JP6064634B2 - 電圧補償回路 - Google Patents

Description

本発明は、電圧補償回路に関し、特に、蓄電池等の直流電源から供給される出力電圧の低下を補償する電圧補償回路に関するものである。

蓄電池等の直流電源から負荷装置に電力を供給する場合、常に一定の電圧が安定的に供給されることが望ましい。しかし、直流電源が蓄電池である場合、その出力電圧はその充電レベルに応じて低下するので、常に一定の電圧を得ることはできない。この問題を解決するため、特許文献１には、蓄電池の出力電圧が所定の電圧以上のときにはこれをそのまま負荷装置に供給し、蓄電池の出力電圧が所定の電圧よりも低くなったときにはＤＣＤＣコンバータ（昇圧回路）を介して負荷装置に電圧を供給する電圧補償回路が開示されている。

また、直流電源から遠方に設置された負荷装置に電力を供給する場合、長い電源ケーブルを用いる必要があるが、負荷装置までの距離が非常に長い場合には配線抵抗によって電圧降下が生じ、負荷装置に到達する電圧は直流電源の出力レベルよりも低いものとなる。このような配線抵抗による電圧降下を補償する場面でも電圧補償回路が用いられる。

特開２００２−３２１３１号公報

しかしながら、特許文献１に記載された電圧補償回路は、蓄電池の出力電圧をそのまま負荷装置に供給するか、又はＤＣＤＣコンバータで昇圧した電圧を供給するかを選択回路によって選択しているため、回路構成が複雑になる。また、ＤＣＤＣコンバータの選択時には、ＤＣＤＣコンバータによって変換された出力電圧だけが負荷装置に供給され、蓄電池による直流電圧は負荷装置に直接供給されない。つまり、蓄電池の出力電圧はすべてＤＣＤＣコンバータを経由して負荷装置に供給されるので、電力の損失が大きく、その使用効率が悪いという問題がある。

したがって、本発明は、蓄電池等の直流電源の出力が低下したり、配線抵抗によって電圧降下が生じたとしても、単純な構成で、負荷装置に一定の電圧を効率よく供給することが可能な電圧補償回路を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明による電圧補償回路は、負荷装置に供給される直流電源の出力電圧を補償する電圧補償回路であって、正入力端子、負入力端子、正出力端子及び負出力端子を有するＤＣＤＣコンバータと、第１のダイオードと、第２のダイオードと、前記ＤＣＤＣコンバータの前記正入力端子及び前記負出力端子は、前記直流電源の正極端子に接続されており、前記ＤＣＤＣコンバータの前記負入力端子は、前記直流電源の負極端子に接続されており、前記ＤＣＤＣコンバータの前記正入力端子及び前記負出力端子と前記負荷装置の正極端子との間には、前記負荷装置に向かう方向が順方向となる前記第１のダイオードが設けられ、前記ＤＣＤＣコンバータの前記正出力端子と前記負荷装置の正極端子との間には、前記負荷装置に向かう方向が順方向となる前記第２のダイオードが設けられ、前記ＤＣＤＣコンバータは、前記負荷装置の両端の電圧が所定の電圧レベルとなるように制御することを特徴とする。

本発明によれば、直流電源の出力電圧とＤＣＤＣコンバータの出力電圧が加算され、加算された電圧が負荷装置に供給される。このため、直流電源の出力電圧が低下したり、配線抵抗によって電圧降下が生じた場合であっても、不足電圧のみをＤＣＤＣコンバータから供給するので、電圧の供給効率がよく、電力の損失を最小限に抑えることができる。

本発明において、前記ＤＣＤＣコンバータは、前記ＤＣＤＣコンバータの入力端子間電圧がしきい値未満となった場合に動作を開始することが好ましい。これによれば、直流電源の出力電圧が低下したことに応答してＤＣＤＣコンバータの動作を開始させることが可能となる。或いは、前記ＤＣＤＣコンバータは、前記ＤＣＤＣコンバータの入力端子間電圧と前記ＤＣＤＣコンバータの出力端子間電圧の加算値がしきい値未満となった場合に動作を開始することもまた好ましい。これによれば、負荷装置に供給される電圧が低下したことに応答してＤＣＤＣコンバータの動作を開始させることが可能となる。

本発明において、前記直流電源と前記ＤＣＤＣコンバータとの間の配線距離は、前記ＤＣＤＣコンバータと前記負荷装置との間の配線距離よりも長く、前記ＤＣＤＣコンバータの入力端子間電圧は、前記直流電源の出力電圧よりも小さいことが好ましい。これによれば、配線抵抗による電圧降下が大きい場合であっても、電圧降下分をＤＣＤＣコンバータによって補うことが可能となる。

本発明においては、前記直流電源が蓄電池であることが好ましい。これによれば、蓄電池の残量低下などによってその出力電圧が低下した場合であっても、低下分をＤＣＤＣコンバータによって補うことが可能となる。

本発明によれば、直流電源の出力が低下したり、配線抵抗によって電圧降下が生じたとしても、単純な構成で、負荷装置に一定の電圧を効率よく供給することが可能な電圧補償回路を提供することができる。

図１は、本発明の第１の実施の形態による電圧補償回路１の構成を示す回路図である。 図２は、電圧補償回路１の動作を説明するための図であって、各部の入出力電圧Ｖｏ、Ｖ１、Ｖ２の関係を示すグラフである。 図３は、本発明の第２の実施の形態による電圧補償回路２の構成を示す回路図である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の第１の実施の形態による電圧補償回路１の構成を示す回路図である。

図１に示すように、本実施形態による電圧補償回路１は、負荷装置３に供給される蓄電池４の出力電圧の低下を補償するための回路であって、蓄電池４の出力電圧を昇圧するＤＣＤＣコンバータ１０と、第１及び第２のダイオードＤ１，Ｄ２と、負荷装置３の端子間電圧を検出する電圧検出回路２０とを備えている。

蓄電池４は例えば負荷装置３から遠く離れた場所に設けられた蓄電池室に設置されており、電源ケーブル５を介して負荷装置３に接続されている。蓄電池４は正極端子４ａ及び負極端子４ｂを有し、正極端子４ａは第１のダイオードＤ１を介して負荷装置３の正極端子３ａに接続されており、蓄電池４の負極端子４ｂは負荷装置３の負極端子３ｂに接続されている。第１のダイオードＤ１は蓄電池４から負荷装置３に向かう方向が順方向となるように接続されている。

本実施形態においては、蓄電池４から負荷装置３までの電源ケーブル５の配線距離が長いため、負荷装置３に近い電源ケーブル５の終端付近では配線抵抗ＲＬによる電圧降下が生じている。このため、蓄電池４の実際の出力電圧をＶｂとし、電源ケーブル５に流れる電流をＩｂとした場合、負荷装置３に近い位置における電源ケーブル５の電圧Ｖ１は、
Ｖ１＝Ｖｂ−ＲＬ×Ｉｂ
となる。本実施形態においては、ＤＣＤＣコンバータ１０が負荷装置３の近傍に配置されており、したがって、蓄電池４とＤＣＤＣコンバータ１０との間の配線距離は、ＤＣＤＣコンバータ１０と負荷装置３のとの配線距離よりも長い。

ＤＣＤＣコンバータ１０は電圧Ｖ２を生成する電源回路であって、蓄電池４の出力電圧Ｖｂ（厳密には電源ケーブル５の電圧Ｖ１）を取り込んでそれとは異なる所定の電圧Ｖ２を出力する。電圧Ｖ２のレベルは、電圧検出回路２０によって検出された出力電圧Ｖｏに基づいて制御される。ＤＣＤＣコンバータ１０の構成はいわゆる絶縁タイプである限り特に限定されない。

ＤＣＤＣコンバータ１０の正入力端子１１ａ及び負入力端子１１ｂは、蓄電池４の正極端子４ａ及び負極端子４ｂにそれぞれ接続されている。ＤＣＤＣコンバータ１０の正出力端子１２ａは、第２のダイオードＤ２を介して負荷装置３の正極端子３ａと第１のダイオードＤ１のカソードとの接続点Ｎ１に接続されており、負出力端子１２ｂは、蓄電池４の正極端子４ａ（第１のダイオードＤ１のアノード）に接続されている。第２のダイオードＤ２は負荷装置３から正出力端子１２ａに向かう方向が逆方向となるように設けられており、これによりＤＣＤＣコンバータ１０の停止中における負荷装置３の端子間の電位差が確保される。

このように、本実施形態においては、ＤＣＤＣコンバータ１０が蓄電池４に対して並列接続されているのではなく、ＤＣＤＣコンバータ１０の正出力端子１２ａ及び負出力端子１２ｂがいずれも蓄電池４の正極端子４ａ側に接続されている。このため、ＤＣＤＣコンバータ１０が動作している期間においては、蓄電池４から出力される第１の直流電圧Ｖ１に、ＤＣＤＣコンバータ１０から出力される第２の直流電圧Ｖ２が重畳され、その合成電圧（Ｖ１＋Ｖ２）が負荷装置３に印加されることになる。一方、蓄電池４の出力電圧が高く、これによりＤＣＤＣコンバータ１０の動作が停止している期間においては、蓄電池から出力される第１の直流電圧Ｖ１だけが負荷装置３に印加される。

電圧検出回路２０は、分圧抵抗Ｒ３，Ｒ４を用いて負荷装置３の両端の電圧Ｖｏを検出し、その検出結果をＤＣＤＣコンバータ１０のスイッチング制御回路１３に供給する。ＤＣＤＣコンバータ１０は、電圧検出回路２０によって検出された負荷装置３の両端の電圧Ｖｏが所定の電圧レベルとなるようにフィードバック制御する。

本実施形態によるＤＣＤＣコンバータ１０は、トランスＴ１を有するシングルフォワード方式のＤＣＤＣコンバータであり、トランスＴ１の１次側には、並列キャパシタＣ１、分圧抵抗Ｒ１，Ｒ２、及び第１及び第２のスイッチング素子Ｔｒ１，Ｔｒ２が設けられている。このうち、分圧抵抗Ｒ１，Ｒ２は、蓄電池４から供給される第１の直流電圧Ｖ１のレベルを検出する電圧検出回路３０として機能する。また、トランスＴ１の２次側には、直列ダイオードＤ３、並列ダイオードＤ４、直列インダクタＬ１、並列キャパシタＣ２が設けられている。さらにＤＣＤＣコンバータ１０は、第１及び第２のスイッチング素子Ｔｒ１，ｔｒ２を制御するスイッチング制御回路１３と、比較器１４とを備えている。

比較器１４は、電圧検出回路３０から出力される検出電圧Ｖ１ａと基準電圧Ｖｒｅｆとを比較し、その結果に基づいてスイッチング制御回路１３の動作を制御する。つまり、検出電圧Ｖ１ａが基準電圧Ｖｒｅｆを下回った場合には、スイッチング制御回路１３が動作を開始し、スイッチング素子Ｔｒ１，Ｔｒ２のオンオフ状態を制御する。スイッチング制御回路１３は、電圧検出回路２０によって検出される出力電圧Ｖｏに基づいて出力パルスのパルス幅を決定し、これにより所望の出力電圧Ｖ２となるようにフィードバック制御する。これにより、蓄電池４から供給される第１の直流電圧Ｖ１のレベルが低下しても、負荷装置３には合成電圧Ｖ１＋Ｖ２が与えられることになる。なお、スイッチング制御回路１３が動作していないときには、ＤＣＤＣコンバータ１０自体が動作せず、その入力側と出力側がトランスＴ１によって絶縁されているので、ＤＣＤＣコンバータ１０の出力電圧はゼロである。この場合、出力電圧Ｖｏのレベルは、第１の直流電圧Ｖ１に等しくなる。

ここで、ダイオードＤ２は、負荷装置３の正極端子３ａからＤＣＤＣコンバータ１０の正出力端子１２ａに向かって逆方向となるように接続されており、また、ダイオードＤ１は、負荷装置３の正極端子３ａから蓄電池４の正極端子４ａ及びＤＣＤＣコンバータ１０の負出力端子１２ｂに向かって逆方向となるように接続されているので、たとえ負荷装置３の端子間電圧ＶｏよりもＤＣＤＣコンバータ１０の電位や蓄電池４の電位のほうが低かったとしても、負荷装置３からＤＣＤＣコンバータ１０や蓄電池４に向かって電流が逆流することはない。

図２は、電圧補償回路１の動作を説明するための図であって、各部の入出力電圧Ｖｏ、Ｖ１、Ｖ２の関係を示すグラフである。

図２に示すように、蓄電池４の出力電圧Ｖ１が所定のしきい値Ｖｔｈ以上である場合にはＤＣＤＣコンバータ１０は動作せず、出力電圧Ｖ１はそのまま負荷装置３に供給される。蓄電池４の残量が低下し、その出力電圧Ｖ１が所定のしきい値Ｖｔｈよりも低くなると、ＤＣＤＣコンバータ１０が動作を開始して出力電圧Ｖ２を発生し、負荷装置３の端子間電圧Ｖｏが一定となるように制御する。ここで、所定のしきい値Ｖｔｈは、動作の安定を図るため、目標とする出力電圧Ｖｏよりもやや低く設定することが好ましい。ＤＣＤＣコンバータ１０が動作すると、負荷装置３の端子間電圧Ｖｏは、蓄電池４の出力電圧Ｖ１とＤＣＤＣコンバータ１０の出力電圧Ｖ２との合計電圧Ｖ１＋Ｖ２となり、これが一定となるように制御される。かかる制御は、電圧検出回路２０によって出力電圧Ｖｏをモニタすることにより行われる。

以上説明したように、本実施形態による電圧補償回路１は、直流電源としての蓄電池４の出力電圧Ｖ１が低下してしきい値未満となった場合には、ＤＣＤＣコンバータ１０が生成した電圧Ｖ２を加えた合計電圧Ｖ１＋Ｖ２を負荷装置３に供給する。したがって、負荷装置３に一定の電圧を供給し続けることができる。特に、蓄電池４から負荷装置３に供給することができる最大電圧は負荷装置３にそのまま供給し、不足電圧のみをＤＣＤＣコンバータ１０から供給するので、電圧の供給効率がよく、電力の損失を最小限に抑えることができる。しかも、電圧検出回路２０によって負荷装置３の両端の端子間電圧Ｖｏを直接的にモニタしていることから、出力電圧Ｖｏのレベルをより正確に制御することが可能となる。

図３は、本発明の第２の実施の形態による電圧補償回路２の構成を示す回路図である。

図３に示すように、本実施形態による電圧補償回路２の特徴は、電圧検出回路２０が負荷装置３の両端の端子間電圧Ｖｏではなく、ＤＣＤＣコンバータ１０の出力電圧Ｖ２を検出し、この出力電圧Ｖ２と入力電圧Ｖ１とを加算器１５で加算し、この加算値Ｖ１＋Ｖ２に基づいてスイッチングパルスのパルス幅を決定することを特徴としている。この場合、ＤＣＤＣコンバータ１０の入力電圧Ｖ１と出力電圧Ｖ２との加算値Ｖ１＋Ｖ２の分圧レベルは、比較器１４によって基準電圧Ｖｒｅｆと比較される。そして、加算値Ｖ１＋Ｖ２の分圧レベルが基準電圧Ｖｒｅｆよりも低い場合にはスイッチング制御回路１３が動作を開始し、基準電圧Ｖｒｅｆよりも高い場合にはスイッチング制御回路１３の動作が停止する。これにより、加算値Ｖ１＋Ｖ２、つまり負荷装置３の両端の端子間電圧Ｖｏが一定となるようフィードバック制御される。

本実施形態による電圧補償回路２は、第１の実施形態による電圧補償回路１と同様、蓄電池４から負荷装置３に供給することができる最大電圧は負荷装置３にそのまま供給し、不足電圧のみをＤＣＤＣコンバータ１０から供給するので、電圧の供給効率がよく、電力の損失を最小限に抑えることができる。しかも、電圧検出回路２０をＤＣＤＣコンバータ１０の内部に配置できることから、電圧検出回路２０を含めた配線構造をより単純化することが可能となる。

本発明は、以上の実施の形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることが可能であり、それらも本発明に包含されるものであることは言うまでもない。

例えば、上記実施形態においては、使用時の電圧降下が大きい蓄電池を挙げたが、本発明は蓄電池に限定されず、太陽電池や燃料電池などの電圧変動がある種々の直流電源を対象とすることができる。

１、２ 電圧補償回路
３ 負荷装置
３ａ 負荷装置の正極端子
３ｂ 負荷装置の負極端子
４ 蓄電池
４ａ 蓄電池の正極端子
４ｂ 蓄電池の負極端子
５ 電源ケーブル
１０ ＤＣＤＣコンバータ
１１ａ ＤＣＤＣコンバータの正入力端子
１１ｂ ＤＣＤＣコンバータの負入力端子
１２ａ ＤＣＤＣコンバータの正出力端子
１２ｂ ＤＣＤＣコンバータの負出力端子
１３ スイッチング制御回路
１４ 比較器
１５ 加算器
２０、３０ 電圧検出回路

Claims (3)

1. 負荷装置に供給される直流電源の出力電圧を補償する電圧補償回路であって、
   正入力端子、負入力端子、正出力端子及び負出力端子を有するＤＣＤＣコンバータと、
   第１のダイオードと、
   第２のダイオードと、
   前記ＤＣＤＣコンバータの前記正入力端子及び前記負出力端子は、前記直流電源の正極端子に接続されており、
   前記ＤＣＤＣコンバータの前記負入力端子は、前記直流電源の負極端子に接続されており、
   前記ＤＣＤＣコンバータの前記正入力端子及び前記負出力端子と前記負荷装置の正極端子との間には、前記負荷装置に向かう方向が順方向となる前記第１のダイオードが設けられ、
   前記ＤＣＤＣコンバータの前記正出力端子と前記負荷装置の正極端子との間には、前記負荷装置に向かう方向が順方向となる前記第２のダイオードが設けられ、
   前記ＤＣＤＣコンバータは、前記ＤＣＤＣコンバータの入力端子間電圧と前記ＤＣＤＣコンバータの出力端子間電圧の加算値がしきい値未満となった場合に動作を開始し、前記負荷装置の両端の電圧が所定の電圧レベルとなるように制御することを特徴とする電圧補償回路。
2. 前記直流電源と前記ＤＣＤＣコンバータとの間の配線距離は、前記ＤＣＤＣコンバータと前記負荷装置との間の配線距離よりも長く、
   前記ＤＣＤＣコンバータの入力端子間電圧は、前記直流電源の出力電圧よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の電圧補償回路。
3. 前記直流電源が蓄電池であることを特徴とする請求項１又は２に記載の電圧補償回路。