JP5701283B2 - 充電装置 - Google Patents

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Description

本発明は、力率改善回路を備えた充電装置に関する。
電気自動車やハイブリッドカーには、走行用モータの駆動源である高圧バッテリが搭載され、このバッテリを充電するための充電装置が設けられる。このような充電装置においては、一般に、力率改善回路(以下、PFC(Power Factor Correction)回路と表記する)とDC−DCコンバータとが備わっている。PFC回路は、入力電流の波形を入力電圧の波形に近づけて力率の改善を行うための回路である。DC−DCコンバータは、PFC回路の出力電圧を昇圧または降圧して、バッテリ充電用の直流電圧を生成する回路である。
後掲の特許文献1、2には、PFC回路と、このPFC回路の後段に接続されたDC−DCコンバータとを備えた電源装置が記載されている。特許文献1の電源装置では、PFC回路のスイッチング素子のドレイン電流を検出するカレントトランスと、PFC回路のインダクタのバイアス巻線が設けられている。また、DC−DCコンバータに備わるトランスの二次巻線にはDSP(ディジタル信号処理回路)が接続されている。DSPは、カレントトランスの二次側出力またはバイアス巻線の出力電圧を基に、PFC回路のインダクタに流れる電流の平均値を求め、この平均値が入力電圧波形に追従するよう、PFC回路のスイッチング素子を制御する。
特許文献2の電源装置では、PFC回路の出力がDC−DCコンバータに与えられるとともに、DC−ACインバータにも与えられる。DC−ACインバータの出力は、トランスを介して第1負荷に供給される。DC−DCコンバータは、トランスとスイッチング素子とを備えている。トランスの一次巻線とスイッチング素子とは、PFC回路の出力ライン間に直列に接続され、トランスの二次巻線には、第2負荷が接続される。
ところで、PFC回路を用いた充電装置においては、バッテリへ供給する電圧を安定させるために、PFC回路の出力電圧を検出し、その検出電圧に基づいてPFC回路のスイッチング素子のオン・オフを制御する必要がある。このため、PFC回路の出力側に電圧検出回路が設けられる。
図7は、PFC回路を用いた従来の充電装置の一例を示している。充電装置300は、交流電源1とバッテリ6との間に配置される。充電装置300には、整流回路2、PFC回路3、コンデンサC、電圧検出回路4’、DC−DCコンバータ5、およびマイクロコンピュータ7が備わっている。PFC回路3は、インダクタ11、ダイオードD1、スイッチング素子Q1、およびPFC制御部12から構成される。
電圧検出回路4’は、分圧抵抗を構成する抵抗R1、R2、絶縁アンプ23、および電圧検出部24から構成される。DC−DCコンバータ5は、図示しないスイッチング回路、トランス、整流回路、平滑回路などから構成される。マイクロコンピュータ7は、電圧検出回路4’で検出された電圧に基づいて、PFC回路3から所定の電圧が出力されるように、PFC制御部12を介してスイッチング素子Q1のオン・オフを制御する。
再表WO2009/004847号公報 特開2009−213350号公報
上述した充電装置300においては、電圧検出回路4’に分圧抵抗R1、R2を設けて、PFC回路3の出力電圧を検出している。しかるに、PFC回路3の出力電圧は、スイッチング素子Q1とインダクタ11による昇圧作用のため高電圧となる。一方、電圧検出部24やマイクロコンピュータ7は、低電圧で動作する回路である。そこで、分圧抵抗R1、R2で分圧された高電圧を、絶縁アンプ23を介して電圧検出部24へ与えることによって、高電圧側と低電圧側とを電気的に絶縁し、高電圧側の電流が誤って低電圧側に流れないようにしている。このため、高価な絶縁アンプ23が必要となる。
本発明の課題は、絶縁アンプを用いなくても、高電圧側と低電圧側とを電気的に絶縁した状態で高電圧を検出できる充電装置を提供することにある。
本発明の充電装置は、交流電源から供給される交流電圧を整流する整流回路と、この整流回路の出力端に接続された力率改善回路と、この力率改善回路の1対の出力ラインの間に接続されたコンデンサと、力率改善回路の出力電圧を昇圧または降圧して、バッテリに出力するDC−DCコンバータとを備えた充電装置であって、力率改善回路とDC−DCコンバータとの間に設けられた電圧検出回路と、この電圧検出回路が検出した電圧に基づいて力率改善回路を制御する制御手段とをさらに備えている。電圧検出回路は、絶縁トランスと、スイッチング素子と、電圧検出部とを含む。力率改善回路の1対の出力ラインの間に、絶縁トランスの一次巻線とスイッチング素子とが直列に接続され、絶縁トランスの二次巻線に電圧検出部が接続される。電圧検出部は、力率改善回路が動作状態にあり、かつスイッチング素子がオンの状態で、絶縁トランスの二次巻線の出力電圧を検出する。
このような構成によると、スイッチング素子がオンしたときに、絶縁トランスの一次巻線に、力率改善回路の出力電圧に基づく電流が流れ、絶縁トランスの二次巻線に、上記出力電圧に比例した電圧が現われる。したがって、この電圧を電圧検出部で検出することにより、力率改善回路の出力電圧を演算によって求めることができる。このため、安価な絶縁トランスを用いて、高電圧側と低電圧側とを電気的に絶縁しつつ、力率改善回路の出力電圧を検出することができ、高価な絶縁アンプが不要となる。
本発明において、電圧検出回路のスイッチング素子は、当該素子のオン時におけるコンデンサの放電により力率改善回路の出力電圧が実質的に変動しない程度の、短いパルス幅を持ったパルス信号で駆動される。これによると、スイッチング素子のオン時間が短いので、コンデンサの放電量は僅かである。このため、力率改善回路の出力電圧はほとんど変動せず、力率改善回路の動作が安定する。また、スイッチング素子の通電時間が短いので、電力損失を抑制することができる。
本発明において、電圧検出部は、絶縁トランスの二次巻線の出力電圧の平均値を検出し、制御手段は、この出力電圧の平均値と、絶縁トランスの巻数比とに基づいて、力率改善回路の出力電圧を算出するようにしてもよい。
本発明によれば、絶縁アンプを用いなくても、高電圧側と低電圧側とを電気的に絶縁した状態で高電圧を検出できる充電装置を提供することができる。
本発明の第1実施形態による充電装置を示した回路図である。 DC−DCコンバータの一例を示した回路図である。 スイッチング素子がオンしたときの電流経路を示した図である。 各部の信号の波形を示した図である。 マイクロコンピュータの処理手順を示したフローチャートである。 本発明の第2実施形態による充電装置を示した回路図である。 従来の充電装置を示した回路図である。
以下、本発明の実施形態につき、図面を参照しながら説明する。各図において、同一の部分または対応する部分には、同一の符号を付してある。
まず、図1を参照して、本発明の第1実施形態による充電装置の構成を説明する。
図1において、充電装置100は、交流電源1とバッテリ6との間に配置される。このため、充電装置100には、交流電源1が接続される端子T1、T2、およびバッテリ6が接続される端子T3、T4が設けられている。交流電源1は、例えば、AC100Vの商用電源である。バッテリ6は、例えば、車両に搭載されるリチウムイオン電池や鉛蓄電池などの二次電池である。
充電装置100は、整流回路2、PFC(力率改善)回路3、コンデンサC、電圧検出回路4、DC−DCコンバータ5、およびマイクロコンピュータ7を備えている。
整流回路2は、全波整流回路からなり、端子T1、T2を介して交流電源1から供給される交流電圧を全波整流する。PFC回路3は、整流回路2の出力端に接続されており、インダクタ11、ダイオードD1、スイッチング素子Q1、およびPFC制御部12から構成される。
インダクタ11の一端は整流回路2の一方の出力端に接続され、他端はダイオードD1のアノードに接続されている。スイッチング素子Q1は、FET(電界効果トランジスタ)からなる。スイッチング素子Q1のドレインは、インダクタ11とダイオードD1との接続点に接続され、ソースは整流回路2の他方の出力端に接続されている。スイッチング素子Q1のゲートには、PFC制御部12が接続されている。
コンデンサCは、PFC回路3から出力される電圧を平滑化するコンデンサであって、PFC回路3の1対の出力ライン16a、16bの間に接続されている。
電圧検出回路4は、PFC回路3とDC−DCコンバータ5との間に設けられている。電圧検出回路4には、絶縁トランス13と、スイッチング素子Q2と、電圧検出部14と、スイッチング制御部15とが備わっている。絶縁トランス13は、一次巻線L1および二次巻線L2を有している。スイッチング素子Q2は、スイッチング素子Q1と同様にFETからなる。
絶縁トランス13の一次巻線L1とスイッチング素子Q2は、PFC回路3の出力ライン16a、16bの間に、直列に接続されている。詳しくは、一次巻線L1の一端は出力ライン16aに接続され、他端はスイッチング素子Q2のドレインに接続されている。スイッチング素子Q2のソースは、出力ライン16bに接続されている。スイッチング素子Q2のゲートは、スイッチング制御部15に接続されている。絶縁トランス13の二次巻線L2は、整流用のダイオードD2、D3を介して、電圧検出部14に接続されている。なお、図1では、二次巻線L2の接地線や、ダイオードD2、D3と電圧検出部14との間に設けられる平滑回路の図示を省略してある(図3、図6においても同様)。
電圧検出部14は、絶縁トランス13の二次巻線L2の出力電圧を、コンデンサ(図示省略)で平滑化することにより、当該出力電圧の平均値を検出する。
スイッチング制御部15は、スイッチング素子Q2のオン・オフを制御する回路であって、スイッチング素子Q2のゲートに、所定のデューティを有するPWM(Pulse Width Modulation;パルス幅変調)信号を出力する。
マイクロコンピュータ7は、本発明における制御手段を構成しており、電圧検出回路4が検出した電圧に基づいて、PFC制御部12を介してPFC回路3を制御する。また、マイクロコンピュータ7は、スイッチング制御部15に対する制御も行う。
PFC制御部12は、マイクロコンピュータ7からの指令に基づき、スイッチング素子Q1のオン・オフを制御する。このPFC制御部12も、スイッチング素子Q1のゲートに、所定のデューティを有するPWM信号を出力する。
DC−DCコンバータ5は、PFC回路3の出力電圧を昇圧または降圧して、端子T3、T4を介してバッテリ6に出力する。
図2は、DC−DCコンバータ5の一例を示している。DC−DCコンバータ5は、スイッチング回路31、トランス32、整流回路33、平滑回路34、出力電圧検出回路35から構成される公知の回路である。制御部40はマイクロコンピュータから構成される。
スイッチング回路31は、ブリッジ接続された4個のスイッチング素子Q4〜Q7を備えており、PFC回路3から出力される直流電圧を、交流電圧に変換する。トランス32は、スイッチング回路31から出力される交流電圧を昇圧または降圧する。整流回路33は、2個のダイオードD6、D7からなり、トランス32の二次側に生じる交流電圧を、パルス状の直流電圧に変換する。
平滑回路34は、インダクタL4およびコンデンサC2から構成されるローパスフィルタからなり、整流回路33から出力される電圧を平滑化する。この平滑回路34の出力電圧により、バッテリ6(図1)が充電される。出力電圧検出回路35は、直列に接続された分圧抵抗R7、R8からなり、平滑回路34の出力電圧を検出して、制御部40に送る。制御部40は、出力電圧検出回路35で検出された出力電圧に基づいてフィードバック制御を行い、スイッチング回路31のスイッチング素子Q4〜Q7のオン・オフを制御する。
次に、以上のような構成からなる充電装置100の動作を説明する。
PFC回路3の動作については、従来と同じであるので、簡単に説明する。PFC回路3では、PFC制御部12の制御の下に、スイッチング素子Q1が高速スイッチング動作を行う。これにより、交流電源1から供給される入力電圧の電圧波形(正弦波)に対して相似形となる電流波形が生成され、電流波形が正弦波に近づくことで力率が改善される。また、このとき、インダクタ11とダイオードD1とによって、電圧の昇圧および整流が行われる。
次に、電圧検出回路4の動作について、図3〜図5を参照しながら詳しく説明する。図3において、電圧検出回路4に入力される電圧、すなわちPFC回路3の出力電圧Vcは、コンデンサCで平滑されているため、図4(a)に示すように、ほぼ一定の直流電圧となる(但し、実際には、出力電圧Vcに脈動成分が含まれている)。
電圧検出回路4における電圧検出のタイミングは、マイクロコンピュータ7によって管理されている。マイクロコンピュータ7は、電圧検出のタイミングが到来すると、スイッチング制御部15に対して、電圧検出指令を出力する。スイッチング制御部15は、この電圧検出指令を受けて、図4(c)に示すようなパルス信号Pを、スイッチング素子Q2のゲートへ出力する。このパルス信号Pは、所定のデューティを持った前述のPWM信号である。
スイッチング素子Q2は、パルス信号PのH(High)区間でオンとなり、L(Low)区間でオフとなる。スイッチング素子Q2がオンの状態では、図3に太矢印で示すような電流経路が形成される。すなわち、PFC回路3の出力電圧Vcに基づき、絶縁トランス13の一次巻線L1とスイッチング素子Q2に電流が流れる。また、絶縁トランス13の二次巻線L2には、一次巻線L1の励磁によって電圧が誘起されるので、この電圧に基づき、二次巻線L2からダイオードD2、D3を介して、電圧検出部14へ電流が流れる。
二次巻線L2の出力電圧Vpは、図4(b)に示すように、パルス信号PのH区間(スイッチング素子Q2のオン区間)だけ現われる。電圧検出部14は、このパルス波形の出力電圧Vpを取り込んで、前述したようにコンデンサ(図示省略)で平滑化することにより、出力電圧Vpの平均値を検出する。電圧検出部14の出力は、マイクロコンピュータ7に入力される。
マイクロコンピュータ7は、電圧検出部14から読み込んだ出力電圧Vpの平均値と、絶縁トランス13の巻数比とに基づいて、PFC回路3の出力電圧Vcを算出する。具体的には、二次巻線L2の出力電圧の平均値をVp、絶縁トランス13の巻数比をNとしたとき、PFC回路3の出力電圧Vcは、
Vc=Vp・(1/N) ・・・ (1)
で算出することができる。
マイクロコンピュータ7は、上記の出力電圧Vcが所定値(目標値)となるように、PFC回路3に対してフィードバック制御を行う。詳しくは、マイクロコンピュータ7は、出力電圧Vcの算出値と目標値とを比較し、その偏差を求める。そして、この偏差がゼロとなるように、PFC制御部12に対して、PWM信号のデューティを指令する。PFC制御部12は、この指令に応じたデューティを有するPWM信号を生成し、スイッチング素子Q1のゲートへ出力する。この結果、スイッチング素子Q1のオン時間とオフ時間が適正に制御され、PFC回路3から安定した電圧が出力される。
図5のフローチャートは、電圧検出時のマイクロコンピュータ7の処理手順を示している。ステップS1において、電圧検出のタイミングが到来すると、マイクロコンピュータ7は、スイッチング処理を実行する。この処理では、マイクロコンピュータ7から、スイッチング制御部15に電圧検出指令が出力される。そして、スイッチング制御部15から出力されるパルス信号Pにより、スイッチング素子Q2のオン・オフが行われる。
ステップS2において、マイクロコンピュータ7は、電圧検出部14から、絶縁トランス13の二次巻線L2の出力電圧Vp(平均値)を読み込む処理を実行する。なお、電圧検出部14の出力はアナログ値であるため、マイクロコンピュータ7は、読み込んだ電圧をデジタル値に変換する処理(A/D変換)を行う。電圧検出部14にA/D変換器が備わっている場合は、この処理は不要である。
ステップS3において、マイクロコンピュータ7は、PFC回路3の出力電圧Vcを演算する処理を実行する。この処理では、マイクロコンピュータ7は、前記の(1)式に従い、出力電圧Vcを算出する。
ところで、スイッチング素子Q2のゲートに印加されるパルス信号Pは、図4(c)に示されているように、デューティの小さいPWM信号となっている。一例として、パルス信号Pの周波数は100KHz、デューティは10%である。この場合、パルス信号Pのパルス幅、つまりスイッチング素子Q2のオン時間は、1μsecとなる。
パルス信号Pのパルス幅が大きいと、スイッチング素子Q2のオン時間が長くなるので、コンデンサCからスイッチング素子Q2への放電量が増大する。このため、PFC回路3の出力電圧Vcの変動が顕著となり、PFC回路3の動作が不安定となる。また、スイッチング素子Q2の通電時間が長くなることで、電力損失も増大する。
しかるに、本実施形態では、パルス信号Pのパルス幅が小さく、スイッチング素子Q2のオン時間が短いので、コンデンサCの放電量は僅かである。このため、PFC回路3の出力電圧Vcはほとんど変動せず、PFC回路3の動作が安定する。また、スイッチング素子Q2の通電時間が短いので、電力損失を抑制することができる。
このように、スイッチング素子Q2は、当該素子のオン時におけるコンデンサCの放電によりPFC回路3の出力電圧Vcが実質的に変動しない程度の、短いパルス幅を持ったパルス信号Pで駆動されるのが好ましい。
以上述べた第1実施形態によれば、スイッチング素子Q2がオンしたときに、絶縁トランス13の一次巻線L1に、PFC回路3の出力電圧Vcに基づく電流が流れ、絶縁トランス13の二次巻線L2に、上記出力電圧Vcに比例した電圧Vpが現われる。したがって、この電圧Vpを電圧検出部14で検出することにより、PFC回路3の出力電圧Vcを、前記の(1)式による演算で求めることができる。このため、安価な絶縁トランス13を用いて、高電圧側と低電圧側とを電気的に絶縁しつつ、PFC回路3の出力電圧Vcを検出することができ、図7のような高価な絶縁アンプ23が不要となる。
次に、図6を参照して、本発明の第2実施形態による充電装置の構成を説明する。
図6の充電装置200においては、電圧検出回路4が、DC−DCコンバータ5の出力側に設けられている。電圧検出回路4の構成は、第1実施形態(図1)の場合と同じである。そして、DC−DCコンバータ5の1対の出力ライン17a、17bの間に、絶縁トランス13の一次巻線L1とスイッチング素子Q2とが直列に接続されている。その他については、図1と同じであるので、説明を省略する。
第1実施形態の充電装置100では、電圧検出回路4によってPFC回路3の出力電圧を検出したが、第2実施形態の充電装置200では、電圧検出回路4によってDC−DCコンバータ5の出力電圧を検出する。DC−DCコンバータ5の出力電圧は、PFC回路3の出力電圧と一定の関係にあるので、電圧検出回路4における絶縁トランス13の二次巻線L2の出力電圧も、PFC回路3の出力電圧と一定の関係にある。
したがって、絶縁トランス13の二次巻線L2の出力電圧の平均値を電圧検出部14で検出することで、マイクロコンピュータ7は、二次巻線L2の出力電圧の平均値と、絶縁トランス13の巻数比とに基づいて、PFC回路3の出力電圧を算出することができる。
なお、第2実施形態の充電装置200では、DC−DCコンバータ5の出力側に電圧検出回路4が設けられるので、図2における出力電圧検出回路35を省略することができる。この場合、電圧検出部14が、絶縁トランス13の二次巻線L2の出力電圧の平均値を検出し、マイクロコンピュータ7が、この平均値と絶縁トランス13の巻数比とに基づいて、DC−DCコンバータ5の出力電圧を算出すればよい。マイクロコンピュータ7は、算出した出力電圧に基づき、DC−DCコンバータ5の制御部40(図2)に対し、PWM信号のデューティを指令することで、フィードバック制御を行う。
上述した第2実施形態によっても、第1実施形態と同様に、安価な絶縁トランス13を用いて、高電圧側と低電圧側とを電気的に絶縁しつつ、PFC回路3の出力電圧Vcを検出することができ、図7のような高価な絶縁アンプ23が不要となる。
本発明では、以上述べた以外にも、種々の実施形態を採用することができる。例えば、前記の各実施形態では、PFC制御部12、電圧検出部14、およびスイッチング制御部15を、マイクロコンピュータ7と別に設けた例を挙げたが、これらの各部12、14、15の機能をマイクロコンピュータ7に組み込んでもよい。
また、前記の実施形態では、スイッチング素子Q1,Q2をPWM信号で駆動する例を挙げたが、PWM信号でないパルス信号でスイッチング素子Q1,Q2を駆動するようにしてもよい。
また、前記の実施形態では、入力電圧を昇圧する昇圧型のPFC回路3を用いた場合を例に挙げたが、入力電圧を降圧する降圧型のPFC回路を用いた場合にも、本発明は適用が可能である。
1 交流電源
2 整流回路
3 PFC(力率改善)回路
4 電圧検出回路
5 DC−DCコンバータ
6 バッテリ
7 マイクロコンピュータ(制御手段)
12 PFC制御部
13 絶縁トランス
14 電圧検出部
15 スイッチング制御部
16a、16b PFC回路の出力ライン
17a、17b DC−DCコンバータの出力ライン
100、200 充電装置
C コンデンサ
L1 一次巻線
L2 二次巻線
Q2 スイッチング素子

Claims (2)

  1. 交流電源から供給される交流電圧を整流する整流回路と、
    前記整流回路の出力端に接続された力率改善回路と、
    前記力率改善回路の1対の出力ラインの間に接続されたコンデンサと、
    前記力率改善回路の出力電圧を昇圧または降圧して、バッテリに出力するDC−DCコンバータと、
    を備えた充電装置において、
    前記力率改善回路と前記DC−DCコンバータとの間に設けられた電圧検出回路と、
    前記電圧検出回路が検出した電圧に基づいて前記力率改善回路を制御する制御手段と、をさらに備え、
    前記電圧検出回路は、絶縁トランスと、スイッチング素子と、電圧検出部とを含み、
    前記力率改善回路の1対の出力ラインの間に、前記絶縁トランスの一次巻線と前記スイッチング素子とが直列に接続され、
    前記絶縁トランスの二次巻線に前記電圧検出部が接続され、
    前記電圧検出部は、前記力率改善回路が動作状態にあり、かつ前記スイッチング素子がオンの状態で、前記絶縁トランスの二次巻線の出力電圧を検出し、
    前記スイッチング素子は、当該素子のオン時における前記コンデンサの放電により前記力率改善回路の出力電圧が実質的に変動しない程度の、短いパルス幅を持ったパルス信号で駆動されることを特徴とする充電装置。
  2. 請求項1に記載の充電装置において、
    前記電圧検出部は、前記絶縁トランスの二次巻線の出力電圧の平均値を検出し、
    前記制御手段は、前記出力電圧の平均値と、前記絶縁トランスの巻数比とに基づいて、前記力率改善回路の出力電圧を算出することを特徴とする充電装置。
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