JP6483914B2

JP6483914B2 - 電源

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Description

本発明は、AC電源またはバッテリーから負荷に給電することができる電源に関する。

電源はAC-DC段およびバッテリーを備え得る。電源がAC電源に接続されたとき、AC-DC段から出力される一定の電流または電圧が、負荷に給電するため、ならびにバッテリーを充電するために使用される。電源がAC電源から切り離されたとき、バッテリーが単独で負荷に給電する。

AC-DC段に含まれ得る力率補正(PFC)回路は、一定の電流または電圧を出力する一方で、AC電源から取り出される電流が実質的に正弦波であることを保証する。これを達成するために、PFC回路は、一般に大きい容量のキャパシタを備える。キャパシタは、容量が大きいことの結果として、物理的に大きく割高である。

本発明は電源を提供し、電源は、AC電源に接続するための入力端子と、負荷に接続するための出力端子と、AC-DC段と、バッテリーとを備え、AC-DC段とバッテリーは、入力端子と出力端子の間で並列に接続されており、電源は第1のモードまたは第2のモードのいずれかで動作し、第1のモードで動作しているとき、負荷はバッテリーのみから電流を取り出し、第2のモードで動作しているとき、負荷はバッテリーとAC-DC段の両方から電流を取り出し、第2のモードで動作しているとき、AC-DC段は、AC電源から入力電流を取り出して、入力電流の2倍の周波数と少なくとも50%のリップルとを有する周期的波形の出力電流を出力し、負荷によって取り出される電流は、第1の期間中は出力電流よりも大きく、第2の期間中は出力電流よりも小さく、負荷は、第1の期間中に、バッテリーが放電するように、バッテリーおよびAC-DC段から電流を取り出し、負荷とバッテリーのそれぞれが、第2の期間中に、バッテリーを充電するように、AC-DC段から電流を取り出す。

電源は、AC電源から切り離されたときには第1のモードで動作するように意図されている。そのとき、負荷はバッテリーのみから給電される。電源は、AC電源に接続されたときには第2のモードで動作するように意図されている。そのとき、負荷はAC電源から給電される。考えられるところでは、電力は、バッテリーによって付加的に供給され得る。たとえば、バッテリーはAC電源から取り出される電力を増加させるように使用されてよい。第2のモードで動作するとき、負荷は、負荷に給電するのはAC電源のみか、それともAC電源とバッテリーの両方かということには関係なく、バッテリーとAC-DC段の両方から電流を取り出す。

AC-DC段は、蓄積容量を、ほとんどまたはまったく有しない。このことにより、電源のサイズおよびコストを低減することができるという利点を得る。しかしながら、蓄積容量が小さいことの結果として、AC-DC段の出力電流が比較的大きいリップルを有する。そこで、負荷によって取り出される電流がその出力電流よりも大きい第1の期間と、負荷によって取り出される電流がその出力電流よりも小さい第2の期間とがある。それぞれの第1の期間中に、負荷がバッテリーから不足電流を取り出し、結果としてバッテリーが放電する。それぞれの第2の期間中に、負荷によって取り出されない余分の電流は、代わりにバッテリーによって取り出され、結果としてバッテリーを充電する。したがって、電源が第2のモードで動作するとき、バッテリーはAC-DC段のための蓄積デバイスとして働く。したがって、電源は、AC-DC段の出力電流におけるリップルにもかかわらず、負荷の電流需要を満たすことができる。

AC-DC段の出力電流の各サイクルにわたって、少なくとも1つの第1の期間および少なくとも1つの第2の期間があり得る。したがって、バッテリーは、出力電流の各サイクル中に充電されたり放電したりする。その結果、バッテリーに関して荷電が比較的一定の状態が達成され得、このことが、バッテリーの寿命を長くするのを支援し得る。

第1の期間中にバッテリーから取り出される電荷が第2の期間中にバッテリーによって取り出される電荷よりも大きければ、バッテリーは正味の放電を経験することになる。反対に、第1の期間中にバッテリーから取り出される電荷が第2の期間中にバッテリーによって取り出される電荷よりも小さければ、バッテリーは正味の充電を経験することになる。バッテリーによる充放電の電荷は、負荷の電流需要および出力電流の振幅に依拠することになり、負荷の電流需要および出力電流の振幅は入力電流の振幅に依拠する。したがって、AC-DC段は、バッテリーの正味の充放電を制御するために入力電流を調節してよい。それに加えて、またはその代わりに、AC-DC段は、過大なバッテリー電流および/または過度のバッテリー温度を防止するために入力電流を調節してもよい。したがって、AC-DC段は、(i)バッテリーの電圧、(ii)バッテリーから取り出される電流またはバッテリーによって取り出される電流、(iii)バッテリーの温度、および(iv)負荷の電力需要のうち1つの変化に応答して入力電流を調節してよい。

AC-DC段は、バッテリーの電圧の変化に応答して、出力電流の平均値が一定になるように入力電流を調節してよい。こうすると、バッテリーが一定の平均電流で充電されるという利点を得る。

AC-DC段は、バッテリーの電圧の変化に応答して、バッテリーを損傷しかねない過電圧および/または不足電圧を防止するように入力電流を調節してよい。それに加えて、またはその代わりに、AC-DC段は、満充電の状態に達するまでバッテリーを充電し、次いでバッテリーを満充電に近い電圧に保つように入力電流を調節してよい。たとえば、バッテリーの電圧が満充電に対応する上限閾値未満であるとき、AC-DC段は、出力電流の各サイクルにわたって、第1の期間中にバッテリーから取り出される電荷が第2の期間中にバッテリーによって取り出される電荷よりも小さくなるように入力電流を設定してよい。その結果、バッテリーは正味の充電を経験する。その後バッテリーの電圧が上限閾値を上回って上昇するとき、AC-DC段は、出力電流の各サイクルにわたって、第1の期間中にバッテリーから取り出される電荷が第2の期間中にバッテリーによって取り出される電荷よりも大きくなるように入力電流を減少させてよい。その結果、バッテリーは正味の放電を経験する。次いで、バッテリーの放電は、バッテリーの電圧が下限閾値を下回るまで継続する。バッテリーの電圧が下限閾値を下回って低下するとき、AC-DC段は、バッテリーが再び正味の充電を経験するように、入力電流をその以前の値まで増加させてよい。したがって、バッテリーの電圧は上限閾値と下限閾値の間でチョッピングされる。適切な上限閾値および下限閾値を選択することにより、バッテリーは満充電に近い電圧に維持され得る。

電源の出力端子がバッテリー電圧に維持されているので、負荷の電力需要のいかなる変化も、負荷によって取り出される電流の変化をもたらすことになる。AC-DC段が電流源として働くので、負荷によって取り出される電流のいかなる変化も、必然的に、バッテリーから取り出される電流およびバッテリーによって取り出される電流の変化を伴う。前述のように、過大電流ならびに/あるいは過大な充電速度および放電速度は、バッテリーを損傷する恐れがある。したがって、AC-DC段は、負荷の電力需要の変化に応答して入力電流を調節してよい。詳細には、AC-DC段は、負荷の電力需要の低下に応答して入力電流を減少させてよい。

負荷は低電力モードおよび高電力モードを有してよく、負荷の電力需要は、低電力モードのとき、より小さくなる。そこで、AC-DC段は、負荷が低電力モードのとき、出力電流が小さくなるように入力電流を調節してよい。その結果、負荷が動作する電力モードに関係なく、充電と放電の類似した速度が達成され得る。

AC-DC段が、力率補正(PFC)回路を備えてよく、力率補正(PFC)回路は、AC電源から取り出される入力電流を調整するが、AC-DC段の出力電圧は調整しない。その結果、従来のPFC回路によって採用されていた電圧制御ループが省略され得、したがってPFC回路のコストおよび/または複雑さが低減される。その上、従来のPFC回路は、一定の出力電圧を出力するために、一般に大容量のキャパシタを必要とする。バッテリーの電圧がPFC回路に反映されるので、PFC回路が出力電圧を調整する必要はない。その結果、PFC回路は、はるかに小さい容量のキャパシタを採用することができる。したがって、PFC回路のサイズおよび/またはコストが、さらに低減され得る。

PFC回路は、AC電源から取り出される入力電流を調整するための電流基準を採用してよく、(i)バッテリーの電圧、(ii)バッテリーから取り出される電流またはバッテリーによって取り出される電流、(iii)バッテリーの温度、または(iv)負荷の電力需要のうち1つの変化に応答して電流基準を調節してよい。たとえば、電流基準は整流された正弦曲線でよく、PFC回路は、整流された正弦曲線の振幅を調節してよい。あるいは、電流基準はPWM信号でよく、PFC回路は、PWM信号のデューティサイクルまたは周波数を調節してよい。

AC-DC段は、PFC回路と出力端子の間に配置された電圧降下のDC-DCコンバータを備え得る。次いで、DC-DCコンバータの電圧変換比は、電圧降下されたとき、入力電圧のピーク値がバッテリーの最低電圧よりも小さくなるように定義され得る。そこで、このことは、PFC回路が、連続電流制御をもたらすためにブーストモードで動作することができるという利点を得る。

DC-DCコンバータは、一定周波数でスイッチングされる1つまたは複数の一次側スイッチを有する共振コンバータを備え得る。共振コンバータを採用すると、変圧器の巻数比によって所望の電圧変換比が達成され得るという利点がある。加えて、共振コンバータは同等のPWMコンバータよりも高いスイッチング周波数で動作することができ、ゼロ電圧スイッチングが可能である。一次側スイッチを一定周波数でスイッチングすることにより、DC-DCコンバータによって比較的簡単なコントローラが採用され得る。DC-DCコンバータが出力電圧を調整したり制御したりする必要がないため、一定周波数でスイッチングすることが可能になる。対照的に、従来の電源のDC-DCコンバータは、一般に出力電圧を調整する必要があり、したがってスイッチング周波数を変化させるためにより複雑で割高なコントローラを必要とする。

DC-DCコンバータは、一次側のスイッチングと同じ一定の周波数でスイッチングされる1つまたは複数の二次側スイッチを有し得る。したがって、比較的簡単で安価なコントローラが二次側に採用され得る。その上、考えられるところでは、一次側のスイッチと二次側のスイッチの両方を制御するための単一のコントローラが採用され得る。

本発明は、前節のいずれかで説明されたような電源の出力端子に接続された負荷を備える電気システムも提供するものである。

AC-DC段によって出力される出力電流の各サイクルにわたって、負荷によって取り出される電流は比較的一定であり得る。詳細には、負荷によって取り出される電流のリップルは10%未満であり得る。対照的に、AC-DC段の出力電流には少なくとも50%のリップルがある。それにもかかわらず、出力電流の各サイクル中に充放電するバッテリーを採用することにより、電源は、各サイクルを通じて負荷の電流需要を満たすことができる。

本発明は、前節のいずれかで説明されたような電源の出力端子に接続された真空モータを備える真空掃除機をさらに提供するものである。

明瞭さのために、以下の用語は以下の意味を有するものと理解されたい。「波形」という用語は、信号の形状を指し、信号の振幅または位相とは無関係である。「振幅」という用語と「ピーク値」という用語は同意語であり、信号の絶対値の最大値(absolute maximum value)を指す。「リップル」という用語は、本明細書では、信号の最大値のピークツーピークの割合(peak-to-peak percentage)として表現される。最後に、「平均値」という用語は、1サイクルにわたる信号の瞬時値の絶対値(absolute instantaneous values)の平均を指す。

本発明の理解をより容易にするために、次に、本発明の実施形態を、添付図面を参照しながら例として説明する。

本発明による電源のブロック図である。本発明による電源の回路図である。電源のAC-DC段の出力電流および電源に接続された負荷の電流需要を示す図である。図3と同一の波形において、電源のバッテリーから取り出される電荷(領域A)と、このバッテリーによって取り出される電荷(領域B)の合計を示す図である。本発明による第1の代替電源の回路図である。本発明による第2の代替電源の回路図である。本発明による第3の代替電源の回路図である。図7の電源のAC-DC段の出力電流およびこの電源に接続された負荷の電流需要を示す図である。本発明による第4の代替電源の回路図である。本発明の電源を備える真空掃除機の部分的分解図である。

図1および図2の電源1は、入力端子2、出力端子3、AC-DC段4、およびバッテリー5を備える。入力端子2は交番する入力電圧を供給するAC電源6に接続可能であり、出力端子3は負荷7に接続可能である。次いで、AC-DC段4およびバッテリー5は、入力端子2と出力端子3の間に並列に接続される。

AC-DC段4は、電磁障害(EMI)フィルタ10、AC-DCコンバータ11、力率補正(PFC)回路12、およびDC-DCコンバータ13を備える。

EMIフィルタ10は、AC電源6から取り出される入力電流における高周波数の高調波を減衰させるように使用される。

AC-DCコンバータ11は、全波整流をもたらすブリッジ整流器D1〜D4を備える。

PFC回路12は、AC-DCコンバータ11とDC-DCコンバータ13の間に配置された昇圧コンバータを備える。昇圧コンバータは、インダクタL1、キャパシタC1、ダイオードD5、スイッチS1および制御回路を備える。インダクタ、キャパシタ、ダイオードおよびスイッチは従来の配置で配置されている。結果的に、スイッチS1が閉じているときインダクタL1がエネルギーを与えられ、スイッチS1が開かれたとき、インダクタL1からエネルギーがキャパシタC1に伝達される。次いで、スイッチS1の開閉は制御回路によって制御される。

制御回路は、電流センサR1、電圧センサR2、R3、およびPFCコントローラ20を備える。電流センサR1が出力する信号I_INは、AC電源6から取り出された入力電流の測定値をもたらす。電圧センサR2、R3が出力する信号V_INは、AC電源6から取り出された入力電圧の測定値をもたらす。電流センサR1および電圧センサR2、R3は、AC-DCコンバータ11のDC側に配置されている。結果的に、I_INは入力電流の整流された形態であり、V_INは入力電圧の整流された形態である。両方の信号がPFCコントローラ20に対して出力される。PFCコントローラ20は、電流基準を生成するためにV_INをスケーリングする。次いで、PFCコントローラ20は、電流基準を使用して入力電流I_INを調整する。PFCコントローラ20は、入力電流を調整するために様々な制御方式を採用する。たとえば、PFCコントローラ20は、ピーク電流、平均電流またはヒステリシス電流の制御を採用してよい。そのような制御方式は周知であり、したがって、ここで特定の方式を詳細に説明することは企図されていない。PFCコントローラ20は、V_BATおよびP_LOADといった2つのさらなる入力信号を受け取る。V_BATは、バッテリー5の電圧の測定値をもたらし、さらなる電圧センサR4、R5によって出力される。P_LOADは、負荷7の電力需要の測定値をもたらし、負荷7によって出力される。以下で説明されるように、PFCコントローラ20は、バッテリー電圧および負荷7の電力需要の変化に応答して、AC電源6から取り出される入力電流を調整する。これは、V_BATおよびP_LOADの変化に応答して電流基準の振幅を調節する(すなわちV_INをスケーリングする)ことによって達成される。

DC-DCコンバータ13は、1対の一次側スイッチS2、S3を備えるハーフブリッジLLC直列共振コンバータと、一次側スイッチを制御するための一次側コントローラ(図示せず)と、共振回路網Cr、Lrと、変圧器Txと、1対の二次側スイッチS4、S5と、二次側スイッチを制御するための二次側コントローラ(図示せず)と、低域通過フィルタC2、L2とを備える。一次側コントローラは、一次側スイッチS2、S3を、CrとLrの共振によって定義された固定周波数でスイッチングする。同様に、二次側コントローラは、同期整流を達成するために、二次側スイッチS4、S5を、同じ固定周波数でスイッチングする。次いで、コンバータ13のスイッチング周波数から生じる高周波数の電流リップルを低域通過フィルタC2、L2が除去する。

DC-DCコンバータ13のインピーダンスは比較的小さい。結果として、PFC回路12の出力における電圧は、バッテリー5の電圧によって定義されたレベルに維持される。より具体的には、PFC回路12の出力における電圧は、バッテリー電圧にDC-DCコンバータ13の巻数比を掛けた値に維持される。以下の議論を簡単にするために、バッテリー電圧(V_BAT)に巻線比(Np/Ns)を掛けたもの参照するとき、「昇圧/降圧された(stepped)バッテリー電圧」という用語を使用する。

PFC回路12のスイッチS1を開くと、インダクタL1からのエネルギーがキャパシタC1に伝達され、キャパシタ電圧が上昇する。キャパシタ電圧が昇圧/降圧されたバッテリー電圧に到達すると直ちに、インダクタL1からのエネルギーがバッテリー5に伝達される。DC-DCコンバータ13のインピーダンスが比較的低いために、キャパシタC1の電圧はそれ以上上昇することなく、昇圧/降圧されたバッテリー電圧に維持される。PFC回路12のスイッチS1を閉じると、キャパシタC1は、キャパシタ電圧と昇圧/降圧されたバッテリー電圧の間に差があるときのみ放電する。その結果、スイッチS1が閉じられた後、キャパシタC1は昇圧/降圧されたバッテリー電圧に維持され続ける。したがって、バッテリー5の電圧がPFC回路12に反映される。

PFC回路12とバッテリー5の間の電荷の流れは、堰によって分離された2つの水辺の間の水の流れにやや類似している。PFC回路12のキャパシタC1は、堰の片側の比較的小さい池と見なされてよく、バッテリー5は、堰の反対側の比較的大きい湖と見なされてよい。そこで、堰の高さは、昇圧/降圧されたバッテリー電圧の大きさを表す。PFC回路12のスイッチS1が開かれたとき、インダクタL1が池の方へ水を移し、したがって池の中の水のレベルが上昇する(すなわちキャパシタ電圧が上昇する)。池の中の水が堰の高さに達したとき、池に流れ込むそれ以上の水は、直ちに堰の上に溢れて湖に流れ込む(すなわち、キャパシタ電圧が昇圧/降圧されたバッテリー電圧に達したとき、それ以上の電荷はバッテリーへ流れる)。その後、池は、湖と同一の高さに維持される(すなわち、キャパシタは昇圧/降圧されたバッテリー電圧に維持される)。PFC回路12のスイッチS1が後に閉じられたとき、池および湖への水の流れが停止する。次いで、池の中の水のレベルは堰の高さに維持される(すなわち、キャパシタ電圧は昇圧/降圧されたバッテリー電圧に維持される)。湖の大きさ(すなわちバッテリーの充電容量)のために、スイッチS1が開かれたとき堰を超えて流れる水は、湖の全高とほとんど差がない。同様に、スイッチS1が閉じているとき負荷7によって湖から取り出される水は、湖の高さとほとんど差がない(すなわち、バッテリーによって取り出される電荷およびバッテリーから取り出される電荷は、バッテリー電圧とほとんど差がない)。結果的に、スイッチS1のそれぞれの開閉中のバッテリー5の電圧変化は無視できるものである。

PFC回路12が、AC電源6から取り出される入力電流を連続的に制御することができるように、キャパシタ電圧を、AC電源6の入力電圧のピーク値よりも高いレベルに維持する必要がある。キャパシタC1が昇圧/降圧されたバッテリー電圧に維持されるので、昇圧/降圧されたバッテリー電圧を、入力電圧のピーク値よりも高いレベルに維持する必要がある。その上、この条件は、バッテリー5の全電圧範囲にわたって満たされなければならない。結果的に、DC-DCコンバータ13の巻数比はNp/Ns>V_IN(peak)/V_BAT(min)と定義され、Np/Nsは巻数比であり、V_IN(peak)はAC電源6の入力電圧のピーク値であり、V_BAT(min)はバッテリー5の最低電圧である。

PFC回路12は、AC電源6から取り出される入力電流が実質的に正弦波であることを保証する。AC電源6の入力電圧が正弦波であるので、AC-DC段4によってAC電源6から取り出される入力電力は2乗された正弦波の波形を有する。AC-DC段4の蓄積容量が非常に小さいので、AC-DC段4の出力電力は入力電力と実質的に同一の形状を有し、すなわち出力電力も2乗された正弦波の波形を有する。AC-DC段4の出力電圧はバッテリー電圧に維持される。結果的に、AC-DC段4は、2乗された正弦波の波形の出力電流を出力する電流源として働く。したがって、出力電流の波形は周期的であり、入力電流の2倍の周波数および100%のリップルを有する。

AC-DC段4の出力電流のリップルのために、負荷7が必要とする電流が出力電流よりも大きい期間と、負荷7が必要とする電流が出力電流よりも小さい期間とがある。今後、これらの期間は、放電期間、充電期間と称する。

図3は、2サイクルにわたる負荷7の電流需要およびAC-DC段4の出力電流を示す。説明を簡単にするために、出力電流は滑らかな波形として示されている。しかしながら、出力電流は、PFC回路12およびDC-DCコンバータ13のスイッチング周波数におけるいくらかの高周波リップルを有するはずであることが理解されよう。図3に見られるように、負荷7の電流需要がAC-DC段4の出力電流よりも大きい放電期間がある。そこで、電流の不足はバッテリー5によって補償される。したがって、負荷7は、各放電期間中にAC-DC段4とバッテリー5の両方から電流を取り出す。言うまでもなく、バッテリー5から電流が取り出されるので、バッテリー5は各放電期間中に放電する。負荷7の電流需要がAC-DC段4の出力電流よりも小さい充電期間があることも見られる。そこで、余分な電流はバッテリー5を充電するために使用される。したがって、負荷7およびバッテリー5は、各充電期間中にAC-DC段4から電流を取り出す。その結果、バッテリー5はAC-DC段4のための平滑キャパシタとして働く。

図4は図3と同一の波形を示す。領域Aの面積は、各放電期間中にバッテリー5から取り出される合計の電荷を表す。領域Bの面積は、各充電期間中にバッテリー5によって取り出される合計の電荷を表す。領域Aの面積が領域Bの面積よりも大きいとき、バッテリー5の正味の放電がある。反対に、領域Bの面積が領域Aの面積よりも大きいとき、バッテリー5の正味の充電がある。そこで、2つの領域の面積が同一であるとき、バッテリー5には正味の充電も正味の放電もない。

図4から明らかなように、領域AおよびBの面積は、負荷7の電流需要の大きさおよびAC-DC段4の出力電流の振幅に依拠する。出力電流の振幅は、AC電源6から取り出される入力電流の振幅によって定義される。したがって、入力電流を調節することによって出力電流の振幅が調節され得、したがって領域の面積AおよびBが調節され得る。以下で説明されるように、PFCコントローラ20は、バッテリー5の電圧および負荷7の電力需要の変化に応答して入力電流を調節する。

電源1は、電源1がAC電源6に接続されているか否かということに依拠して、2つのモードのうちの1つで動作する。電源1は、AC電源6から切り離されているとき、第1のモードすなわちバッテリーモードで動作する。電源1は、AC電源6に接続されているとき、第2のモードすなわち幹線モードで動作する。AC電源6が一般的には幹線の電源であるため、ここでは「幹線モード」という用語が使用される。

バッテリーモードで動作しているとき、負荷7が要求する電力はバッテリー5のみによって供給され、バッテリー5はもちろん放電する。バッテリー5の電圧が完全放電の閾値未満に低下したとき、電源1は、それ以上の放電を防止するために、バッテリー5から負荷7を切り離す。これはバッテリー5の内部保護回路によって達成され得る。あるいは、電源1が備え得る保護回路(たとえばコントローラおよびスイッチ)が、バッテリー5の電圧を監視して、バッテリー5の電圧が完全放電の閾値未満に低下したときバッテリー5から負荷7を切り離す。

幹線モードで動作するとき、負荷7が要求する電力は、一般にAC電源6によって供給される。すなわち、AC電源6から取り出される電力は、負荷7が要求する電力よりも一般に大きい。それにもかかわらず、次に説明されるように、負荷7はAC-DC段4とバッテリー5の両方から電流を取り出す。

幹線モードで動作するとき、PFCコントローラ20は、V_BAT信号によってバッテリー5の電圧を監視する。バッテリー5の電圧が完全充電の閾値未満である場合、PFCコントローラ20は、AC-DC段4の平均出力電力が負荷7によって要求される電力よりも大きくなるように、AC電源6から取り出される入力電流を調整する。そこで、余分な出力電力がバッテリー5によって取り出され、バッテリー5は正味の充電を経験する。後にバッテリー5の電圧が完全充電の閾値を超えるとき、PFCコントローラ20は、平均出力電力が負荷7によって要求される電力よりも小さくなるように入力電流を減少させる。そこで、出力電力の不足はバッテリー5によって供給され、結果としてバッテリー5は放電する。後にバッテリー5の電圧が補充の閾値未満に降下したとき、PFCコントローラ20は、平均出力電力が負荷7によって要求される電力よりも再び大きくなるように入力電流を増加させる。その結果、バッテリー5は再び正味の充電を経験する。したがって、バッテリー5の電圧は、完全充電の閾値と補充の閾値の間でチョッピングされる。

バッテリー5を充電するとき(すなわちバッテリー5の電圧が完全充電の閾値よりも低いとき)、AC-DC段4は、バッテリー5が一定の平均電流で充電されるように、AC電源6から取り出される入力電流を調整する。すなわち、AC-DC段12の出力電流の大きさは、各サイクルにわたって平均されたとき一定である。AC-DC段4の出力電圧はバッテリー5の電圧に維持される。結果的に、バッテリー5の電圧が増加するとき、同一の平均出力電流を達成するには、より大きい平均出力電力が必要である。したがって、PFCコントローラ25は、バッテリー13の電圧の変化に応答して、AC電源6から取り出される入力電流を調節する。詳細には、PFCコントローラ25は、バッテリー電圧の上昇に応答して入力電流を増加させる。

バッテリー5が経験するのが正味の充電であろうと正味の放電であろうと(すなわち、AC-DC段4の平均出力電力が、負荷7によって要求される電力よりも大きかろうと小さかろうと)、バッテリー5はAC-DC段4のための平滑キャパシタとして働く。前述のように、AC-DC段4の出力電流には100%のリップルがある。結果的に、出力電流の各サイクルにわたって、負荷電流が出力電流よりも大きい2つの放電期間と、負荷電流が出力電流よりも小さい1つの充電期間とがある。そこで、放電期間中にバッテリー5から取り出される合計の電荷が充電期間中にバッテリー5によって取り出される合計の電荷よりも小さいとき、すなわちAC-DC段4の平均出力電力が負荷7によって要求される電力よりも大きいとき、正味の充電が生じる。反対に、放電期間中にバッテリー5から取り出される合計の電荷が充電期間中にバッテリー5によって取り出される合計の電荷よりも大きいとき、すなわちAC-DC段4の平均出力電力が負荷7によって要求される電力よりも小さいとき、正味の放電が生じる。

負荷7は、低電力モードと高電力モードの2つの異なる動作モードを有し、高電力モードでは負荷7の電力需要がより大きい。低電力モードにおけるAC-DC段4の平均出力電力が高電力モードの平均出力電力と同一であれば、バッテリー5の充電速度および放電速度は低電力モードの方がより大きい。その結果、低電力モードでは、バッテリー5を損傷しかねない比較的大きい充電速度および/または放電速度が生じる可能性があり、または、高電力モードでは、バッテリー5を完全に充電するまでの極端に長い時間をもたらす比較的遅い充電速度が生じる可能性がある。したがって、AC-DC段4は、負荷7の電力需要の変化に応答して、AC電源6から取り出される入力電流を調節する。詳細には、負荷7が低電力モードで動作するとき、PFCコントローラ20は、AC-DC段4の平均出力電力が減少するように入力電流を減少させる。反対に、負荷7が高電力モードで動作するとき、PFCコントローラ20は、AC-DC段4の平均出力電力が増加するように入力電流を増加させる。その結果、両方の電力モードにおいて、類似しているかまたは同一の充電速度が達成され得る。たとえば、AC-DC段4の低電力モードのときの出力電力と高電力モードのときの出力電力の差を、負荷7の電力需要の差と確実に同一にすることにより、両方の電力モードにおいて同一の充電速度および放電速度が達成され得る。

上記で説明したように、電源1のバッテリー5は、AC-DC段4に対する高容量蓄積デバイスとして働く。結果的に、PFC回路12は、大容量のキャパシタを備える必要がなく、したがって、より小さく、かつ/またはより安価な電源1が実現され得る。PFC回路12のキャパシタC1は、PFC回路12とDC-DCコンバータ13の間に流れる電荷を短時間蓄積するだけでよい。これは、PFC回路12とDC-DCコンバータ13が、一般的には異なる周波数で動作するためである。たとえば、PFC回路12のスイッチS1はkHzの周波数で動作してよく、一方、DC-DCコンバータ13のスイッチS2、S3はMHzの周波数で動作してよい。それにもかかわらず、PFC回路12およびDC-DCコンバータ13が動作する周波数が比較的高いので、比較的小さい容量のキャパシタC1が採用され得る。

電源にPFC回路を設けるのは普通のことである。しかしながら、PFC回路は、一般的には、入力電流を調整する電流制御ループと、出力電圧を調整する電圧制御ループとを備える。対照的に、この電源1のPFC回路12は電圧制御ループを必要としない。代わりに、AC-DC段4は、バッテリー5の電圧がPFC回路12に反映するように構成されている。その結果、PFC回路12は、その出力電圧を調整する必要はない。したがって、従来のPFC回路によって採用される電圧制御ループが省略され得、したがって電源1のコストおよび/または複雑さが低減される。PFC回路12が、バッテリー5の電圧および負荷7の電力モードの変化に応答して電流基準の振幅を調節することが注意されよう。しかしながら、電流基準に対する調節は、PFC回路12によって出力される電圧ではなく、バッテリー5の充電の状態を制御するためにのみ行われる。したがって、PFC回路12は、電流制御ループおよび充電制御ループを採用すると称され得る。そこで、電流制御ループはAC電源6から取り出される入力電流を調整し、一方、充電制御ループはバッテリー5の充電の状態を調整する。しかしながら、PFC回路12は、PFC回路12によって出力される電圧を調整するための電圧制御ループを備えていない。

AC-DC段4の出力電圧がバッテリー電圧に維持されているので、DC-DCコンバータ13は出力電圧を調整する必要はない。したがって、一次側コントローラは、一次側スイッチS2、S3を固定周波数でスイッチングすることができる。そこで、このことは、比較的簡単で安価なコントローラが採用され得るという利点を有する。対照的に、従来の電源のDC-DCコンバータは、一般に出力電圧を調整する必要がある。結果的に、DC-DCコンバータがLLC直列共振コンバータを備える場合には、一次側コントローラは、一次側スイッチがスイッチングされる周波数を変化させる必要があり、したがって、より複雑で割高なコントローラが必要とされる。

前述の実施形態では、負荷7は、低電力モードおよび高電力モードの2つの可能な動作モードを有する。そこで、負荷7が出力する信号P_LOADが、PFCコントローラ20により、電流基準の振幅を調節するために使用される。しかしながら、負荷7に電力モードが1つしかない場合、またはどちらの電力モードでもバッテリー5の充放電の速度が重要でない(たとえば、恐らく速度がバッテリー5の定格の範囲内である)場合、信号P_LOADは省略され得る。その上、負荷7は、2つの動作モードを有するが、より少数またはより多数の動作モードを同様に有し得る。たとえば、負荷7は、AC-DC段4の平均出力電力よりも大きい電力を要求する追加の増強電力モードを有し得る。そこで、不足の電力がバッテリー5によって供給され、結果としてバッテリー5は放電する。その結果、バッテリー5は、AC電源6から取り出される入力電力を補足するかまたは増強するように作用する。

これまで特定の実施形態が説明されてきたが、特許請求の範囲によって定義される本発明の範囲から逸脱することなく、様々な修正形態が可能である。たとえば、EMIフィルタ10を設けると特定の利益が得られ、規定を遵守するために実際に必要とされることがあるが、上記の議論から、EMIフィルタ10は必須ではなく、省略され得ることが明らかであろう。

前述の実施形態では、PFC回路12はDC-DCコンバータ13の一次側に配置されている。しかしながら、考えられるところでは、図5に示されるように、PFC回路12は二次側に配置されてもよい。PFC回路12は二次側に配置され得るが、電流がより大きくなり、したがって損失も必然的により大きくなる。

AC-DC段4は、AC-DCコンバータ11をブリッジ整流器の形態で備える。しかしながら、PFC回路12がDC-DCコンバータ13の一次側に配置されている場合には、AC-DCコンバータ11およびPFC回路12は、単一の、ブリッジなしのPFC回路で置換され得る。

図2および図5に示されたPFC回路12は昇圧コンバータを備える。しかしながら、図6に示されるように、PFC回路12はバックコンバータを同様に備え得る。したがって、当業者には、PFC回路12の代替の構成が可能であることが明らかであろう。

PFC回路12は、AC電源6から取り出される入力電流を調整するために電流基準を採用する。そこで、PFCコントローラ20は、バッテリー5の電圧および負荷7の電力モードの変化に応答して電流基準を調節する。考えられるところでは、PFCコントローラ20は、バッテリー電流またはバッテリー温度などの他のパラメータに応答して電流基準を調節してもよい。その上、上記の実施形態では、電流基準は整流された正弦曲線の形態であるが、PFC回路12は、AC電源6から取り出される入力電流を調整するために電流基準の他の形態を使用し得る。たとえば、PFC回路12は、入力電流を調整するために、PWM信号の形態の電流基準を使用してよい。そこで、PFCコントローラ20は、PWM信号のデューティサイクルまたは周波数を調節することによって電流基準を調節し得る。

DC-DCコンバータ13はセンタタップ付き二次巻線を有し、これには、4つではなく2つの二次側デバイスを使用して整流が達成され得るという利点がある。そこで、二次側の整流は、ダイオードではなくスイッチS4、S5を使用して達成される。スイッチS4、S5には、電力損失が小さいという利点があるが、コントローラを必要とするという不利益もある。しかしながら、一次側スイッチS2、S3が固定周波数で動作するので、二次側スイッチS4、S5も固定周波数で動作し得る。結果的に、比較的簡単で安価なコントローラが二次側にも採用され得る。その上、考えられるところでは、一次側のスイッチと二次側のスイッチの両方を制御するための、単一の比較的安価なコントローラが使用され得る。これらの利点にもかかわらず、DC-DCコンバータ13は、タップなしの二次巻線を備えてよく、かつ/または二次側デバイスはダイオードである。その上、DC-DCコンバータ13は、LLC共振コンバータではなく、LCの直列もしくは並列の共振コンバータ、または直並列共振コンバータを備え得る。

前述の実施形態では、AC-DC段4は、力率補正をもたらすPFC回路12と、PFC回路12の出力電圧を降圧するDC-DCコンバータ13とを備える。図7は、単一のコンバータ14がPFC回路とDC-DCコンバータの両方として働く代替実施形態を示す。コンバータ14は一般にフライバックコンバータと称され、1つの例外を除いて従来の構成を有する。フライバックコンバータ14には二次側キャパシタがない。

フライバックコンバータ14は、一次側スイッチS1を制御するためのPFCコントローラ20を備える。PFCコントローラ20の動作は、大部分は前述のものと変わらない。前述の実施形態では、PFCコントローラ20は連続した導通モードで動作する。対照的に、フライバックコンバータ14のPFCコントローラ20は間欠導通モードで動作する。しかしながら、すべての他の点で、PFCコントローラ20の動作は変わらない。

図3に示されたものとは対照的に、AC-DC段4の出力電流は滑らかではないが、代わりに複数のパルスを含む。それにもかかわらず、図8に見られるように、出力電流の波形は引き続き周期的であり、入力電流の2倍の周波数および100%のリップルを有する。PFCコントローラ20が、連続的な導通を保証する制御方式を採用しているので、図3に示された出力電流の波形が生じる。考えられるところでは、PFCコントローラ20は、間欠導通をもたらす制御方式を採用してよい。この事例では、AC-DC段4の出力電流は、同様に複数のパルスを含み得る。したがって、AC-DC段4が、AC電源6から取り出される入力電流の2倍の周波数を有する周期的な波形の出力電流を生成すると言える一方で、その波形が複数の離散パルスから成り得ることが理解されよう。出力電流が離散パルスから成る場合、出力電流の各サイクルにわたって複数の放電期間および複数の充電期間があることになる。

図2、図5および図6に示された実施形態では、DC-DCコンバータ13の巻数比は、昇圧/降圧されたバッテリー電圧がAC電源6の入力電圧のピーク値よりも常に大きくなるように定義され、これは、PFC回路12が電流を連続的に制御し得ることを保証するために重要である。しかしながら、図7のフライバックコンバータ14を用いると、バッテリー5の電圧は一次側キャパシタC2に反映されない。結果的に、定電流制御を達成するために特定の巻数比を定義する必要はない。結果的に、フライバックコンバータ14の巻数比は、電源1の効率を最適化するように定義され得る。

フライバックコンバータ14の利点(たとえば、より少数の構成要素およびより簡単な制御)にもかかわらず、コンバータ14には、変圧器Txが、一次側から二次側へ伝達されるすべてのエネルギーを蓄積しなければならないという不利益がある。結果的に、AC-DC段4の所要出力電力が増加するとき、変圧器の大きさおよび/またはスイッチング周波数を増加させなければならない。したがって、負荷7の電力需要が比較的小さい(たとえば、200W未満)とき、フライバックコンバータ14を設けるのが有利である。より大きい電力では、図2、図5または図6に示されたものなどの代替トポロジーが望ましい。

図2、図5および図6に示された実施形態に戻って、DC-DCコンバータ13を設けると、電源1が、入力電圧のピーク値よりも低い電圧を有するバッテリー5を備え得るという利点を得る。しかしながら、DC-DCコンバータ13を省略してもよい用途があり得る。図9は、DC-DCコンバータ13が省略されている一実施形態を示す。DC-DCコンバータ13が省略されているので、PFC回路12はもはやキャパシタを必要としない。PFC回路12が電流を連続的に制御し続けることができるように、バッテリー5の最低の動作電圧はAC電源6の入力電圧のピーク値よりも大きくなければならず、すなわちV_BAT(min)>V_IN(peak)である。結果的に、AC電源6が120Vのピーク電圧を供給する幹線の電源である場合、バッテリー5の最低電圧は少なくとも120Vでなければならない。そのような機構は高圧バッテリーを必要とするものであるが、この機構が実用的かつ有利であるいくつかの用途があり得る。

前述のすべての実施形態において、AC-DC段4の出力電流には100%のリップルがある。これは、AC-DC段4に、蓄積容量が、ほとんどまたはまったくないためである。考えられるところでは、AC-DC段4は、リップルがより小さい出力電流を出力し得る。これは、少なくとも2つの理由から望ましいことであり得る。第1に、バッテリー5の、各充電期間および放電期間中の充電および放電の速度がより遅くなるはずである。加えて、各充電期間中にバッテリー5によって取り出される電荷と、各放電期間中にバッテリー5から取り出される電荷の合計がより小さくなるはずである。これらの要因の一方または両方が、バッテリー5の寿命を長くするのに役立ち得る。第2に、AC-DC段4の同一の平均出力電力を得るための出力電流のピーク値がより小さくなり、したがって、より小さい電流定格を有する、より小さく、かつ/またはより安価なフィルタインダクタL2が使用され得る。DC-DCコンバータ13を共振よりも高い周波数で動作させることにより、出力電流のリップルが低減され得る。そこで、これによってDC-DCコンバータ13のインピーダンスが増加することにより、PFC回路12とバッテリー5の間に電圧差が生じ得る。そこで、この電圧差は、出力電流のリップルを100%未満にするように、出力電流を成形するために使用され得る。しかしながら、リップルのいかなる低減も、追加の容量を必要とするはずである。したがって、AC-DC段4は、好ましくは出力電流が少なくとも50%のリップルを有するように構成される。

電源1が製品に伴って採用されるとき、電源1は全体として製品の内部または外部に配置されてよい。あるいは、電源1の一部分のみが製品の内部に配置されてよい。そのため、たとえば製品が真空掃除機であれば、電源1は全体として真空掃除機の本体の内部に配置されてよく、真空掃除機は、幹線の電源ソケットに電源1の入力端子を接続するための電源コードを備え得る。あるいは、バッテリー5のみ真空掃除機の内部に配置されてよく、AC-DC段4は、真空掃除機の外部に配置される個別のユニットを形成してよい。この点では、電源1を2つの部分に分割することは、バッテリーがコンピュータの内部に配置されてAC-DC段がコンピュータの外部に配置される個別のユニットを形成するラップトップコンピュータにおいて一般的に見いだされる状況に類似するはずである。

図10は、図1および図2の電源1を備える真空掃除機30を示す。真空掃除機30は、本体31、真空モータ32、および電源コード33をさらに備える。電源1および真空モータ32は本体31の内部に収容されている。より詳細には、AC-DC段4が本体31の上部に収容されており、バッテリー5が下部に収容されている。真空モータ32は電源1の出力端子3に接続されている。電源コード33の一端は電源3の入力端子2に接続されており、他端は幹線の電源に接続可能である。幹線の電源に接続されたとき、電源1は幹線モードで動作する。反対に、幹線の電源から切り離されたとき、電源1はバッテリーモードで動作する。真空掃除機30がバッテリーモードで動作するときには電源コード33がなくてよい(may be discarded)ように、電源コード33は電源1から切り離され得る。

1 電源
2 入力端子
3 出力端子
4 AC-DC段
5 バッテリー
6 AC電源
7 負荷
10 電磁障害(EMI)フィルタ
11 AC-DCコンバータ
12 力率補正(PFC)回路
13 DC-DCコンバータ
14 フライバックコンバータ
20 PFCコントローラ
30 真空掃除機
31 本体
32 真空モータ
33 電源コード

Claims

AC電源に接続するための入力端子と、
負荷に接続するための出力端子と、
AC-DC段と、
バッテリーとを備える電源であって、
前記AC-DC段と前記バッテリーが、前記入力端子と前記出力端子の間で並列に接続されており、前記電源が第1のモードまたは第2のモードのいずれかで動作し、前記第1のモードで動作しているとき、前記負荷は前記バッテリーのみから電流を取り出し、前記第2のモードで動作しているとき、前記負荷は前記バッテリーと前記AC-DC段の両方から電流を取り出し、
前記第2のモードで動作しているとき、
前記AC-DC段は、前記AC電源から入力電流を取り出して、前記入力電流の2倍の周波数と少なくとも50%のリップルとを有する周期的波形の出力電流を出力し、
前記負荷によって取り出される電流が、第1の期間中は前記出力電流よりも大きく、
前記負荷によって取り出される電流が、第2の期間中は前記出力電流よりも小さく、
前記負荷が、前記第1の期間中に、前記バッテリーが放電するように、前記バッテリーおよび前記AC-DC段から電流を取り出し、
前記負荷と前記バッテリーのそれぞれが、前記第2の期間中に、前記バッテリーを充電するように、前記AC-DC段から電流を取り出す、電源。
前記出力電流の各サイクルにわたって、少なくとも1つの第1の期間および少なくとも1つの第2の期間がある、請求項1に記載の電源。
前記AC-DC段が、(i)前記バッテリーの電圧、(ii)前記バッテリーから取り出される電流または前記バッテリーによって取り出される電流、(iii)前記バッテリーの温度、または(iv)前記負荷の電力需要のうちの1つの変化に応答して前記入力電流を調節する、請求項1または2に記載の電源。
前記AC-DC段が、前記バッテリーの電圧の変化に応答して、前記出力電流の平均値が一定になるように前記入力電流を調節する、請求項1から3のいずれか一項に記載の電源。
前記バッテリーの電圧が上限閾値を上回って上昇するとき、前記AC-DC段が、前記出力電流の各サイクルにわたって、前記第1の期間中に前記バッテリーから取り出される電荷が前記第2の期間中に前記バッテリーによって取り出される電荷よりも大きくなるように前記入力電流を調節する、請求項1から4のいずれか一項に記載の電源。
前記バッテリーの電圧が下限閾値を下回って降下するとき、前記AC-DC段が、前記出力電流の各サイクルにわたって、前記第1の期間中に前記バッテリーから取り出される電荷が前記第2の期間中に前記バッテリーによって取り出される電荷よりも小さくなるように前記入力電流を調節する、請求項1から5のいずれか一項に記載の電源。
前記負荷が低電力モードおよび高電力モードを有し、前記負荷の電力需要が、低電力モードのとき、より小さく、前記AC-DC段が、前記負荷が低電力モードのとき、前記出力電流が小さくなるように前記入力電流を調節する、請求項1から6のいずれか一項に記載の電源。
前記AC-DC段が、PFC回路を備え、前記PFC回路は、前記AC電源から取り出される前記入力電流を調整するが、前記AC-DC段の出力電圧は調整しない、請求項1から7のいずれか一項に記載の電源。
前記PFC回路が、前記AC電源から取り出される前記入力電流を調整するための電流基準を採用し、(i)前記バッテリーの電圧、(ii)前記バッテリーから取り出される電流または前記バッテリーによって取り出される電流、(iii)前記バッテリーの温度、または(iv)前記負荷の電力需要のうちの1つの変化に応答して前記電流基準を調節する、請求項8に記載の電源。
前記AC-DC段が、降圧のDC-DCコンバータを備え、前記降圧のDC-DCコンバータが、前記AC電源の入力電圧のピーク値を前記バッテリーの最低電圧で割った値よりも高い電圧変換比を有する、請求項1から9のいずれか一項に記載の電源。
前記AC-DC段が、降圧のDC-DCコンバータを備え、前記降圧のDC-DCコンバータが、一定周波数でスイッチングされる1つまたは複数の一次側スイッチを有する、請求項1から10のいずれか一項に記載の電源。
前記DC-DCコンバータが、1つまたは複数の二次側スイッチを有し、前記1つまたは複数の二次側スイッチが、同一の一定周波数でスイッチングされる、請求項11に記載の電源。
請求項1から12のいずれか一項に記載の電源の前記出力端子に接続された負荷を備える電気システム。
前記出力電流の各サイクルにわたって、前記負荷によって取り出される電流のリップルが10%よりも小さい、請求項13に記載の電気システム。
前記負荷が電動機を備える、請求項13または14に記載の電気システム。
請求項1から12のいずれか一項に記載の電源の前記出力端子に接続された真空モータを備える真空掃除機。