JP5546710B2 - Dc/dcコンバータ、車載機器および充電装置 - Google Patents
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Description
LEDを使用することでテールランプ100が薄くなり、トランクの容積が拡大する。また、薄くなったテールランプ100の一部をトランクリッド101側へ配置することにより、特に車両後方部分のトランクリッド101の開口部Wを、図18の開口部wより拡大することができ、大きな荷物の出し入れには好都合である。
なお、上記特許文献1〜4はトランスの出力の一部を短絡する構成のため、短絡により電力損失が発生する。この点からも、大電力用のDC/DCコンバータとして使用することは好ましくない。
実施の形態1.
図1に示すDC/DCコンバータ1は、トランス2の1次巻線L1および共振用の補助巻線L3(1次側補助巻線)を内蔵した1次側構成部3と、トランス2の2次巻線L2および共振用の補助巻線L4(2次側補助巻線)を内蔵した2次側構成部4とが個々に形成され、分離可能になっている。このDC/DCコンバータ1は、外部のDC電源11と負荷12に接続し、DC電源11から負荷12に対して電力を供給するものである。
2次側構成部4において、整流ダイオードD1と平滑コンデンサC3からなる整流回路の後段に、出力電流を断続する2次側スイッチング素子FET2が設けられている。2次側制御部9は、負荷12へ印加される出力電圧と2次側電流センサ8が検出する出力電流とに基づいて、2次側スイッチング素子FET2を操作し、負荷12に供給する電力、あるいは電流と電圧を適切な値に制御する。
なお、PFM制御においてON時間を一定にしてもよい。また、PWM制御において周期に対するOFF時間の比率を可変にしてDuty比を変化させてもよいし、ON時間の比率を可変にしてDuty比を変化させてもよい。
また、2次側スイッチング素子FET2のOFF時、DC電源11から1次巻線L1に流入した電流の放出先が途絶えるため、1次巻線L1に発生する電圧も上昇する。さらに、図1のように共振用の補助巻線L3と共振コンデンサC1を備えた構成においては、この共振コンデンサC1の端子電圧も上昇する。
共振用の補助巻線L3と共振コンデンサC1の共振作用により、共振コンデンサC1の端子電圧は図2(c)に示すような略正弦波状となる。また、補助巻線L3に流れる電流も略正弦波状となる。この共振コンデンサC1の端子電圧は、図3(b)に示すように、2次側スイッチング素子FET2がONのときに比べ、2次側スイッチング素子FET2をOFFしたときに1次巻線L1の電圧上昇に伴って上昇する。
なお、上記においてはPWM制御による1次側の制御動作を説明したが、当制御をPFMで行っても構わない。
逆に、2次側スイッチング素子FET2のOFF時間が占める割合が少ないとき、つまりは、負荷12に対する電力を増加するときは、PFM制御またはPWM制御によって1次巻線L1に投入する電力を増加する。
1次側制御部6が上記操作を行うことで、2次側制御部9がPFM制御を行う場合には2次側スイッチング素子FET2のON/OFF動作を所定の周期(例えば、1ms)に保ち、2次側制御部9がPWM制御を行う場合には2次側スイッチング素子FET2のON/OFF時間を所定の比率(例えば、990μs/10μs)に保つことができる。
1次側構成部3に対して、2次側構成部4が正規の位置に設置されていないとき(両者が引き離されたとき)には、2次側スイッチング素子FET2が長時間かつ連続的にOFFしている状態と同等の、異常な挙動になる。また、出力端子に負荷12が接続されていないとき、出力端子間が短絡されたとき等にも異常な挙動になる。
1次側制御部6は、2次側スイッチング素子FET2のOFF状態が所定期間t1(例えば、10ms)継続した場合に当動作を異常な挙動と判断して、1次側スイッチング素子FET1の動作を停止し、1次側からの電力供給を停止する。あるいは、異常な挙動を判断した時、先ず1次側から供給する電力を極少量に減少させ、その後に電力供給を停止してもよい。
1次側制御部6は、2次側スイッチング素子FET2のON状態が所定期間t1継続した場合に当動作を異常な挙動と判断して、1次側からの電力供給を停止する。
なお、1次側制御部6は、所定期間t1および後述する待機期間t2を計時するためのタイマ回路(図示せず)を備えている。
1次側制御部6は、2次側スイッチング素子FET2の断続動作を所定期間t1検出できないとき、即ち、1次側構成部3に対して2次側構成部4が正規の位置に設置されていないとき、出力端子に負荷12が接続されていないとき、出力端子間が短絡されたとき等に生じる2次側スイッチング素子FET2の長時間かつ連続的なOFFまたはON状態と同等な動作を検出したとき、所定の待機期間t2(例えば、10秒)、1次側スイッチング素子FET1の動作を停止し、1次側からの電力供給を停止する(待機状態の開始)。
一方、2次側スイッチング素子FET2の断続動作に応じた1次側の挙動を検出できなかった場合、1次側制御部6は再度、1次側からの電力供給動作を所定の待機期間t2停止する(待機状態の維持)。
また、上記説明では1次側制御部6が共振コンデンサC1の端子電圧を検出することにより、補助巻線L3に生じる電圧の変動を観測する構成にしたが、これに限定されるものではなく、1次巻線L1に流れる電流(即ち、1次側に流入する電流)の変動を観測して、2次側スイッチング素子FET2の断続動作を判断してもよい。
なお、上記構成においては2次側の変動が観測しやすく、効率の高い共振動作を行うDC/DCコンバータを例に用いて説明したが、当2次側の断続動作に応じた1次側の挙動が観測できる構成であれば、効率が若干劣るが共振動作を伴わない一般的な構成のDC/DCコンバータの1次側構成部3と2次側構成部4を分離可能に構成することもできる。
なお、上記共振用の補助巻線は、1次巻線あるいは2次巻線と同軸上に巻回されたものを使用する。
図10は、この発明の実施の形態2に係るDC/DCコンバータ1eの構成を示す回路図である。このDC/DCコンバータ1eは、図1に示すDC/DCコンバータ1に、2次側スイッチング素子FET2のON/OFFにより動作するDC/DCコンバータ20(変換用DC/DCコンバータ)を追加した構成である。なお、図10において図1と同一または相当の部分については同一の符号を付し説明を省略する。
本実施の形態3では、上記実施の形態1,2に示したDC/DCコンバータ1〜1fのトランス2を構成するコア(磁性部材)について説明する。
図12は、略直方体の棒コア30の形状を示す斜視図である。2個の棒コア30を平行に並べ、その一方の棒コア30に1次巻線L1を巻回し、もう一方の棒コア30に2次巻線L2を巻回して、図6〜図8に示したトランス2を構成する。
さらに、図示は省略するが、1次側の棒コア30に、1次巻線L1と同軸に補助巻線L3を巻回し、2次側の棒コア30に、2次巻線L2と同軸に補助巻線L4を巻回して、図1および図9〜図11に示したトランス2を構成する。
本実施の形態4では、上記実施の形態1〜3に示したDC/DCコンバータ1〜1fを使用した第1例の車載機器について説明する。これらDC/DCコンバータ1〜1fを、車両から分割され得る部位(可動部)に装備された負荷12(負荷部)の電力供給に使用する。以下、DC/DCコンバータ1〜1fを代表してDC/DCコンバータ1を例にし、図1を援用して説明する。
例えば先立って説明した図19に示す車両において、トランクリッド101に設置されたテールランプ100に備えた光源に対して点灯用の電力を供給する点灯装置として、DC/DCコンバータ1を用いる。車載バッテリ(図1のDC電源11に相当する)が搭載された車体側に1次側構成部3を設置し、トランクリッド101側の1次側構成部3対向部に2次側構成部4を設置して、テールランプ100に備えた光源(図1の負荷12に相当する)に点灯用電力を供給する。この構成にすれば、テールランプ100に備えた光源に点灯用電力を供給する配線を、車体側からヒンジ部とトランクリッド101を経由してテールランプ100まで配策する必要がない。
本実施の形態5では、上記実施の形態1〜3に示したDC/DCコンバータ1〜1fを使用した第2例の車載機器について説明する。これらDC/DCコンバータ1〜1fを、相対的な位置関係が変化する2部材(固定部と可動部)の可動側に装備された負荷12(負荷部)の電力供給に使用する。以下、DC/DCコンバータ1〜1fを代表してDC/DCコンバータ1を例にし、図1を援用して説明する。
また、車体からトランクリッドまたはボンネット(可動部)のヒンジ部を経由して大回りして配策する配線と、当配線を保護する部材を削減できる。よって、分離可能なDC/DCコンバータを使用して、デザイン(見栄え)を保全した点灯装置を構成することができる。
上記実施の形態4,5では、DC/DCコンバータ1〜1fを使用した光源点灯装置を説明したが、用途はこれに限定されるものではない。また、上述したように、DC/DCコンバータ1〜1fは大電力出力が可能である。そこで、本実施の形態6では、DC/DCコンバータ1〜1fの大電力向きの用途として、電気自動車等の車載バッテリを充電する充電装置に応用する例を説明する。なお、バッテリの充電電力は100W〜10kW程度で、出力電圧は12V〜400V程度、出力電流は1A〜30A程度である。
以下、DC/DCコンバータ1〜1fを代表してDC/DCコンバータ1を例にし、図1を援用して説明する。
なお、上記においては、1次側構成部3を地上に配置したが、1次側構成部3と2次側構成部4を対向させることができる位置であれば、設置場所は上記以外でも構わない。
1次側構成部3の1次側制御部6は、上記2次側スイッチング素子FET2の断続動作を検出して、待機状態から充電動作に切り替え、2次側構成部4への連続的な電力供給動作を行い、充電電力の送電動作を開始する。
2次側制御部9は、出力電圧等を監視してバッテリの充電が完了したことを検出すると、2次側スイッチング素子FET2を連続的にOFFする。当操作によって実行される2次側スイッチング素子FET2のOFF状態が所定期間t1以上経過したときに、1次側構成部3の1次側制御部6は、当2次側スイッチング素子FET2がOFF状態になったことを判断して、2次側構成部4への電力供給を停止して待機状態に戻る。
なお、充電の途中で車両が移動し、駐車場から出たときにも、2次側スイッチング素子FET2が所定時間t1以上経過するOFF状態と同等の挙動になるので、1次側構成部3の1次側制御部6の操作によって、電力供給を停止して待機状態に戻る。
Claims (17)
- トランスの1次側構成部と2次側構成部が分離可能に構成されたDC/DCコンバータであって、
前記1次側構成部は、
前記トランスの1次巻線と、
外部電源から前記1次巻線へ流れる電流を断続する1次側スイッチング素子と、
前記1次側スイッチング素子の断続動作を操作して、前記1次巻線へ供給する電力を任意の値に制御する1次側制御部とを有し、
前記2次側構成部は、
前記トランスの2次巻線と、
前記2次巻線から前記2次側構成部に接続される負荷へ流れる電流を断続する2次側スイッチング素子と、
前記2次側スイッチング素子の断続動作を操作して、前記負荷へ供給する電力を任意の値に制御する2次側制御部とを有し、
前記1次側制御部は、前記2次側スイッチング素子の断続動作により生じる前記1次側構成部内の電気的な挙動を検出し、当電気的な挙動に基づいて前記1次側スイッチング素子を操作して、前記1次巻線から前記2次巻線へ供給する電力を制御することを特徴とするDC/DCコンバータ。 - 前記電気的な挙動は、前記1次巻線に生じる電圧の変動、あるいは前記1次巻線に流れる電流の変動で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1次側構成部は、前記1次巻線と磁気的に結合した1次側補助巻線を有し、
前記電気的な挙動は、前記1次側補助巻線に生じる電圧の変動、あるいは前記1次側補助巻線に流れる電流の変動で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2次側制御部は、前記2次側スイッチング素子の断続動作として、前記2次側スイッチング素子の導通時間または非導通時間の一方を一定、もう一方を可変にして、導通と非導通の繰返し周期を変化させる操作を行う、あるいは、導通と非導通の繰返し周期を一定にして、導通時間と非導通時間の比率を変化させる操作を行うことを特徴とする請求項1記載のDC/DCコンバータ。
- 前記1次側制御部は、前記2次側スイッチング素子の断続動作が所定の周期になるよう、あるいは、導通時間と非導通時間が所定の比率になるよう、前記1次巻線から前記2次巻線へ供給する電力を制御することを特徴とする請求項4記載のDC/DCコンバータ。
- 前記2次側構成部は、前記2次側スイッチング素子の出力を平滑する平滑用コンデンサを有す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2次側構成部は、前記2次側スイッチング素子によって動作し、前記2次巻線の出力を任意に変換する変換用DC/DCコンバータを有す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1次側制御部は、前記1次側スイッチング素子の断続動作中に、前記2次側制御部の操作によって発生する電気的な挙動を所定期間検出できない場合、前記1次側スイッチング素子の動作を停止す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1次側制御部は、前記1次側スイッチング素子の断続動作中に、前記2次側制御部の操作によって発生する前記電気的な挙動を所定時間検出できない場合、所定の待機期間、前記1次側スイッチング素子の動作を停止した後に断続動作を再開し、当再開したときに前記電気的な挙動が検出できれば当断続動作を継続し、前記電気的な挙動が検出できなければ再び前記所定の待機期間、前記1次側スイッチング素子の動作を停止す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1次巻線あるいは前記2次巻線が巻回された磁性部材は、略棒状あるいは略直方体状で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1次巻線あるいは前記2次巻線が巻回された磁性部材は、略円板状あるいは略円筒状で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1次側構成部および前記2次側構成部のどちらか一方、あるいは、それぞれが共振用の巻線とコンデンサとを有して、共振式のDC/DCコンバータを構成することを特徴とする請求項1記載のDC/DCコンバータ。
- 車両に搭載された負荷部と、前記負荷部に電力を供給する請求項1記載のDC/DCコンバータとを備えた車載機器であって、
前記車両に対して可動する可動部を備え、前記DC/DCコンバータの前記1次側構成部が前記車両に設置され、前記2次側構成部と前記負荷部が前記可動部に設置されたことを特徴とする車載機器。 - 車両に搭載された負荷部と、前記負荷部に電力を供給する請求項1記載のDC/DCコンバータとを備えた車載機器であって、
前記車両に固定された固定部と、前記固定部に対して可動する可動部とを備え、前記DC/DCコンバータの前記1次側構成部が前記固定部に設置され、前記2次側構成部と前記負荷部が前記可動部に設置されたことを特徴とする車載機器。 - 前記負荷部は半導体光源であり、前記DC/DCコンバータは当半導体光源を点灯する電力を供給する点灯装置であることを特徴とする請求項13記載の車載機器。
- 前記負荷部は半導体光源であり、前記DC/DCコンバータは当半導体光源を点灯する電力を供給する点灯装置であることを特徴とする請求項14記載の車載機器。
- 車両に搭載されたバッテリに充電電力を供給する請求項1記載のDC/DCコンバータを備えた充電装置であって、
前記DC/DCコンバータの前記1次側構成部が前記車両以外に設置され、前記2次側構成部が前記車両に設置されたことを特徴とする充電装置。
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