   前記起動信号に基づいて前記第２電源を前記制御回路に接続し、前記制御回路を起動する起動回路と、
   を備えた電力変換装置において、
   前記起動回路は、前記コンバータ回路の前記入力端子の電圧に基づいて前記起動信号の状態を判定し、前記制御回路を起動することを特徴とする電力変換装置。
2. 前記起動回路は、
   前記第２電源を前記制御回路に接続する第２電源接続回路と、
   前記コンバータ回路の前記入力端子に接続され、前記入力端子の電圧に基づいて前記起動信号の状態を判定し、判定結果に基づいて前記第２電源接続回路を駆動する第１駆動回路と、
   を有することを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記起動回路は、
   前記制御回路の指示に基づいて前記第２電源接続回路を駆動する第２駆動回路を有し、 前記制御回路は、起動した後、前記第２駆動回路を制御して前記第２電源接続回路を駆動し、前記第２電源と前記制御回路の接続を保持することを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
4. 前記起動回路は、
   前記制御回路の指示に基づいて、前記コンバータ回路の前記入力端子に接続されている前記第１駆動回路を前記入力端子から切断する切断回路を有し、
   前記制御回路は、前記第２電源と前記制御回路の接続を保持した後に、前記切断回路を制御して前記コンバータ回路の前記入力端子から前記第１駆動回路を切断することを特徴とする請求項３に記載の電力変換装置。
5. 前記コンバータ回路は、前記第２電源の電圧を絶縁して異なる電圧に変換し、前記第１電源に供給することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の電力変換装置。
6. 車両に搭載されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の電力変換装置。

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