JP5716682B2 - DC power supply - Google Patents
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Description
本発明は、エンジンにより駆動される磁石発電機の交流出力を整流して直流負荷に電力を供給する直流電源装置に関するものである。 The present invention relates to a DC power supply apparatus that rectifies an AC output of a magnet generator driven by an engine and supplies electric power to a DC load.
エンジンにより駆動される磁石発電機の出力を整流してバッテリに充電電流を供給する直流電源装置として、特許文献1に示されたものが知られている。特許文献1に示された直流電源装置は、図6に示されているように、エンジンにより駆動される磁石発電機1の交流出力が交流入力端子2u′ないし2w′間に印加され、正極側及び負極側の直流出力端子2a′及び2b′間にバッテリ3が接続されるブリッジ型の制御整流回路2′と、制御整流回路2′を制御するコントローラ4′とを備えている。
As a DC power supply device that rectifies the output of a magnet generator driven by an engine and supplies a charging current to a battery, the one disclosed in Patent Document 1 is known. As shown in FIG. 6, in the DC power supply shown in Patent Document 1, an AC output of a magnet generator 1 driven by an engine is applied between
本願発明が対象とする直流電源装置で用いる制御整流回路は、サイリスタによりブリッジの各上辺が構成され、オンオフ制御が可能なスイッチ素子と、該スイッチ素子に逆並列接続された帰還ダイオードとを有するスイッチ要素によりブリッジの各下辺が構成されたブリッジ型の整流回路からなっている。この制御整流回路においては、ブリッジの上辺を構成するサイリスタと、ブリッジの下辺を構成するスイッチ要素に設けられている帰還ダイオードとにより、全波整流回路が構成されている。 A control rectifier circuit used in a direct current power supply device to which the present invention is directed is a switch having a switch element in which each upper side of a bridge is configured by a thyristor and capable of on / off control, and a feedback diode connected in reverse parallel to the switch element. It consists of a bridge-type rectifier circuit in which each lower side of the bridge is constituted by elements. In this control rectifier circuit, a full-wave rectifier circuit is constituted by a thyristor constituting the upper side of the bridge and a feedback diode provided in a switch element constituting the lower side of the bridge.
図6に示された制御整流回路2′においては、カソードが共通接続されたサイリスタ201u′ないし201w′によりブリッジの上辺が構成されている。またソースが共通接続されたNチャンネル型のMOSFET202u′ないし202w′により、ブリッジの下辺を構成するスイッチ要素が構成され、MOSFET202u′ないし202w′のドレインがサイリスタ201u′ないし201w′のアノードに接続されている。この例では、MOSFET202u′ないし202w′のそれぞれのドレインソース間に存在する寄生ダイオードDpu′ないしDpw′が帰還ダイオードとして用いられている。そして、MOSFET202u′ないし202w′のドレインから交流入力端子2u′ないし2w′が導出され、サイリスタ201u′ないし201w′のカソードの共通接続点及びMOSFET202u′ないし202w′のソースの共通接続点からそれぞれ正極側及び負極側の直流出力端子2a′及び2b′が導出されている。
In the control rectifier circuit 2 'shown in FIG. 6, the upper side of the bridge is constituted by
図示のコントローラ4′は、バッテリ3の充電を適正に行わせるように制御整流回路2′のサイリスタ201u′ないし201w′及びMOSFET202u′ないし202w′を制御するバッテリ充電制御手段と、磁石発電機1からバッテリ3を充電するために必要な出力を得るために磁石発電機1の出力電圧を昇圧する必要があるときに制御整流回路2の各サイリスタにトリガ信号を与えた状態ですべてのMOSFET202u′ないし202w′を同時にオンオフさせるように制御する昇圧制御手段とを備えている。
The
なお図6においては、制御整流回路のブリッジの下辺を構成するスイッチ要素としてMOSFETを用いているが、IGBT等の他のスイッチ素子と、該スイッチ素子に逆並列接続された帰還ダイオードとにより、ブリッジの各下辺を構成するスイッチ要素を構成することもできる。 In FIG. 6, a MOSFET is used as a switch element constituting the lower side of the bridge of the control rectifier circuit. However, the bridge is formed by another switch element such as an IGBT and a feedback diode connected in reverse parallel to the switch element. It is also possible to configure a switch element that constitutes each lower side.
図6に示された直流電源装置において、磁石発電機1の発電コイルに誘起する電圧を昇圧するために、制御整流回路2′のサイリスタ201u′ないし201w′にトリガ信号を与えた状態で、すべてのMOSFET202u′ないし202w′を同時にオンオフさせる昇圧制御を行う昇圧制御手段を設けた場合には、昇圧制御時にMOSFET202u′ないし202w′をオン状態からオフ状態にした際に、以下の理由で、MOSFET202u′ないし202w′のそれぞれのドレインソース間にサージ電圧が発生する。
In the DC power supply device shown in FIG. 6, in order to boost the voltage induced in the power generation coil of the magnet generator 1, all the
MOSFET202u′ないし202w′をオン状態からオフ状態にした際には、これらのMOSFETがオン状態にあった期間に磁石発電機の発電コイルに蓄えられたエネルギが制御整流回路2′に放出される。このエネルギの放出が瞬時に行われれば、各MOSFETの両端にサージ電圧が発生することはないが、実際には、サイリスタに導通遅れがある上に、サイリスタの内部及び制御整流回路内の配線部分に存在するインダクタンスにより電流の立ち上がりに遅れが生じるため、エネルギの放出が間に合わず、各MOSFETのドレインソース間にサージ電圧が現れる。図8は、MOSFETをオン状態からオフ状態にした際にMOSFETのドレインソース間に現れる電圧VDSとサイリスタを流れる電流Ithとを示したものである。時刻t1でMOSFETがオン状態からオフ状態になった後、サイリスタがオン状態なって電流Ithが流れるまでに時間遅れΔtがあるため、時刻t1の直後にMOSFETのドレインソース間にサージ電圧Vsuが発生する。このサージ電圧がMOSFETの耐圧を超えると、MOSFETが破壊するおそれがある。
When the
上記の問題に対処するために、MOSFET202u′ないし202w′として耐圧が高い素子を用いることが考えられる。しかしながら、耐圧が高いMOSFETはドレインソース間の抵抗が高いため、耐圧が高いMOSFETを用いると、MOSFETのドレインソース間で生じる損失が多くなり、充電効率が低下するという問題が生じる。またMOSFETからの発熱が多くなるのを避けられないため、出力を制限することが必要になったり、MOSFETに大型の放熱装置を取り付けることが必要になって装置が大型化したりするという問題が生じる。
In order to cope with the above problem, it is conceivable to use elements having a high withstand voltage as the
MOSFET202u′ないし202w′をオン状態からオフ状態にした際に発生するサージ電圧からMOSFETを守るために、図7に示すように、スナバ抵抗器RsとスナバコンデンサCsとの直列回路からなるCR型のスナバ回路を、各MOSFETのドレインソース間に並列に接続することも考えられる。このようなCR型のスナバ回路を設けると、磁石発電機から放出されるエネルギをスナバ回路に吸収して抵抗器Rsで消費させることができるため、MOSFETの両端にサージ電圧が現れるのを抑制することができる。しかしながら、CR型のスナバ回路を設けると、スナバ抵抗器Rsで大きな損失が生じる上に、MOSFETのスイッチング速度が低下して、MOSFETのスイッチング損失が増えるため、充電効率が悪くなったり、大型の放熱器が必要になって装置が大型化するという問題が生じる。
In order to protect the MOSFET from the surge voltage generated when the
図6に示された直流電源装置ではまた、昇圧制御時にMOSFET202u′ないし202w′がオフ状態からオン状態になる際に磁石発電機の発電コイルに誘起する電圧により、サイリスタ201u′ないし201w′に逆電圧が印加される。そのため、サイリスタのリカバリの遅れにより、各サイリスタを通して逆電流が流れ、これにより、各サイリスタで大きな損失が生じて多くの発熱が生じたり、充電効率の低下を招いたりする。このような問題を回避するために、MOSFETのスイッチング時間を遅くすることが考えられるが、MOSFETのスイッチング時間を遅くすると、MOSFETで生じるスイッチング損失が増えるため、充電効率が低下したり、MOSFETで生じる発熱が多くなる等の問題が生じる。
The DC power supply device shown in FIG. 6 also reverses the
制御整流回路2のブリッジの各下辺を、MOSFET以外のスイッチ素子と、該スイッチ素子に逆並列接続された帰還ダイオードとを含むスイッチ要素により構成する場合にも、上記と同様の問題が生じる。 A problem similar to the above also occurs when each lower side of the bridge of the control rectifier circuit 2 is configured by a switch element including a switch element other than a MOSFET and a feedback diode connected in antiparallel to the switch element.
本発明の目的は、サイリスタによりブリッジの各上辺が構成され、オンオフ制御が自在なスイッチ素子と該スイッチ素子に逆並列接続された帰還ダイオードとを含むスイッチ要素によりブリッジの各下辺が構成された制御整流回路により磁石発電機の出力を整流して負荷に電力を供給する直流電源装置において、制御整流回路のブリッジの下辺を構成するスイッチ要素のスイッチ素子をオンオフさせることにより磁石発電機の出力電圧を昇圧する昇圧制御を行わせる場合に、充電効率を低下させたり、発熱を増加させたり、出力を制限したりすることなく、制御整流回路の各下辺を構成するスイッチ要素に高いサージ電圧が印加されるのを防いで、スイッチ要素を保護することにある。 An object of the present invention is to provide a control in which each upper side of a bridge is configured by thyristors, and each lower side of the bridge is configured by a switch element including a switch element that can be controlled on and off and a feedback diode connected in reverse parallel to the switch element. In a DC power supply device that rectifies the output of a magnet generator by a rectifier circuit and supplies power to a load, the output voltage of the magnet generator is changed by turning on and off the switch element of the switch element that forms the lower side of the bridge of the control rectifier circuit. When boost control is performed to boost the voltage, a high surge voltage is applied to the switch elements that make up each lower side of the control rectifier circuit without reducing charging efficiency, increasing heat generation, or limiting the output. Is to protect the switch element.
本発明の他の目的は、上記の直流電源装置において、昇圧制御を行う場合に、制御整流回路の各上辺を構成するサイリスタに逆電流が流れてサイリスタで生じる損失が増大するのを防ぐことにある。 Another object of the present invention is to prevent an increase in loss generated in a thyristor due to a reverse current flowing through the thyristor constituting each upper side of the control rectifier circuit in the above-described DC power supply device when performing step-up control. is there.
本発明は、エンジンにより駆動される磁石発電機の交流出力が入力される交流入力端子と負荷が接続される正極側及び負極側の直流出力端子とを有して、交流入力端子に入力された交流電圧を整流して直流出力端子間に出力するブリッジ型の制御整流回路と、制御整流回路を制御するコントローラとを備えた直流電源装置を対象とする。ここで、制御整流回路は、ブリッジの各上辺がサイリスタにより構成されるとともに、オンオフ制御が自在なスイッチ素子と該スイッチ素子に逆並列接続された帰還ダイオードとを有するスイッチ要素によりブリッジの各下辺が構成されて、ブリッジの上辺を構成するサイリスタと下辺を構成するスイッチ要素の帰還ダイオードとにより全波整流回路が構成された回路からなっている。またコントローラは、負荷への電力の供給を適正に行わせるように制御整流回路の出力を制御する出力制御手段と、負荷に電力を供給するために磁石発電機の出力電圧を昇圧する必要があるときに制御整流回路の各サイリスタにトリガ信号を与えた状態ですべてのスイッチ要素のスイッチ素子を同時にオンオフさせるように制御する昇圧制御手段とを備えている。 The present invention has an AC input terminal to which an AC output of a magnet generator driven by an engine is input and a DC output terminal on a positive electrode side and a negative electrode side to which a load is connected, and is input to the AC input terminal The present invention is directed to a DC power supply device including a bridge-type control rectifier circuit that rectifies an AC voltage and outputs it between DC output terminals, and a controller that controls the control rectifier circuit. Here, in the control rectifier circuit, each upper side of the bridge is constituted by a thyristor, and each lower side of the bridge is formed by a switch element having a switch element that can be controlled on and off and a feedback diode connected in reverse parallel to the switch element. Thus, a full-wave rectifier circuit is configured by a thyristor that configures the upper side of the bridge and a feedback diode of a switch element that configures the lower side. Further, the controller needs to boost the output voltage of the magnet generator in order to supply power to the load, and output control means for controlling the output of the control rectifier circuit so as to properly supply power to the load. Boost control means for controlling the switch elements of all the switch elements to be simultaneously turned on and off in a state where a trigger signal is given to each thyristor of the control rectifier circuit.
本発明においては、制御整流回路のブリッジの各上辺を構成するサイリスタと下辺を構成するスイッチ要素との間に、各上辺を構成するサイリスタ側にカソードを向けたスナバダイオードが挿入されるとともに、各スナバダイオードのカソードと制御整流回路の負極側の直流出力端子との間にスナバコンデンサが接続される。上記スナバダイオードとスナバコンデンサとにより、スイッチ素子をオン状態からオフ状態にした際に生じるサージ電圧を吸収するスナバ回路が構成されている。 In the present invention, a snubber diode with a cathode facing the thyristor side constituting each upper side is inserted between the thyristor constituting each upper side of the bridge of the control rectifier circuit and the switch element constituting the lower side, and each A snubber capacitor is connected between the cathode of the snubber diode and the DC output terminal on the negative side of the control rectifier circuit. The snubber diode and the snubber capacitor constitute a snubber circuit that absorbs a surge voltage generated when the switch element is turned from the on state to the off state.
上記のようにスナバ回路を構成しておくと、昇圧制御時に制御整流回路のブリッジの下辺を構成するスイッチ要素のスイッチ素子をオン状態からオフ状態にした際に、磁石発電機から放出されるエネルギが瞬時にスナバダイオードを通してスナバコンデンサに吸収されるため、スイッチ要素の両端にサージ電圧が発生するのを防止することができる。このときスナバコンデンサは高い電圧まで充電されるが、スナバコンデンサと制御整流回路のスイッチ要素との間には、スナバコンデンサの両端の電圧に対して逆方向のスナバダイオードが介在しているため、スナバコンデンサの両端の電圧がスイッチ要素に印加されることはない。スナバコンデンサに蓄積された電荷は、制御整流回路のブリッジの下辺を構成するスイッチ要素のスイッチ素子がオフ状態になった後、一定の遅れ時間が経過して、対応するサイリスタがオン状態になったときに該サイリスタを通してバッテリ側に放電させられる。 If the snubber circuit is configured as described above, the energy released from the magnet generator when the switch element of the switch element constituting the lower side of the bridge of the control rectifier circuit is switched from the on state to the off state during boost control. Is instantaneously absorbed by the snubber capacitor through the snubber diode, so that a surge voltage can be prevented from being generated across the switch element. At this time, the snubber capacitor is charged to a high voltage, but a snubber diode in the opposite direction to the voltage at both ends of the snubber capacitor is interposed between the snubber capacitor and the switch element of the control rectifier circuit. No voltage across the capacitor is applied to the switch element. The charge accumulated in the snubber capacitor is turned on after the lapse of a certain delay time after the switch element of the switch element constituting the lower side of the bridge of the control rectifier circuit is turned off. Sometimes it is discharged to the battery side through the thyristor.
本発明によれば、制御整流回路のブリッジの下辺を構成するスイッチ要素の耐電圧を高くしておく必要がなくなるため、内部抵抗が低いスイッチ素子を選定することが容易になり、スイッチ素子で生じる損失を少なくすることができる。従って、スイッチ素子で生じる発熱を少なくして、スイッチ素子に大型の放熱器を取り付ける必要性をなくすことができ、装置が大型化するのを防ぐことができる。またCR型のスナバ回路を用いた場合のように、スナバ回路で電力が消費されることがないため、制御整流回路で生じる損失を少なくすることができることと相俟って、充電効率を高めることができる。 According to the present invention, since it is not necessary to increase the withstand voltage of the switch element constituting the lower side of the bridge of the control rectifier circuit, it becomes easy to select a switch element having a low internal resistance, which occurs in the switch element. Loss can be reduced. Therefore, it is possible to reduce the heat generated in the switch element, eliminate the need to attach a large radiator to the switch element, and prevent the apparatus from becoming large. In addition, since no power is consumed in the snubber circuit as in the case of using a CR type snubber circuit, the loss generated in the control rectifier circuit can be reduced, and the charging efficiency is increased. Can do.
本発明の好ましい態様では、出力制御手段が、負荷に電力を供給する際に制御整流回路の各サイリスタにトリガ信号を与えるとともに、帰還ダイオードに順方向電圧が印加されているスイッチ要素のスイッチ素子をオン状態にして制御整流回路に同期整流動作を行わせるように構成される。 In a preferred embodiment of the present invention, the output control means provides a trigger signal to each thyristor of the control rectifier circuit when supplying power to the load, and includes a switch element of a switch element in which a forward voltage is applied to the feedback diode. The control rectifier circuit is configured to perform the synchronous rectification operation in the on state.
本発明においては、制御整流回路のブリッジの下辺を構成するスイッチ要素のスイッチ素子として耐圧が低い素子を用いることができるため、該スイッチ素子として、オン時の抵抗が帰還ダイオードの内部抵抗よりも小さい素子を容易に選択することができる。従って、上記のように、帰還ダイオードに順方向電圧が印加されているスイッチ要素のスイッチ素子をオン状態にして制御整流回路に同期整流動作を行わせると、制御整流回路の上辺のサイリスタと下辺の帰還ダイオードとにより構成される整流回路を通して磁石発電機の出力を整流する場合に比べて、低損失で整流動作を行わせることができる。 In the present invention, an element having a low withstand voltage can be used as the switch element of the switch element constituting the lower side of the bridge of the control rectifier circuit. Therefore, the on-state resistance of the switch element is smaller than the internal resistance of the feedback diode. Elements can be easily selected. Therefore, as described above, when the switching element of the switching element in which the forward voltage is applied to the feedback diode is turned on and the control rectifier circuit performs the synchronous rectification operation, the thyristor on the upper side of the control rectifier circuit and the Compared with the case where the output of the magnet generator is rectified through a rectifier circuit including a feedback diode, the rectification operation can be performed with low loss.
上記制御整流回路のブリッジの下辺を構成するスイッチ要素としては、IGBT(絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)と該IGBTのコレクタエミッタ間に逆並列接続された帰還ダイオードとからなるものや、MOSFET(電界効果トランジスタ)を用いることができる。制御整流回路のブリッジの下辺を構成するスイッチ要素としてMOSFETを用いる場合には、該MOSFETのドレインソース間に形成されている寄生ダイオードを帰還ダイオードとして用いることができる。 The switch element constituting the lower side of the bridge of the control rectifier circuit includes an IGBT (insulated gate bipolar transistor) and a feedback diode connected in reverse parallel between the collector and emitter of the IGBT, and a MOSFET (field effect transistor). ) Can be used. When a MOSFET is used as a switch element constituting the lower side of the bridge of the control rectifier circuit, a parasitic diode formed between the drain and source of the MOSFET can be used as a feedback diode.
制御整流回路のブリッジの上辺がサイリスタにより構成され、下辺がMOSFETにより構成される直流電源装置に本発明を適用する場合には、制御整流回路のブリッジの各上辺を構成するサイリスタと制御整流回路の各下辺を構成するMOSFETとの間に、カソードをサイリスタ側に向けたスナバダイオードを挿入し、各スナバダイオードのカソードと制御整流回路の負極側の直流出力端子との間にスナバコンデンサを接続する。 When the present invention is applied to a DC power supply device in which the upper side of the bridge of the control rectifier circuit is configured by a thyristor and the lower side is configured by a MOSFET, the thyristor and the control rectifier circuit of the upper side of the bridge of the control rectifier circuit A snubber diode with the cathode facing the thyristor is inserted between the MOSFETs constituting each lower side, and a snubber capacitor is connected between the cathode of each snubber diode and the DC output terminal on the negative side of the control rectifier circuit.
この場合、出力制御手段は、負荷に電力を供給する際に制御整流回路の各サイリスタにトリガ信号を与えるとともに、寄生ダイオードに順方向電圧が印加されているMOSFETをオン状態にして制御整流回路に同期整流動作を行わせるように構成するのが好ましい。 In this case, the output control means supplies a trigger signal to each thyristor of the control rectifier circuit when supplying power to the load, and turns on the MOSFET in which the forward voltage is applied to the parasitic diode to turn on the control rectifier circuit. It is preferable that the synchronous rectification operation be performed.
上記スナバダイオードとしては、制御整流回路のブリッジの上辺を構成する各サイリスタのターンオフ時間よりもリカバリ時間が短いダイオードを用いるのが好ましい。 As the snubber diode, it is preferable to use a diode whose recovery time is shorter than the turn-off time of each thyristor constituting the upper side of the bridge of the control rectifier circuit.
上記のようなダイオードをスナバダイオードとして用いると、昇圧制御時に制御整流回路の下辺を構成するスイッチ要素のスイッチ素子がオフ状態からオン状態にされた際に磁石発電機の発電コイルに誘起する電圧により、制御整流回路の上辺のサイリスタに逆電圧が印加されたときに、サイリスタを通して逆電流が流れる時間を短くすることができるため、昇圧制御時に制御整流回路で生じる損失をいっそう少なくすることができる。 When the diode as described above is used as a snubber diode, the voltage induced in the generator coil of the magnet generator when the switch element of the switch element constituting the lower side of the control rectifier circuit is switched from the OFF state to the ON state during the boost control. When the reverse voltage is applied to the thyristor on the upper side of the control rectifier circuit, the time during which the reverse current flows through the thyristor can be shortened, so that the loss generated in the control rectifier circuit during boost control can be further reduced.
本発明においては、制御整流回路のブリッジの各上辺を構成するサイリスタと下辺を構成するスイッチ要素との間に、各上辺を構成するサイリスタ側にカソードを向けたスナバダイオードを挿入するとともに、各スナバダイオードのカソードと制御整流回路の負極側の直流出力端子との間にスナバコンデンサを接続して、これらスナバダイオードとスナバコンデンサとにより、スイッチ素子をオン状態からオフ状態にした際に生じるサージ電圧を吸収するスナバ回路を構成したので、昇圧制御時にスイッチ素子をオン状態からオフ状態にした際に磁石発電機から放出されるエネルギを瞬時にスナバダイオードを通してスナバコンデンサに吸収して、スイッチ要素の両端にサージ電圧が発生するのを防止することができる。 In the present invention, a snubber diode having a cathode facing the thyristor side constituting each upper side is inserted between the thyristor constituting each upper side of the bridge of the control rectifier circuit and the switch element constituting the lower side. A snubber capacitor is connected between the cathode of the diode and the DC output terminal on the negative side of the control rectifier circuit, and the surge voltage generated when the switch element is turned from the on state to the off state by the snubber diode and the snubber capacitor. Since the snubber circuit is configured to absorb the energy released from the magnet generator when the switch element is switched from the on state to the off state during step-up control, the energy is instantaneously absorbed by the snubber capacitor through the snubber diode and is applied to both ends of the switch element. Generation of a surge voltage can be prevented.
従って本発明によれば、制御整流回路のブリッジの下辺を構成するスイッチ要素の耐電圧を高くしておく必要がなくなるため、内部抵抗が低いスイッチ素子を選定して、スイッチ素子で生じる損失を少なくすることができる。これにより、スイッチ素子で生じる発熱を少なくして、スイッチ素子に大型の放熱器を取り付ける必要性をなくすことができるため、装置が大型化するのを防ぐことができる。また本発明によれば、CR型のスナバ回路を用いた場合のように、スナバ回路で電力が消費されることがないため、制御整流回路で生じる損失を少なくすることができることと相俟って、充電効率を高めることができ、従来よりも小型の磁石発電機を用いて負荷に電力を供給することができる。 Therefore, according to the present invention, since it is not necessary to increase the withstand voltage of the switch element constituting the lower side of the bridge of the control rectifier circuit, a switch element having a low internal resistance is selected to reduce loss caused by the switch element. can do. As a result, it is possible to reduce the heat generated in the switch element and eliminate the need to attach a large radiator to the switch element, and thus prevent the apparatus from becoming large. In addition, according to the present invention, unlike the case where a CR type snubber circuit is used, no power is consumed in the snubber circuit, so that the loss generated in the control rectifier circuit can be reduced. The charging efficiency can be increased, and power can be supplied to the load using a smaller magnet generator than in the past.
本発明において、負荷に電力を供給する際に制御整流回路の各サイリスタにトリガ信号を与えるとともに、帰還ダイオードに順方向電圧が印加されているスイッチ要素のスイッチ素子をオン状態にして制御整流回路に同期整流動作を行わせるようにバッテリ充電制御手段を構成した場合には、整流動作を低損失で行わせることができるため、制御整流回路及びスナバ回路で生じる損失を少なくすることができることと相俟って、充電効率を更に高めることができる。 In the present invention, when power is supplied to the load, a trigger signal is given to each thyristor of the control rectifier circuit, and the switch element of the switch element in which the forward voltage is applied to the feedback diode is turned on to make the control rectifier circuit When the battery charge control means is configured to perform the synchronous rectification operation, the rectification operation can be performed with a low loss. This is in combination with the fact that the loss generated in the control rectification circuit and the snubber circuit can be reduced. Thus, the charging efficiency can be further increased.
また本発明において、制御整流回路のブリッジの上辺を構成する各サイリスタのターンオフ時間よりもリカバリ時間が短いダイオードをスナバダイオードとして用いた場合には、昇圧制御時に制御整流回路の下辺を構成するスイッチ要素のスイッチ素子がオフ状態からオン状態にされた際に磁石発電機の発電コイルに誘起する電圧により制御整流回路の上辺のサイリスタに逆電圧が印加されたときに、サイリスタを通して逆電流が流れる時間を短くすることができるため、昇圧制御時に制御整流回路で生じる損失をいっそう少なくすることができ、発熱量の低減と充電効率の向上とを更に図ることができる。 In the present invention, when a diode whose recovery time is shorter than the turn-off time of each thyristor constituting the upper side of the bridge of the control rectifier circuit is used as the snubber diode, the switch element constituting the lower side of the control rectifier circuit during the boost control When the reverse voltage is applied to the thyristor on the upper side of the control rectifier circuit due to the voltage induced in the generator coil of the magnet generator when the switch element is turned from the OFF state to the ON state, the time for the reverse current to flow through the thyristor is Since it can be shortened, the loss generated in the control rectifier circuit during the boost control can be further reduced, and the heat generation amount and the charging efficiency can be further reduced.
以下図面を参照して本発明の実施形態を説明する。図1は本発明の第1の実施形態を示したもので、本実施形態では、負荷がバッテリであって、磁石発電機の出力を整流する制御整流回路の出力でバッテリを充電するものとする。図1において、1は図示しないエンジンにより駆動される磁石発電機、2は磁石発電機1から得られる交流出力を整流する制御整流回路、3は制御整流回路2から充電電流が与えられて充電されるバッテリ、4は制御整流回路2を制御するコントローラである。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 shows a first embodiment of the present invention. In this embodiment, the load is a battery, and the battery is charged with the output of a control rectifier circuit that rectifies the output of the magnet generator. . In FIG. 1, 1 is a magnet generator driven by an engine (not shown), 2 is a control rectifier circuit that rectifies the AC output obtained from the magnet generator 1, and 3 is charged with a charging current supplied from the control rectifier circuit 2. The
磁石発電機1は、エンジンのクランク軸に取り付けられた磁石回転子と、この磁石回転子の磁極に対向する磁極部を有する鉄心に三相の発電コイルLu,Lv及びLwを巻回してなる固定子とを備えた周知のもので、エンジンの回転に同期して三相交流電圧を発生する。三相の発電コイルLu,Lv及びLwは星形結線されている。 The magnet generator 1 is fixed by winding a three-phase power generation coils Lu, Lv, and Lw around an iron core having a magnet rotor attached to a crankshaft of an engine and a magnetic pole portion facing the magnetic pole of the magnet rotor. This is a known device including a child, and generates a three-phase AC voltage in synchronization with the rotation of the engine. The three-phase power generation coils Lu, Lv and Lw are star-connected.
制御整流回路2は、ブリッジの上辺をサイリスタ201uないし201wにより構成し、オンオフ制御が自在なスイッチ素子と該スイッチ素子に逆並列接続された帰還ダイオードとからなるスイッチ要素によりブリッジの下辺を構成したブリッジ型の全波整流回路からなっている。本実施形態では、ブリッジの下辺を構成するスイッチ要素がNチャンネル型のMOSFET202uないし202wからなっていて、MOSFET202uないし202wのドレインソース間に形成された寄生ダイオードDpuないしDpwが帰還ダイオードとして用いられている。
The control rectifier circuit 2 includes a
図示の制御整流回路においては、サイリスタ201uないし202wのカソードが共通接続され、MOSFET202uないし202wのソースが共通接続されている。サイリスタ201uないし202wのカソードの共通接続点から制御整流回路の正極側直流出力端子2aが導出され、MOSFET202uないし202wのソースの共通接続点から負極側直流出力端子2bが導出されている。またサイリスタ201uないし201wのアノードとMOSFET201uないし201wのドレインとの間に、カソードをサイリスタ201uないし201wのアノードにそれぞれ接続し、アノードをMOSFET202uないし202wのドレインにそれぞれ接続したスナバダイオードDsuないしDswが挿入され、スナバダイオードDsuないしDswのそれぞれのカソードと制御整流回路2の負極側直流出力端子2b(MOSFET202uないし202wのソースの共通接続点)との間にそれぞれスナバコンデンサCsuないしCswが接続されている。またMOSFET202uないし202wのドレインとスナバダイオードDsuないしDswのアノードとの接続点からそれぞれ三相の交流入力端子2uないし2wが導出されている。制御整流回路2の三相の交流入力端子2uないし2wにそれぞれ磁石発電機1の三相の出力端子が接続され、制御整流回路2の正極側及び負極側の直流出力端子2a及び2bにそれぞれバッテリ3の正極端子及び負極端子が接続されている。
In the illustrated control rectifier circuit, the cathodes of the
昇圧制御時に制御整流回路2の下辺を構成するMOSFETがオフ状態からオン状態にされた際に磁石発電機1の発電コイルに誘起する電圧により制御整流回路2の上辺のサイリスタ201uないし201wに逆電圧が印加されたときに、サイリスタ201uないし201wを通して逆電流が流れる時間を短くするため、スナバダイオードDsuないしDswとしては、サイリスタ201uないし201wのターンオフ時間よりもリカバリ時間が短いダイオードを用いる。また損失を少なくするためスナバダイオードDsuないしDswとしては、ON時の電圧降下が低いもの(内部抵抗が少ないもの)を用いることが好ましい。従って、スナバダイオードDsuないしDswとしては、リカバリ時間が短く、ON時の電圧降下が低いショットキーバリアダイオードを用いることが好ましい。
A reverse voltage is applied to the
なお本実施形態では、MOSFET202uないし202wのドレインソース間の寄生ダイオードを帰還ダイオードとして用いているが、必要に応じて、MOSFET202uないし202wのドレインソース間にディスクリートのダイオードからなる帰還ダイオードを並列接続するようにしてもよい。 In this embodiment, a parasitic diode between the drains and sources of the MOSFETs 202u to 202w is used as a feedback diode. However, if necessary, a feedback diode composed of a discrete diode is connected in parallel between the drains and sources of the MOSFETs 202u to 202w. It may be.
コントローラ4は、磁石発電機の出力電圧を検出する発電機出力電圧検出回路と、負荷(バッテリ3)の端子電圧を検出する負荷電圧検出回路と、CPUとROM及びRAM等のメモリと各種のインターフェース等を有するマイクロプロセッサとを備えていて、マイクロプロセッサがROMに格納された所定のプログラムを実行することにより、磁石発電機の回転速度を検出する回転速度検出手段と、負荷への電力の供給を適正に行わせるべく(バッテリ3の充電を適正に行わせるべく)制御整流回路2を制御する出力制御手段と、磁石発電機1の出力電圧が低いときに磁石発電機の発電コイルに誘起する電圧を昇圧する昇圧制御を行う昇圧制御手段とを実現する。本実施形態では、制御整流回路2とコントローラ4とにより、磁石発電機1の交流出力を整流して負荷(バッテリ3)に電力を供給する直流電源装置が構成されている。
The
図4を参照すると、制御整流回路2とコントローラ4とからなる本実施形態の直流電源装置の構成が、磁石発電機1及び負荷としてのバッテリ3とともに示されている。図4において、4Aは負荷(バッテリ3)の両端の電圧を検出する負荷電圧検出回路、4Bは磁石発電機1の2相間の相間電圧を検出する発電機出力電圧検出回路、4Cは発電機出力電圧検出回路4Bにより検出された1相の交流電圧の一方の極性の半波の波形を矩形波状に整形する波形整形回路、4Dは回転速度検出手段、4Eは出力制御手段、4Fは昇圧制御手段であり、これらのうち、回転速度検出手段4D、出力制御手段4E及び昇圧制御手段4Fは、マイクロプロセッサが所定のプログラムを実行することにより実現する。
Referring to FIG. 4, the configuration of the DC power supply device according to the present embodiment including a control rectifier circuit 2 and a
負荷電圧検出回路4Aは、例えば、制御整流回路2の直流出力端子2a,2b間に接続された抵抗分圧回路により構成される。発電機出力電圧検出回路4Bは、磁石発電機1の三相の出力端子のうちの2つの端子間の電圧をトランスなどを通して検出する回路からなっている。
The load voltage detection circuit 4A is configured by, for example, a resistance voltage dividing circuit connected between the
波形整形回路4Cは、発電機出力電圧検出回路4Bが検出した交流電圧の一方の極性の半波の波形を矩形波状に整形する回路で、この波形整形回路は例えば、発電機出力電圧検出回路4Bが検出した交流電圧の一方の極性の半波の瞬時値がしきい値レベルを超えたときにオン状態になり、該一方の半波の瞬時値がしきい値レベル未満になったときにオフ状態になるスイッチ回路により構成することができる。 The waveform shaping circuit 4C is a circuit that shapes a half-wave waveform of one polarity of the AC voltage detected by the generator output voltage detection circuit 4B into a rectangular wave shape. This waveform shaping circuit is, for example, the generator output voltage detection circuit 4B. Turns on when the instantaneous value of the half wave of one polarity of the AC voltage detected exceeds the threshold level, and turns off when the instantaneous value of the one half wave falls below the threshold level. It can be configured by a switch circuit that enters a state.
回転速度検出手段4Dは、磁石発電機の回転速度を検出する手段で、この回転速度検出手段は、磁石発電機1が出力する交流電圧の周波数または周期を検出することにより磁石発電機1の回転速度を検出する。図示の回転速度検出手段は、波形整形回路4Cから得られる矩形波信号の各立ち上がりから次の立ち上がりまでの時間を、発電機が一定角度(交流電圧の1サイクルに相当する角度)αだけ回転するのに要した時間として計測して、計測した時間と回転角度αとから磁石発電機の回転速度を演算する。 The rotational speed detecting means 4D is a means for detecting the rotational speed of the magnet generator, and this rotational speed detecting means detects the frequency or period of the AC voltage output from the magnet generator 1 to rotate the magnet generator 1. Detect speed. In the illustrated rotational speed detection means, the generator rotates by a fixed angle (an angle corresponding to one cycle of the AC voltage) α for the time from each rising edge to the next rising edge of the rectangular wave signal obtained from the waveform shaping circuit 4C. The rotation speed of the magnet generator is calculated from the measured time and the rotation angle α.
出力制御手段4Eは、負荷の種類に応じて、負荷への電力の供給を適正に行わせるべく、適宜の態様で制御整流回路2のサイリスタとMOSFETとを制御するように構成される。本実施形態では、負荷をバッテリとして、制御整流回路2の出力でバッテリ3を充電するため、出力制御手段4Eが、バッテリ3の充電を適正に行わせるべく制御整流回路2のサイリスタ201uないし201w及びMOSFET202uないし202wを制御するように構成される。本実施形態では、出力制御手段4Eが、下記の(a)ないし(c)の制御を行うように構成される。
The output control means 4E is configured to control the thyristor and MOSFET of the control rectifier circuit 2 in an appropriate manner so as to appropriately supply power to the load according to the type of load. In the present embodiment, since the load is a battery and the battery 3 is charged by the output of the control rectifier circuit 2, the output control means 4E causes the
(a)負荷電圧検出回路4Aにより検出されたバッテリ電圧からバッテリの充電状態を検出して、バッテリ3の充電が完了していないことが検出されたときに、制御整流回路2に同期整流動作を行わせるべく、制御整流回路2のサイリスタ201uないし201wにトリガ信号を与えるとともに、MOSFET202uないし202wのうち、ドレインソース間に存在する寄生ダイオードに順方向電圧が印加されているMOSFETをオン状態にするように、制御整流回路2のサイリスタ201uないし201wとMOSFET202uないし202wとを制御する。
(b)バッテリ電圧検出回路4Aにより検出されたバッテリ電圧からバッテリ3の充電が完了したことが検出されている状態で、回転速度検出手段4Dにより検出された磁石発電機1の回転速度が設定値未満であるときに、制御整流回路2の各サイリスタを転流させるために各サイリスタへのトリガ信号の供給を停止するとともに、各サイリスタをオフ状態にするために必要な時間の間だけすべてのMOSFETをオン状態にする(磁石発電機の出力端子間を短絡する)ように、制御整流回路2のサイリスタとMOSFETとを制御する。
(c)バッテリ3の充電が完了したことが検出されている状態で磁石発電機1の回転速度が上記設定値以上であることが検出されたとき、又はバッテリ3の充電が完了したことが検出されている状態で、磁石発電機1の出力電圧が設定値以上であることが検出されたときに、すべてのMOSFETをオン状態にするように、制御整流回路2のサイリスタとMOSFETとを制御する。
(A) When the charge state of the battery is detected from the battery voltage detected by the load voltage detection circuit 4A and it is detected that the battery 3 is not fully charged, the control rectifier circuit 2 is subjected to synchronous rectification operation. In order to perform this, a trigger signal is given to the
(B) The rotation speed of the magnet generator 1 detected by the rotation speed detection means 4D is the set value in a state where it is detected that the charging of the battery 3 is completed from the battery voltage detected by the battery voltage detection circuit 4A. When all the MOSFETs are stopped for the time required to turn off each thyristor and stop supplying the trigger signal to each thyristor to commutate each thyristor of the control rectifier circuit 2 The thyristor and the MOSFET of the control rectifier circuit 2 are controlled so that is turned on (short-circuits between the output terminals of the magnet generator).
(C) When it is detected that the charging of the battery 3 is completed, it is detected that the rotational speed of the magnet generator 1 is equal to or higher than the set value, or the charging of the battery 3 is completed. When it is detected that the output voltage of the magnet generator 1 is equal to or higher than the set value in a state in which the thyristor is operated, the thyristor and the MOSFET of the control rectifier circuit 2 are controlled to turn on all the MOSFETs .
上記(a)のように、負荷に電力を供給する際にMOSFET202uないし202wを制御して、制御整流回路に同期整流動作を行わせると、サイリスタ201uないし201wとMOSFET202uないし202wの寄生ダイオードDpuないしDpwとにより構成される全波整流回路を通して負荷(バッテリ)に磁石発電機の整流出力を供給する場合に比べて、低損失で負荷に電力を供給することができる。この効果を得るため、MOSFET202uないし202wとしては、それぞれのドレインソース間の抵抗値が寄生ダイオードDpuないしDpwのアノード・カソード間の抵抗値よりも十分に小さい素子を用いる。
As described above (a), when the MOSFETs 202u to 202w are controlled when supplying power to the load and the control rectifier circuit performs the synchronous rectification operation, the
制御整流回路2において、ブリッジの下辺を構成するMOSFET202uないし2020wを同時にオン状態にすると、何れかのMOSFETのドレインソース間と何れかのMOSFETの寄生ダイオードとを通して磁石発電機2の出力が短絡される。例えば、磁石発電機1のU相の発電コイルLuの非中性点側の端子の電位がV相の発電コイルLvの非中性点側の端子の電位よりも高くなっているときには、発電コイルLu−MOSFET202uのドレインソース間−MOSFET202vの寄生ダイオードDpv−発電コイルLvの短絡回路が形成されて、発電コイルLuとLvとが短絡される。従って、上記(b)のように、バッテリの充電が完了したときに、制御整流回路のブリッジの下辺を構成するすべてのMOSFETをオン状態にすると、磁石発電機2の出力を短絡して、制御整流回路2に入力される電圧を零にすることができるため、サイリスタ201uないし201wをそれぞれ流れていた電流を速やかに保持電流以下にして、サイリスタ201uないし201wの転流が速やかに行わせることができる。
In the control rectifier circuit 2, when the MOSFETs 202u to 2020w constituting the lower side of the bridge are simultaneously turned on, the output of the magnet generator 2 is short-circuited between the drain and source of any MOSFET and the parasitic diode of any MOSFET. . For example, when the potential of the non-neutral point terminal of the U-phase power generation coil Lu of the magnet generator 1 is higher than the potential of the non-neutral point terminal of the V-phase power generation coil Lv, the power generation coil A short circuit between the drain and source of the Lu-
上記(c)のように、バッテリ3の充電が完了したことが検出されている状態で磁石発電機1の回転速度が上記設定値以上であることが検出されたときに、すべてのMOSFETをオン状態にするように制御すると、磁石発電機1の出力端子間を短絡することにより、エンジンの負荷を増大させて機関の回転に制動をかけることができるため、発電機の回転速度の上昇を抑制することができる。またすべてのMOSFETをオン状態にして磁石発電機の出力を短絡することにより、磁石発電機1から制御整流回路2への電力の供給を停止して、バッテリの充電を停止させることができ、バッテリが過充電の状態になるのを防ぐことができる。 As shown in (c) above, when it is detected that the charging of the battery 3 is completed, when it is detected that the rotational speed of the magnet generator 1 is equal to or higher than the set value, all the MOSFETs are turned on. When controlled to be in a state, it is possible to increase the engine load and brake the engine rotation by short-circuiting between the output terminals of the magnet generator 1, thereby suppressing an increase in the rotation speed of the generator can do. Further, by short-circuiting the output of the magnet generator by turning on all the MOSFETs, the supply of power from the magnet generator 1 to the control rectifier circuit 2 can be stopped, and charging of the battery can be stopped. Can be prevented from being overcharged.
同様に、バッテリ3の充電が完了したことが検出されている状態で磁石発電機1の出力電圧が設定値を超えたことが検出されたときに、上記(c)のように、すべてのMOSFETをオン状態にするように制御すると、磁石発電機の出力を短絡して発電機の回転速度の上昇を抑制するとともに、バッテリの充電を停止させて、バッテリが過充電の状態になるのを防ぐことができる。 Similarly, when it is detected that the charging of the battery 3 has been completed and the output voltage of the magnet generator 1 has exceeded the set value, all the MOSFETs are When the control is turned on, the output of the magnet generator is short-circuited to suppress an increase in the rotation speed of the generator, and the charging of the battery is stopped to prevent the battery from being overcharged. be able to.
昇圧制御手段4Fは、磁石発電機1からバッテリ3を充電するために必要な出力を得るために磁石発電機1の出力電圧を昇圧する必要があるときに制御整流回路2の各サイリスタにトリガ信号を与えた状態で、すべてのスイッチ要素のスイッチ素子(本実施形態ではMOSFET202uないし202w)を同時にオンオフさせるように制御する。 The boost control means 4F triggers each thyristor of the control rectifier circuit 2 when it is necessary to boost the output voltage of the magnet generator 1 in order to obtain the output required to charge the battery 3 from the magnet generator 1. In this state, the switch elements (MOSFETs 202u to 202w in this embodiment) of all the switch elements are controlled to be turned on / off simultaneously.
本実施形態で用いる昇圧制御手段4Fは、磁石発電機1の出力電圧がバッテリ3を充電するために必要な電圧(この電圧を規定電圧という。)に達していないとき又は磁石発電機1の回転速度が、バッテリ3を充電するために必要な電圧を該発電機1から出力させるために必要な回転速度(この回転速度を規定回転速度という。)に達していないときに、制御整流回路2のサイリスタ201uないし201wにトリガ信号を与えた状態で、すべてのMOSFET202uないし202wを十分に高い周波数で同時にオンオフさせるように、制御整流回路2のサイリスタとMOSFETとを制御する。
The step-up control means 4F used in the present embodiment is used when the output voltage of the magnet generator 1 does not reach a voltage necessary for charging the battery 3 (this voltage is referred to as a specified voltage) or when the magnet generator 1 rotates. When the speed does not reach the rotational speed necessary for outputting the voltage necessary for charging the battery 3 from the generator 1 (this rotational speed is referred to as a prescribed rotational speed), the control rectifier circuit 2 In a state where a trigger signal is applied to the
上記のように、制御整流回路2のサイリスタ201uないし201wにトリガ信号を与えた状態で、すべてのMOSFET202uないし202wを十分に高い周波数で同時にオンオフさせると、磁石発電機の発電コイルを流れる電流を高い周波数で断続させて、発電コイルを流れる電流を、大きな時間的な変化率で変化させることができるため、発電コイルに昇圧された電圧を誘起させることができ、磁石発電機1から制御整流回路2に与えられる電圧を昇圧することができる。このとき制御整流回路2は、磁石発電機1から与えられる交流出力を、トリガ信号が与えられているサイリスタ201uないし201wとMOSFET202uないし202wの寄生ダイオード(帰還ダイオード)とにより構成される全波整流回路により整流してバッテリ3に供給する。
As described above, when all the MOSFETs 202u to 202w are simultaneously turned on and off at a sufficiently high frequency in a state where a trigger signal is applied to the
上記のような昇圧制御手段4Fを設けておけば、磁石発電機1の回転速度が低く、磁石発電機1の出力を整流しただけではバッテリ1を充電するために必要な電流を流すことができない状態でも、バッテリの充電を行わせることができ、エンジンを始動した後、その回転速度が十分に上昇していない状態でも、バッテリの充電を行わせることができる。 If the boost control means 4F as described above is provided, the rotational speed of the magnet generator 1 is low, and a current necessary for charging the battery 1 cannot be flowed only by rectifying the output of the magnet generator 1. Even in the state, the battery can be charged. Even after the engine is started, the battery can be charged even when the rotational speed is not sufficiently increased.
本実施形態において、バッテリ充電制御手段4Eと昇圧制御手段4Fとを構成するためにコントローラ4に設けられたマイクロプロセッサに実行させる処理のアルゴリズムの一例を示すフローチャートを図5に示した。
FIG. 5 shows a flowchart showing an example of a processing algorithm executed by the microprocessor provided in the
図5の処理は、一定のタイミング毎に実行される。この処理が開始されると、先ずステップS101で制御整流回路2のサイリスタ(SCR)201uないし201wにトリガ信号を与えて、サイリスタ201uないし201wのうち、アノードカソード間に順方向電圧が印加されているサイリスタが導通し得るようにする。次いでステップS102で、制御整流回路2に同期整流動作を行わせるように、MOSFET202uないし202wのうち、寄生ダイオード(帰還ダイオード)に順方向電圧が印加されているMOSFETのゲートに駆動信号を与えて、該MOSFETをオン状態にする制御を行わせる。これにより、磁石発電機1の交流出力を同期整流し、その整流出力をバッテリ3に供給してバッテリ3の充電を行わせる。
The process of FIG. 5 is executed at regular timings. When this process is started, first, in step S101, a trigger signal is given to the thyristors (SCR) 201u to 201w of the control rectifier circuit 2, and a forward voltage is applied between the anodes and cathodes of the
次いで、ステップS103で、バッテリ電圧検出回路4Aにより検出されるバッテリ電圧を判定電圧と比較することにより、バッテリの充電が完了しているか否かを判定する。その結果、バッテリの充電が完了している(バッテリ電圧が判定値以上である)と判定されたときには、ステップS104に進んで、磁石発電機1の回転速度Nが設定値Ns以上であるか否かを判定する。その結果、回転速度が設定値以上ではないと判定されたとき(バッテリの充電が完了しているが発電機の回転速度が設定値よりも低いとき)には、ステップS105に進んでサイリスタ201uないし201wのトリガを停止し、ステップS106で、サイリスタ201uないし201wを転流させるために必要な一定時間の間だけ制御整流回路2のすべてのMOSFET202uないし202wをオン状態にする。これにより、一定時間の間磁石発電機1の出力を短絡して、オン状態にあるサイリスタを転流させる。ステップS106を実行した後この処理を終了する。
Next, in step S103, the battery voltage detected by the battery voltage detection circuit 4A is compared with the determination voltage to determine whether or not the battery is fully charged. As a result, when it is determined that the battery is fully charged (battery voltage is equal to or higher than the determination value), the process proceeds to step S104, and whether or not the rotational speed N of the magnet generator 1 is equal to or higher than the set value Ns. Determine whether. As a result, when it is determined that the rotation speed is not equal to or higher than the set value (when charging of the battery is completed but the rotation speed of the generator is lower than the set value), the process proceeds to step S105 and the
ステップS104で、磁石発電機1の回転速度Nが設定値Ns以上であると判定されたときには、ステップS107に進んで制御整流回路のすべてのMOSFET202uないし202wをオン状態にしてこの処理を終了する。制御整流回路のすべてのMOSFET202uないし202wをオン状態にすることにより、磁石発電機1の出力を短絡して、エンジンの回転に制動をかけ、磁石発電機の回転速度の上昇を抑制する。また磁石発電機1の出力を短絡することにより、磁石発電機1から制御整流回路2への電力の供給を停止して、バッテリの充電を停止させ、バッテリが過充電の状態になるのを防ぐ。 When it is determined in step S104 that the rotational speed N of the magnet generator 1 is equal to or higher than the set value Ns, the process proceeds to step S107, and all the MOSFETs 202u to 202w of the control rectifier circuit are turned on, and this process ends. By turning on all the MOSFETs 202u to 202w of the control rectifier circuit, the output of the magnet generator 1 is short-circuited, the engine rotation is braked, and an increase in the rotation speed of the magnet generator is suppressed. Further, by short-circuiting the output of the magnet generator 1, the supply of power from the magnet generator 1 to the control rectifier circuit 2 is stopped, the charging of the battery is stopped, and the battery is prevented from being overcharged. .
ステップS103でバッテリの充電が完了していない(バッテリ電圧が判定値未満である)と判定されたときには、ステップS108に進んで、磁石発電機の回転速度が規定回転速度Ni以下であるか否かを判定する。その結果、磁石発電機の回転速度が規定回転速度以下であると判定されたときには、ステップS109に進んで、制御整流回路2のすべてのサイリスタ(SCR)201uないし201wにトリガ信号を与えて、サイリスタ201uないし201wのうち、アノードカソード間に順方向電圧が印加されているサイリスタが導通し得るようにし、ステップS110で制御整流回路2のすべてのMOSFET202uないし202を高い周波数でオンオフさせて、磁石発電機の出力電圧を昇圧させる動作を行わせる状態にしてこの処理を終了する。
When it is determined in step S103 that charging of the battery is not completed (battery voltage is less than the determination value), the process proceeds to step S108, and whether or not the rotation speed of the magnet generator is equal to or less than the specified rotation speed Ni. Determine. As a result, when it is determined that the rotation speed of the magnet generator is equal to or less than the specified rotation speed, the process proceeds to step S109, and trigger signals are given to all the thyristors (SCR) 201u to 201w of the control rectifier circuit 2, and the thyristor Among
ステップS108で回転速度Nが規定回転速度Ni以下でない(規定回転速度を超えている)と判定されたときには、ステップS111に進んで、磁石発電機の出力電圧Vacが規定電圧Vi以下であるか否かを判定する。この判定の結果、磁石発電機の出力電圧Vacが規定電圧Vi以下であると判定されたときには、ステップS109に進んで制御整流回路2のすべてのサイリスタにトリガ信号を与えて、すべてのサイリスタをオン状態にし得るようにする。次いでステップS110ですべてのMOSFET202uないし202を高い周波数でオンオフさせて、磁石発電機1の出力電圧を昇圧させる状態にした後にこの処理を終了する。ステップS111で、磁石発電機の出力電圧Vacが規定電圧Vi以下ではないと判定されたときには、以後何もしないでこの処理を終了する。 When it is determined in step S108 that the rotation speed N is not equal to or less than the specified rotation speed Ni (exceeds the specified rotation speed), the process proceeds to step S111, and whether or not the output voltage Vac of the magnet generator is equal to or less than the specified voltage Vi. Determine whether. If it is determined that the output voltage Vac of the magnet generator is equal to or less than the specified voltage Vi as a result of the determination, the process proceeds to step S109 to apply trigger signals to all thyristors of the control rectifier circuit 2 and turn on all thyristors. To be in a state. Next, in step S110, all the MOSFETs 202u to 202 are turned on / off at a high frequency so that the output voltage of the magnet generator 1 is boosted, and then this process ends. If it is determined in step S111 that the output voltage Vac of the magnet generator is not less than or equal to the specified voltage Vi, this process is terminated without doing anything thereafter.
図5に示したアルゴリズムによる場合には、ステップS101ないしS107により出力制御手段4Eが構成され、ステップS103及びステップS108ないしS110により、昇圧制御手段4Fが構成される。 In the case of the algorithm shown in FIG. 5, the output control unit 4E is configured by steps S101 to S107, and the boost control unit 4F is configured by steps S103 and steps S108 to S110.
上記の実施形態において、昇圧制御手段4Fが、制御整流回路2のMOSFET202uないし202wをオンオフさせて、磁石発電機の出力電圧を昇圧する動作を行う際には、MOSFETをオン状態からオフ状態にしたときに磁石発電機1から放出されるエネルギが瞬時にスナバダイオードDsuないしDswを通してスナバコンデンサCsuないしCswに吸収されるため、MOSFET202uないし202wの両端にサージ電圧が発生するのを防止することができる。このときスナバコンデンサCsuないしCswは高い電圧まで充電されるが、スナバコンデンサCsuないしCswと制御整流回路2のMOSFETとの間には、スナバコンデンサCsuないしCswの両端の電圧に対して逆方向のスナバダイオードDsuないしDswが介在しているため、スナバコンデンサCsuないしCswの両端の電圧がMOSFET202uないし202wに印加されることはない。スナバコンデンサCsuないしCswに蓄積された電荷は、MOSFET202uないし202wがオフ状態になった後、対応するサイリスタ201uないし201wがオン状態になったときにそれぞれのサイリスタを通してバッテリ3側に放電させられる。
In the above embodiment, when the boost control unit 4F performs the operation of boosting the output voltage of the magnet generator by turning on and off the
上記のように構成すると、制御整流回路2のブリッジの下辺を構成するMOSFET202uないし202wの耐電圧を高くしておく必要がなくなるため、内部抵抗が低いMOSFETを選定することが容易になる。従って、MOSFET202uないし202wで生じる損失を少なくすることができ、MOSFET202uないし202wで生じる発熱を少なくして、各MOSFETに大型の放熱器を取り付ける必要性をなくすことができ、装置が大型化するのを防ぐことができる。またCR型のスナバ回路を用いた場合のように、スナバ回路で電力が消費されることがないため、制御整流回路2で生じる損失を少なくすることができることと相俟って、充電効率を高めることができる。
With the above configuration, it is not necessary to increase the withstand voltage of the MOSFETs 202u to 202w constituting the lower side of the bridge of the control rectifier circuit 2, so that it is easy to select a MOSFET having a low internal resistance. Therefore, it is possible to reduce the loss generated in the
また上記の実施形態のように、スナバダイオードDsuないしDswとして、制御整流回路2のブリッジの上辺を構成する各サイリスタのターンオフ時間よりもリカバリ時間が短いダイオードを用いると、昇圧制御時に制御整流回路2の下辺を構成するスイッチ要素のスイッチ素子(上記の例ではMOSFET)がオフ状態からオン状態にされた際に磁石発電機1の発電コイルに誘起する電圧により、制御整流回路2の上辺を構成するサイリスタに逆電圧が印加されたときに、サイリスタを通して逆電流が流れる時間を短くすることができるため、昇圧制御時に制御整流回路で生じる損失をいっそう少なくすることができる。またスナバダイオードDsuないしDswとして、ショットキーバリアダイオードのような、ON時の電圧降下が低いダイオードを用いれば、スナバダイオードDsuないしDswを設けたことによる損失の増大を最小限に抑えることができる。 Further, as in the above-described embodiment, when a diode whose recovery time is shorter than the turn-off time of each thyristor constituting the upper side of the bridge of the control rectifier circuit 2 is used as the snubber diodes Dsu to Dsw, the control rectifier circuit 2 The upper side of the control rectifier circuit 2 is configured by the voltage induced in the power generation coil of the magnet generator 1 when the switch element (MOSFET in the above example) that configures the lower side of the magnet generator is switched from the off state to the on state. When a reverse voltage is applied to the thyristor, the time during which the reverse current flows through the thyristor can be shortened, so that the loss generated in the control rectifier circuit during boost control can be further reduced. Further, if a diode having a low voltage drop when ON, such as a Schottky barrier diode, is used as the snubber diodes Dsu to Dsw, an increase in loss due to the provision of the snubber diodes Dsu to Dsw can be minimized.
上記の直流電源装置においては、制御整流回路2を構成する各半導体素子の温度上昇を各素子で許容される温度の上限値以下に抑えることの必要性から、取り出すことができる出力の上限値が決まる。上記のように制御整流回路のブリッジの上辺にスナバダイオードを追加すると、該スナバダイオードで発熱が生じるが、一般にダイオードのPNジャンクションで許容される温度の上限値は、サイリスタのジャンクションで許容される温度の上限値よりも十分に高いので、スナバダイオードをブリッジの上辺に追加したことが直流電源装置の出力を制限する要因となることはない。 In the DC power supply device described above, the upper limit value of the output that can be taken out is necessary because it is necessary to suppress the temperature rise of each semiconductor element constituting the control rectifier circuit 2 below the upper limit value of the temperature allowed for each element. Determined. When a snubber diode is added to the upper side of the bridge of the control rectifier circuit as described above, heat is generated in the snubber diode. Generally, the upper limit value of the temperature allowed in the PN junction of the diode is the temperature allowed in the thyristor junction. Since the value is sufficiently higher than the upper limit value, the addition of the snubber diode on the upper side of the bridge does not cause the output of the DC power supply device to be limited.
上記の実施形態では、制御整流回路のブリッジの下辺を構成するスイッチ要素としてMOSFETを用いたが、制御整流回路のブリッジの下辺を構成するスイッチ要素は、オンオフ制御が可能なスイッチ素子と、該スイッチ素子の両端に逆並列接続された帰還ダイオードとを有するスイッチ要素を用いればよく、上記の例に限定されない。 In the above embodiment, the MOSFET is used as the switch element constituting the lower side of the bridge of the control rectifier circuit. However, the switch element constituting the lower side of the bridge of the control rectifier circuit includes the switch element capable of on / off control and the switch A switch element having feedback diodes connected in antiparallel to both ends of the element may be used, and is not limited to the above example.
図2を参照すると、制御整流回路2のブリッジの下辺を構成するスイッチ要素を、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(IGBT)203uないし203wと、これらのIGBTのコレクタエミッタ間に逆並列接続された帰還ダイオードDuないしDwとにより構成した例が示されている。図2に示された例では、制御整流回路2のブリッジの上辺を構成するサイリスタ201uないし201wと、ブリッジの下辺を構成するIGBT203uないし203wとの間にそれぞれ、カソードをサイリスタ201uないし201wのアノードに接続し、アノードをIGBT203uないし203wのコレクタに接続したスナバダイオードDsuないしDswが挿入されている。サイリスタS201uないし201wのアノードが共通接続されるとともに、IGBT203uないし203wのエミッタが共通接続され、サイリスタS201uないし201wのカソードの共通接続点及びIGBT203uないし203wのエミッタの共通接続点からそれぞれ正極側及び負極側の直流出力端子が導出されている。またIGBT203uないし203wのコレクタとスナバダイオードDsuないしDswのアノードとの接続点からそれぞれ制御整流回路2の三相の交流入力端子2uないし2wが導出されている。図2に示された直流電源装置のその他の構成は図1に示したものと同様である。
Referring to FIG. 2, the switch element constituting the lower side of the bridge of the control rectifier circuit 2 includes a feedback diode Du connected in reverse parallel between the insulated gate bipolar transistors (IGBT) 203u to 203w and the collector emitters of these IGBTs. The example comprised by thru | or Dw is shown. In the example shown in FIG. 2, the cathode is connected to the anode of the
本発明は、上記の実施形態のように、制御整流回路2の負荷をバッテリ3として、磁石発電機1の整流出力でバッテリ3を充電する場合に限定されるものではなく、磁石発電機の出力を制御整流回路により整流して適宜の負荷に電力を供給する直流電源装置にも本発明を適用することができる。例えば、図3に示すように、インバータ5を負荷として、インバータ5に直流電源電圧を与える直流電源装置にも、本発明を適用することができる。 The present invention is not limited to the case where the load of the control rectifier circuit 2 is the battery 3 and the battery 3 is charged with the rectified output of the magnet generator 1 as in the above embodiment. The present invention can also be applied to a DC power supply device that rectifies the power by a control rectifier circuit and supplies power to an appropriate load. For example, as shown in FIG. 3, the present invention can also be applied to a DC power supply device that applies a DC power supply voltage to the inverter 5 using the inverter 5 as a load.
図3に示されたインバータ5は、ソースが共通接続されたPチャンネル型のMOSFET501uないし501wによりブリッジの上辺を構成し、ドレインがMOSFET501uないし501wのドレインにそれぞれ接続され、ソースが共通接続されたNチャンネル型のMOSFET502uないし502wによりブリッジの下辺を構成した周知のもので、MOSFET501uないし501wのソースの共通接続点及びMOSFET502uないし502wのソースの共通接続点からそれぞれ正極側及び負極側の直流入力端子5a及び5bが導出されている。またMOSFET501u,501v及び501wのドレインと、MOSFET502u,502v及び502wのドレインとの接続点からそれぞれ三相の交流出力端子5u,5v及び5wが導出されている。
In the inverter 5 shown in FIG. 3, the upper side of the bridge is constituted by P-
本発明に係る直流電源装置の直流出力端子2a及び2bの間にはバッテリに代えて電源コンデンサCsが接続され、このコンデンサCsの両端の電圧が、インバータ5の正極側及び負極側の直流入力端子5a及び5b間に印加されている。インバータ5のMOSFET501uないし501w及び502uないし502wのゲートにはインバータ制御回路6から駆動信号(MOSFETをオン状態にするための信号)が与えられている。
A power supply capacitor Cs is connected between the
インバータ制御回路6は、直流電源装置の出力端子間に接続された電源コンデンサCsの両端の直流電圧を一定の周波数を有する交流電圧に変換して交流出力端子5uないし5wから出力するように、インバータ5のMOSFET501uないし501w及び502uないし502wをオンオフ制御する。インバータ5の構成は周知であるので、その詳細な動作の説明は省略する。
The inverter control circuit 6 converts the DC voltage across the power supply capacitor Cs connected between the output terminals of the DC power supply device into an AC voltage having a certain frequency and outputs the AC voltage from the
図3に示した実施形態において、コントローラ4の出力制御手段は、インバータ5の出力電圧を設定値に保つために必要な直流電圧を制御整流回路2から出力させるように、制御整流回路2を制御する。図3に示された実施形態において、直流電源装置1の構成は、図1に示したものと同様である。
In the embodiment shown in FIG. 3, the output control means of the
図3に示した例においては、制御整流回路2とコントローラ4とからなる本発明に係る直流電源装置と、インバータ5とにより、回転速度が一定でないエンジンにより駆動されるために出力周波数が随時変化する磁石発電機1の交流出力電圧を一旦直流電圧に変換した後、インバータ5により一定の周波数を有する交流電圧に変換する電源装置が構成されている。
In the example shown in FIG. 3, the output frequency changes at any time because it is driven by an engine whose rotational speed is not constant by the DC power supply device according to the present invention comprising the control rectifier circuit 2 and the
上記の実施形態のように、負荷に電力を供給する際に制御整流回路2の各サイリスタにトリガ信号を与えるとともに、帰還ダイオードに順方向電圧が印加されているスイッチ要素のスイッチ素子をオン状態にして制御整流回路2に同期整流動作を行わせるように出力制御手段を構成しておくと、制御整流回路のブリッジの下辺を構成するスイッチ要素のスイッチ素子としてオン時の損失が帰還ダイオードよりも少ない素子を用いることにより、ブリッジの上辺を構成するサイリスタとブリッジの下辺を構成するスイッチ要素の帰還ダイオードとにより構成される全波整流回路により磁石発電機の出力を整流する場合に比べて、低損失で整流動作を行わせることができる。しかしながら本発明は、負荷に電力を供給する際に制御整流回路に同期整流動作を行わせるように出力制御手段を構成する場合に限定されるものではない。 As in the above embodiment, when supplying power to the load, a trigger signal is given to each thyristor of the control rectifier circuit 2, and the switch element of the switch element in which the forward voltage is applied to the feedback diode is turned on. If the output control means is configured to cause the control rectifier circuit 2 to perform the synchronous rectification operation, the switching element of the switch element constituting the lower side of the bridge of the control rectifier circuit has less loss when turned on than the feedback diode. Compared with the case where the output of the magnet generator is rectified by a full-wave rectifier circuit composed of a thyristor that forms the upper side of the bridge and a feedback diode of the switch element that forms the lower side of the bridge The rectifying operation can be performed with However, the present invention is not limited to the case where the output control means is configured to cause the control rectifier circuit to perform the synchronous rectification operation when supplying power to the load.
例えば、本発明に係る直流電源装置のコントローラに設ける出力制御手段は、磁石発電機の出力を昇圧する必要がない状況で負荷に電力を供給する際に、制御整流回路の下辺を構成するスイッチ要素のスイッチ素子をオフ状態に保って、制御整流回路のブリッジの上辺を構成するサイリスタとブリッジの下辺を構成するスイッチ要素の帰還ダイオードとにより構成される全波整流回路により磁石発電機の出力を整流して負荷に電力を供給するように構成してもよい。 For example, the output control means provided in the controller of the DC power supply device according to the present invention is a switch element that constitutes the lower side of the control rectifier circuit when supplying power to the load in a situation where it is not necessary to boost the output of the magnet generator The output of the magnet generator is rectified by a full-wave rectifier circuit composed of a thyristor that forms the upper side of the bridge of the control rectifier circuit and a feedback diode of the switch element that forms the lower side of the bridge. Thus, power may be supplied to the load.
上記の実施形態では、磁石発電機1が三相交流電圧を出力するように構成されているが、磁石発電機として単相交流電圧を出力するものを用いる場合にも本発明を適用することができるのはもちろんである。 In the above embodiment, the magnet generator 1 is configured to output a three-phase AC voltage, but the present invention can also be applied to the case where a magnet generator that outputs a single-phase AC voltage is used. Of course you can.
本発明に係る直流電源装置は、エンジンにより駆動される磁石発電機の交流出力を直流出力に変換する必要がある用途に広く利用することができる。例えば、エンジンにより駆動される車両に搭載されるバッテリを充電するバッテリ充電装置として利用したり、回転速度が一定でないエンジンにより駆動される磁石発電機の交流出力を周波数が一定な交流出力に変換する電源装置(エンジン発電機)の直流電源部などとして利用することができる。 The DC power supply device according to the present invention can be widely used in applications that require conversion of AC output of a magnet generator driven by an engine into DC output. For example, it can be used as a battery charger for charging a battery mounted on a vehicle driven by an engine, or an alternating current output of a magnet generator driven by an engine whose rotational speed is not constant is converted into an alternating current output having a constant frequency. It can be used as a DC power supply unit of a power supply device (engine generator).
1 磁石発電機
2 制御整流回路
2u〜2w 交流入力端子
2a,2b 直流出力端子
201u〜201w サイリスタ
202u〜202w MOSFET
Dsu〜Dsw スナバダイオード
Csu〜Csw スナバコンデンサ
3 バッテリ
4 コントローラ
4A 負荷電圧検出回路
4B 発電機出力電圧検出回路
4C 波形整形回路
4E 出力制御手段
4F 昇圧制御手段
5 インバータ
501u〜501w Pチャンネル型MOSFET
502u〜502w Nチャンネル型MOSFET
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Magnet generator 2
Dsu to Dsw Snubber diode Csu to Csw Snubber capacitor 3
502u to 502w N-channel MOSFET
Claims (6)
前記制御整流回路のブリッジの各上辺を構成するサイリスタと下辺を構成するスイッチ要素との間に、各上辺を構成するサイリスタ側にカソードを向けたスナバダイオードが挿入されるとともに、各スナバダイオードのカソードと前記制御整流回路の負極側の直流出力端子との間にスナバコンデンサが接続されていることを特徴とする直流電源装置。 An AC input terminal to which an AC output of a magnet generator driven by an engine is input and a DC output terminal on a positive electrode side and a negative electrode side to which a load is connected, and an AC voltage input to the AC input terminal A bridge-type control rectifier circuit that rectifies and outputs between the DC output terminals, and a controller that controls the control rectifier circuit. The control rectifier circuit is configured by thyristors on each upper side of the bridge, and is turned on and off. Each lower side of the bridge is configured by a switch element having a switch element that can be freely controlled and a feedback diode connected in reverse parallel to the switch element, and a thyristor that forms the upper side of the bridge and a feedback diode of the switch element that forms the lower side And a full-wave rectifier circuit, and the controller appropriately supplies power to the load. And an output control means for controlling the output of the control rectifier circuit to trigger the thyristor of the control rectifier circuit when the output voltage of the magnet generator needs to be boosted to supply power to the load. A step-up control means for controlling so as to simultaneously turn on and off the switch elements of all the switch elements in a state where a signal is applied,
A snubber diode having a cathode facing the thyristor side constituting each upper side is inserted between the thyristor constituting each upper side of the bridge of the control rectifier circuit and the switch element constituting the lower side, and the cathode of each snubber diode And a snubber capacitor connected between a negative output side DC output terminal of the control rectifier circuit.
前記制御整流回路のブリッジの各上辺を構成するサイリスタと下辺を構成するMOSFETの間に、カソードをサイリスタ側に向けたスナバダイオードが挿入されるとともに、各スナバダイオードのカソードと前記制御整流回路の負極側の直流出力端子との間にスナバコンデンサが接続されていることを特徴とする直流電源装置。 An AC input terminal to which an AC output of a magnet generator driven by an engine is input and a DC output terminal on a positive electrode side and a negative electrode side to which a load is connected, and an AC voltage input to the AC input terminal A bridge-type control rectifier circuit that rectifies and outputs between the DC output terminals, and a controller that controls the control rectifier circuit. The control rectifier circuit includes a thyristor and a MOSFET on the upper side and the lower side of the bridge, respectively. A full-wave rectifier circuit comprising the thyristor and a parasitic diode between the drain and source of the MOSFET, and the controller outputs the control rectifier circuit so as to properly supply power to the load. And output control means for controlling the output of the magnet generator in order to supply power to the load The control in the state given a trigger signal to the thyristors of the rectifier circuit a DC power supply and a boost control means for controlling all of the switch elements of the switching element so as to simultaneously turned on and off,
A snubber diode with the cathode facing the thyristor is inserted between the thyristor constituting each upper side of the bridge of the control rectifier circuit and the MOSFET constituting the lower side, and the cathode of each snubber diode and the negative electrode of the control rectifier circuit A direct current power supply device, wherein a snubber capacitor is connected to the direct current output terminal on the side.
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