JP5656255B2 - 電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、逆電流防止用ダイオードを備えた電源装置に関する。

従来から、逆電流防止用ダイオードを備えた電源装置として、太陽電池と外部交流電源とを併用してバッテリー等の負荷に電力を供給するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

図３は、太陽電池と外部交流電源とを併用して負荷に電力を供給する電源装置の一例を示す回路図である。同図に示す電源装置は、太陽電池１から供給される直流電圧で動作する降圧チョッパー回路２と、外部交流電源５から供給される交流電圧で動作するＡＣ／ＤＣ回路（補助電源回路）６と、降圧チョッパー回路２の出力端と負荷４との間に接続された第１逆電流防止用ダイオード３と、ＡＣ／ＤＣ回路６の出力端と負荷４との間に接続された第２逆電流防止用ダイオード７と、を備えている。

また、降圧チョッパー回路２は、太陽電池１の一方端に直列接続されたＦＥＴ２ａおよびリアクトル２ｂと、太陽電池１の他方端とＦＥＴ２ａの出力端（ドレイン）との間に接続された還流ダイオード２ｃと、太陽電池１の他方端とリアクトル２ｂの出力端との間に接続された平滑コンデンサ２ｄと、太陽電池１の他方端と第１逆電流防止用ダイオード３のアノードとの間に接続された抵抗２ｆ、２ｇと、該抵抗２ｆ、２ｇにより分圧された電圧値に基づいてＦＥＴ２ａのオン／オフを切り替えてデューティサイクルを制御する制御回路２ｅと、から構成されている。

図３に示す電源装置では、太陽電池１が発電している場合、太陽電池１から供給された直流電力が降圧チョッパー回路２および第１逆電流防止用ダイオード３を介して負荷４に供給され、太陽電池１が発電していない場合、外部交流電源５から供給された交流電力がＡＣ／ＤＣ回路６および第２逆電流防止用ダイオード７を介して負荷４に供給される。

特開平５−１０８１７６号公報

ところで、図３に示す従来の電源装置では、第１逆電流防止用ダイオード３により、ＡＣ／ＤＣ回路６や負荷４から降圧チョッパー回路２へ直流電流が流れるのを防ぐことができる反面、降圧チョッパー回路２から出力される直流電流が大きくなると、第１逆電流防止用ダイオード３の順方向電圧（ＶＦ）による損失も大きくなり、電源装置の変換効率を悪化させる要因となっていた。

一方、第１逆電流防止用ダイオード３を取り除くと、太陽電池１が発電していない場合にＡＣ／ＤＣ回路６から出力された直流電圧が降圧チョッパー回路２に印加されてしまうので、制御回路２ｅは降圧チョッパー回路２が所定の直流電圧を出力している誤認識してしまい、太陽電池１の発電が始まってもＦＥＴ２ａのオン／オフの切り替えが行われないおそれがあった。

また、第１逆電流防止用ダイオード３を取り除くと、ＡＣ／ＤＣ回路６の出力端が、第２逆電流防止用ダイオード７、リアクトル２ｂ、ＦＥＴ２ａのソース・ドレイン間に寄生しているボディダイオード、および太陽電池１を通じてグランドに短絡した状態となるので、太陽電池１が発電していない場合にＡＣ／ＤＣ回路６から出力される直流電流は、負荷４に供給されることなくグランドに流れてしまうおそれがあった。

本発明は上記事情を鑑みてなされたものであって、その課題とするところは、逆電流防止用ダイオードにより降圧チョッパー回路への直流電流の逆流を防ぎつつ、該逆電流防止用ダイオードの順方向電圧による損失を軽減することができる電源装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る電源装置は、太陽電池から供給される直流電圧を降圧ＤＣ／ＤＣ回路により電圧変換して第１逆電流防止用ダイオードを介して負荷に供給する第１モードと、交流電源から供給される交流電圧をＡＣ／ＤＣ回路により直流電圧に変換して第２逆電流防止用ダイオードを介して負荷に供給する第２モードとを選択的に実行する電源装置であって、
第１逆電流防止用ダイオードに並列接続された、第１逆電流防止用ダイオードの順方向抵抗よりもオン抵抗が小さいＦＥＴと、太陽電池からの直流電圧の供給による降圧ＤＣ／ＤＣ回路の起動を検知してＦＥＴをオンさせるとともに、太陽電池からの直流電圧の供給停止による降圧ＤＣ／ＤＣ回路の動作停止を検知してＦＥＴをオフさせるＦＥＴ制御回路とを備え、降圧ＤＣ／ＤＣ回路は、太陽電池の一方端と負荷との間に直列接続されたスイッチング素子および第１リアクトルを有し、ＦＥＴ制御回路は、第１リアクトルと電磁結合され、第１リアクトルに流れる電流に応じた誘起電圧を発生させる第２リアクトルを有し、スイッチング素子の動作により第１リアクトルに電流が流れることで、第２リアクトルに誘起電圧を発生させ、降圧ＤＣ／ＤＣ回路の起動を検知することを特徴とする。

この構成によれば、太陽電池からの直流電圧の供給による降圧ＤＣ／ＤＣ回路（降圧チョッパー回路）の起動を検知すると、第１逆電流防止用ダイオードに並列接続されたＦＥＴがオンになり、降圧チョッパー回路から出力される直流電流の大部分がＦＥＴを介して負荷に供給される。ここで、ＦＥＴのオン抵抗は、第１逆電流防止用ダイオードの順方向抵抗より小さいので、第１逆電流防止用ダイオードの順方向電圧による損失を軽減することができる。

また、この構成によれば、太陽電池からの直流電圧の供給停止による降圧チョッパー回路の動作を検知すると、第１逆電流防止用ダイオードに並列接続されたＦＥＴがオフになり、第１逆電流防止用ダイオードの逆流防止作用により、ＡＣ／ＤＣ回路から太陽電池への電圧印加を防止することができる。

さらに、上記ＦＥＴ制御回路は、第２リアクトルの両端に入力端が接続され、第２リアクトルに発生した誘起電圧を全波整流する全波整流回路と、全波整流回路の出力端に接続され、全波整流回路により全波整流して得られた直流電圧をＦＥＴのゲートに印加するゲートドライブ回路と、を有することが好ましい。

さらに、上記ゲートドライブ回路は、全波整流回路の出力端子間に並列接続された第１の抵抗と、アノードが第１の抵抗の一方端に接続され、カソードがＦＥＴのゲートに接続されたダイオードと、ベースが第１の抵抗の一方端とダイオードのアノードとの接続部に接続され、エミッタがダイオードのカソードとＦＥＴのゲートとの接続部に接続され、コレクタが第１の抵抗の他方端とＦＥＴのソースとの接続部に接続されたＰＮＰ型トランジスタと、を有することが好ましい。

また、本発明に係る電源装置は、全波整流回路の出力端とゲートドライブ回路との間に介装されたシリーズレギュレータ回路をさらに備え、
シリーズレギュレータ回路は、全波整流回路の出力端子間に直列接続された第２の抵抗およびツェナーダイオードと、第２の抵抗とツェナーダイオードとの接続部にベースが接続され、全波整流回路の出力端と第２の抵抗との接続部にコレクタが接続され、ダイオードのアノードにエミッタが導通接続されたＮＰＮ型トランジスタと、を有することが好ましい。

この構成によれば、第２リアクトルに発生する誘起電圧の変動が大きくなり、全波整流回路により全波整流された電圧がＦＥＴのゲート電圧の定格を超えても、シリーズレギュレータ回路によって定格を超えた分の電圧をカットすることができる。このため、第２リアクトルに発生する誘起電圧が低くなる期間であってもＦＥＴのゲートを十分にドライブさせる電圧が発生するように、第２リアクトルの巻数を調整することができる。これにより、第１モードが実行されている間の全期間において、ＦＥＴのゲートを十分にドライブさせることができるようになるので、ＦＥＴのオン抵抗を低減することができ、その結果、損失をより軽減することができる。

また、本発明に係る電源装置は、第１モードが実行不能な場合に限り第２モードを実行してもよい。

本発明によれば、第１逆電流防止用ダイオードにより降圧チョッパー回路への直流電流の逆流を防ぎつつ、該第１逆電流防止用ダイオードの順方向電圧による損失を軽減することができる電源装置を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る電源装置の回路図である。 本発明の第２実施形態に係る電源装置の回路図である。 従来の電源装置の回路図である。

以下、添付図面を参照して、本発明に係る電源装置の好ましい実施形態について説明する。なお、図１および図２に示す構成要素のうち、図３の説明で使用した箇所と同一箇所については同一の参照符号を用いるものとする。

＜第１実施形態＞
［回路構成］
図１に、本発明の第１実施形態に係る電源装置を示す。同図に示すように、本実施形態に係る電源装置は、従来の電源装置と同様の構成要素として、太陽電池（直流電源）１から供給される直流電圧で動作する降圧チョッパー回路２と、外部交流電源５から供給される交流電圧で動作するＡＣ／ＤＣ回路６と、降圧チョッパー回路２の出力端と負荷４との間に接続された第１逆電流防止用ダイオード３と、ＡＣ／ＤＣ回路６の出力端と負荷４との間に接続された第２逆電流防止用ダイオード７と、を備えている。

降圧チョッパー回路２は、太陽電池１の一方端に直列接続されたＦＥＴ（スイッチング素子）２ａおよび第１リアクトル２ｂと、太陽電池１の他方端とＦＥＴ２ａの出力端（ドレイン）との間に接続された還流ダイオード２ｃと、太陽電池１の他方端と第１リアクトル２ｂの出力端との間に接続された平滑コンデンサ２ｄと、太陽電池１の他方端と第１逆電流防止用ダイオード３のアノードとの間に接続された抵抗２ｆおよび２ｇからなる直列回路と、該抵抗２ｆ、２ｇにより分圧された電圧値に基づいてＦＥＴ２ａのオン／オフを切り替えてデューティサイクルを制御する制御回路２ｅと、から構成されている。

そして、本実施形態に係る電源装置は、新規な構成要素として、第１逆電流防止用ダイオード３の順方向抵抗よりもオン抵抗が小さいＮチャネル型ＭＯＳＦＥＴ（以下、「ＦＥＴ」という。）１１と、ＦＥＴ制御回路１２とをさらに備えている。ＦＥＴ制御回路１２は、第１リアクトル２ｂと電磁結合され、第１リアクトル２ｂに流れる電流に応じた誘起電圧を発生させる第２リアクトル８と、該第２リアクトル８の両端に入力端が接続され、該第２リアクトル８で発生した誘起電圧を全波整流する全波整流回路９と、該全波整流回路９の出力端に接続されたゲートドライブ回路１０とを有している。ＦＥＴ１１は、該ゲートドライブ回路１０の出力端に接続されるとともに第１逆電流防止用ダイオード３に並列接続されている。

ゲートドライブ回路１０は、全波整流回路９の出力端に並列接続された抵抗（第１の抵抗）１０ａと、アノードが抵抗１０ａの一方端に接続され、カソードがＦＥＴ１１のゲートに接続されたダイオード１０ｂと、ベースが抵抗１０ａの一方端とダイオード１０ｂのアノードとの接続部に接続され、エミッタがダイオード１０ｂのカソードとＦＥＴ１１のゲートとの接続部に接続され、コレクタが抵抗１０ａの他方端とＦＥＴ１１のソースとの接続部に接続されたＰＮＰ型トランジスタ１０ｃと、全波整流回路９の出力端とダイオード１０ｂのアノードとの間に直列接続された抵抗１０ｄと、から構成されている。

［動作］
次に、本実施形態に係る電源装置の動作について、太陽電池１の発電時における動作（第１モード）と太陽電池１の非発電時における動作（第２モード）とに分けて説明する。

（発電時における動作）
太陽電池１の発電が始まると、制御回路２ｅの制御下でＦＥＴ２ａがオンになり、太陽電池１から供給される直流電圧に基づく電流（直流電流）が、ＦＥＴ２ａを介して第１リアクトル２ｂに流れ込む。第１リアクトル２ｂに流れ込んだ直流電流は、平滑コンデンサ２ｄにより平滑化されて降圧チョッパー回路２から出力される。
なお、第１リアクトル２ｂには、流れ込んだ直流電流に応じたエネルギーが蓄積される。

制御回路２ｅの制御下でＦＥＴ２ａがオンからオフに切り替わると、還流ダイオード２ｃのフライホイール効果により、第１リアクトル２ｂに蓄積されたエネルギーが直流電流として放出される。
該直流電流は、ＦＥＴ２ａがオンのときと同様に、平滑コンデンサ２ｄにより平滑化されて降圧チョッパー回路２から出力される。

ＦＥＴ２ａのオン／オフの切り替えは、抵抗２ｆ、２ｇにより分圧された電圧値が一定の値となるように、制御回路２ｅにより行われる。

ところで、第１リアクトル２ｂには第２リアクトル８が電磁結合されている。このため、第１リアクトル２ｂに直流電流が流れると、第１リアクトル２ｂと第２リアクトル８との巻数比に応じた誘起電圧が第２リアクトル８の両端に発生する。

第２リアクトル８の両端に発生した誘起電圧は、全波整流回路９により全波整流され、ゲートドライブ回路１０内の抵抗１０ｄを介して抵抗１０ａの両端に印加される。そして、抵抗１０ａの両端に印加された直流電圧は、ダイオード１０ｂを介してＦＥＴ１１のゲート・ソース間に印加される。ＦＥＴ１１のゲート・ソース間に直流電圧が印加されることにより、ＦＥＴ１１はオンになる。
このとき、ＰＮＰ型トランジスタ１０ｃのベース・エミッタ間はダイオード１０ｂの順方向電圧により逆バイアスになっているので、ＰＮＰ型トランジスタ１０ｃはオフになる。

このように、太陽電池１が発電し始めるとＦＥＴ１１は瞬時にオンになるので、降圧チョッパー回路２から出力された直流電流の大部分は、第１逆電流防止用ダイオード３の順方向抵抗よりもオン抵抗が小さいＦＥＴ１１を介して負荷４に供給される。

（非発電時における動作）
一方、太陽電池１の発電が停止した場合は、ＡＣ／ＤＣ回路６から出力された直流電流が負荷４に供給される。具体的には、外部交流電源５から供給された交流電圧がＡＣ／ＤＣ回路６により直流電圧に変換され、該直流電圧に基づく電流が第２逆電流防止用ダイオード７を介して負荷４に供給される。

また、太陽電池１の発電が停止した場合は、制御回路２ｅの制御下でＦＥＴ２ａのオン／オフの切り替えも停止されるので、第１リアクトル２ｂに直流電流が流れなくなり、第２リアクトル８に誘起電圧が発生しなくなる。

第２リアクトル８に誘起電圧が発生しなくなると、ゲートドライブ回路１０内の抵抗１０ａの両端に印加されている直流電圧が低下し、ＰＮＰ型トランジスタ１０ｃのベース電圧がゼロになる。一方、ＰＮＰ型トランジスタ１０ｃのエミッタ電圧は、ＦＥＴ１１のゲートに帯電した電荷により正電圧に保たれている。
これにより、ＰＮＰ型トランジスタ１０ｃのベース・エミッタ間が順バイアスとなるので、ＦＥＴ１１のゲートに帯電した電荷がＰＮＰ型トランジスタ１０ｃのエミッタ・ベース間を介して抵抗１０ａに流れ始め、ＰＮＰ型トランジスタ１０ｃはオンになる。

ＰＮＰ型トランジスタ１０ｃがオンになると、ＦＥＴ１１のゲート・ソース間が短絡されるので、ＦＥＴ１１はオフになる。

このように、太陽電池１が発電しなくなるとＦＥＴ１１は瞬時にオフになるので、ＡＣ／ＤＣ回路６から出力された直流電流は、降圧チョッパー回路２へ逆流することなく、確実に負荷４に供給される。

以上のように、本実施形態に係る電源装置によれば、太陽電池１が発電している場合、すなわち、太陽電池１から降圧チョッパー回路２に所定の直流電圧が供給されている場合には、第１逆電流防止用ダイオード３に並列接続されたＦＥＴ１１がオンになり、降圧チョッパー回路３から出力される直流電流の大部分がＦＥＴ１１に流れるので、第１逆電流防止用ダイオード３の順方向電圧による損失を軽減することができ、電源装置の変換効率を改善することができる。

また、本実施形態に係る電源装置によれば、太陽電池１が発電していない場合、すなわち、太陽電池１から降圧チョッパー回路２に所定の直流電圧が供給されていない場合には、第１逆電流防止用ダイオード３に並列接続されたＦＥＴ１１がオフになるので、第１逆電流防止用ダイオード３によりＡＣ／ＤＣ回路６から出力された出力電流が降圧チョッパー回路２へ逆流するのを確実に防ぐことができる。

＜第２実施形態＞
図２に、本発明の第２実施形態に係る電源装置を示す。本実施形態に係る電源装置は、ＦＥＴ制御回路１２’の構成が異なること以外の点において、第１実施形態に係る電源装置と共通している。

同図に示すように、本実施形態におけるＦＥＴ制御回路１２’は、第２リアクトル８、全波整流回路９およびゲートドライブ回路１０に加えて、全波整流回路９の出力端とゲートドライブ回路１０との間に介装されたシリーズレギュレータ回路１３を有している。

シリーズレギュレータ回路１３は、全波整流回路９の出力端子間に並列接続された抵抗（第２の抵抗）１３ａおよびツェナーダイオード１３ｂからなる直列回路と、抵抗１３ａとツェナーダイオード１３ｂとの接続部にベースが接続され、全波整流回路９の出力端と抵抗１３ａとの接続部にコレクタが接続されたＮＰＮ型トランジスタ１３ｃと、ＮＰＮ型トランジスタ１３ｃのエミッタにアノードが接続され、抵抗１０ｄにカソードが接続されたダイオード１３ｄとを有している。

ところで、太陽電池１から供給される直流電圧は、気候や季節によって大きく変動することがあり、この場合、第２リアクトル８に発生する誘起電圧、および全波整流回路９により全波整流された電圧も大きく変動することになり、その結果、ＦＥＴ１１のゲートに印加される電圧が大きく変動することになる。

第１実施形態に係る電源装置では、通常、ＦＥＴ１１のゲートに定格を超える電圧が印加されないように第２リアクトル８の巻数を調整しているので、太陽電池１から供給される直流電圧の変動があまりにも大きいと、ＦＥＴ１１のゲートに印加される電圧が低くなりすぎて、ＦＥＴ１１のゲートを十分にドライブさせることができなくなる期間が発生するおそれがあった。

この点、本実施形態に係る電源装置によれば、ＦＥＴ制御回路１２’がシリーズレギュレータ回路１３を有しているので、第２リアクトル８に発生する誘起電圧の変動が大きくなり、全波整流回路９により全波整流された電圧がＦＥＴ１１のゲート電圧の定格を超えても、シリーズレギュレータ回路１３によって定格を超えた分の電圧をカットすることができる。このため、第２リアクトル８に発生する誘起電圧が低くなる期間であってもＦＥＴ１１のゲートを十分にドライブさせる電圧が発生するように、第２リアクトルの巻数を調整することができる。

結局、本実施形態に係る電源装置によれば、第１モードが実行されている間の全期間において、ＦＥＴ１１のゲートを十分にドライブさせることができるようになるので、ＦＥＴ１１のオン抵抗を低減することができ、その結果、損失をより軽減することができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。

例えば、ＦＥＴ制御回路１２、１２’は上記実施形態の構成に限定されず、太陽電池１から降圧チョッパー回路２に所定の直流電圧が供給されている場合にＦＥＴ１１をオンさせ、太陽電池１から降圧チョッパー回路２に所定の直流電圧が供給されていない場合にＦＥＴ１１をオフさせるものであれば任意に使用することができる。

また、上記実施形態では、ＦＥＴ１１としてＮチャネル型ＭＯＳＦＥＴを使用したが、第１逆電流防止用ダイオード３の順方向抵抗よりもオン抵抗が小さいＦＥＴであれば任意に使用することができる。

１ 太陽電池
２ 降圧チョッパー回路
２ａ ＦＥＴ
２ｂ 第１リアクトル
２ｃ 還流ダイオード
２ｄ 平滑コンデンサ
２ｆ、２ｇ 抵抗
３ 第１逆電流防止用ダイオード
４ 負荷
５ 外部交流電源
６ ＡＣ／ＤＣ回路
７ 第２逆電流防止用ダイオード
８ 第２リアクトル
９ 全波整流回路
１０ ゲートドライブ回路
１０ａ、１０ｄ 抵抗
１０ｂ ダイオード
１０ｃ ＰＮＰ型トランジスタ
１１ ＦＥＴ
１２、１２’ ＦＥＴ制御回路
１３ シリーズレギュレータ回路
１３ａ 抵抗
１３ｂ ツェナーダイオード
１３ｃ ＮＰＮ型トランジスタ
１３ｄ ダイオード

Claims (5)

1. 太陽電池から供給される直流電圧を降圧ＤＣ／ＤＣ回路により電圧変換して第１逆電流防止用ダイオードを介して負荷に供給する第１モードと、交流電源から供給される交流電圧をＡＣ／ＤＣ回路により直流電圧に変換して第２逆電流防止用ダイオードを介して負荷に供給する第２モードとを選択的に実行する電源装置であって、
   前記第１逆電流防止用ダイオードに並列接続された、前記第１逆電流防止用ダイオードの順方向抵抗よりもオン抵抗が小さいＦＥＴと、
   前記太陽電池からの直流電圧の供給による前記降圧ＤＣ／ＤＣ回路の起動を検知して前記ＦＥＴをオンさせるとともに、前記太陽電池からの直流電圧の供給停止による前記降圧ＤＣ／ＤＣ回路の動作停止を検知して前記ＦＥＴをオフさせるＦＥＴ制御回路とを備え、
   前記降圧ＤＣ／ＤＣ回路は、前記太陽電池の一方端と前記負荷との間に直列接続されたスイッチング素子および第１リアクトルを有し、
   前記ＦＥＴ制御回路は、前記第１リアクトルと電磁結合され、前記第１リアクトルに流れる電流に応じた誘起電圧を発生させる第２リアクトルを有し、前記スイッチング素子の動作により前記第１リアクトルに電流が流れることで、前記第２リアクトルに誘起電圧を発生させ、前記降圧ＤＣ／ＤＣ回路の起動を検知する
   ことを特徴とする電源装置。
2. 前記ＦＥＴ制御回路は、
   前記第２リアクトルの両端に入力端が接続され、前記第２リアクトルに発生した誘起電圧を全波整流する全波整流回路と、
   前記全波整流回路の出力端に接続され、前記全波整流回路により全波整流して得られた直流電圧を前記ＦＥＴのゲートに印加するゲートドライブ回路と、
   を有することを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
3. 前記ゲートドライブ回路は、
   前記全波整流回路の出力端子間に並列接続された第１の抵抗と、
   アノードが前記第１の抵抗の一方端に接続され、カソードが前記ＦＥＴのゲートに接続されたダイオードと、
   ベースが前記第１の抵抗の一方端と前記ダイオードのアノードとの接続部に接続され、エミッタが前記ダイオードのカソードと前記ＦＥＴのゲートとの接続部に接続され、コレクタが前記第１の抵抗の他方端と前記ＦＥＴのソースとの接続部に接続されたＰＮＰ型トランジスタと、
   を有することを特徴とする請求項２に記載の電源装置。
4. 前記全波整流回路の出力端と前記ゲートドライブ回路との間に介装されたシリーズレギュレータ回路をさらに備え、
   前記シリーズレギュレータ回路は、
   前記全波整流回路の出力端子間に直列接続された第２の抵抗およびツェナーダイオードと、
   前記第２の抵抗と前記ツェナーダイオードとの接続部にベースが接続され、前記全波整流回路の出力端と前記第２の抵抗との接続部にコレクタが接続され、前記ダイオードのアノードにエミッタが導通接続されたＮＰＮ型トランジスタと、
   を有することを特徴とする請求項３に記載の電源装置。
5. 前記第１モードが実行不能な場合に限り前記第２モードを実行することを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一項に記載の電源装置。

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