JP6633907B2 - 電流電圧変換回路 - Google Patents

Description

本発明は電流電圧変換回路に関し、特に長距離送電される電流を電圧に変換して負荷に電力を供給する電流電圧変換回路に関する。

遠く離れた位置にある装置に対して直流電力の供給を行う長距離直流給電技術では、送電線路における電圧の減衰を抑制するために、定電流による給電を行う。また、この長距離直流給電技術では、装置側で供給された電流から負荷に与える電圧を生成する電流電圧変換回路を用いる。この電流電圧変換回路の一例が特許文献１に開示されている。

特許文献１の図４に示されている電流電圧変換回路１０１の回路図を図６に示す。図６に示すように、特許文献１では、定電流出力を行う給電装置１０３から与えられた電流を電流電圧変換回路１０１に設けられたツェナーダイオードにより電圧に変換する。そして、電流電圧変換回路１０１で生成した電圧は、負荷１０２に印加される。

特開平７−１１５３９０号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術では、負荷１０２が停止状態である等の理由で負荷１０２で電力が消費されない場合、ツェナーダイオードに与えられる電力が過剰になりツェナーダイオードが発熱する。そのため、特許文献１に記載の技術では、ツェナーダイオードに大電力タイプの素子を利用する、或いは、ツェナーダイオードとしてパワーツェナーダイオードを利用する必要がある。また、負荷１０２の消費電力変動が大きい場合は、前述の対策だけでは足りずに、消費電力の変動分を熱エネルギーに変換して放出する放熱抵抗等が必要になる。つまり、特許文献１に記載の技術では、負荷１０２の消費電力の変動が大きい場合、給電を受ける装置において電流電圧変換回路の装置サイズが大型化する問題がある。

本発明にかかる電流電圧変換回路の一態様は、給電装置から送電される供給電流を負荷電圧に変換して負荷に動作電力を供給する電流電圧変換回路であって、入力端子と、出力端子と、前記入力端子と前記出力端子との間に接続され、前記入力端子を介して入力される前記給電電流を前記負荷電圧に変換して前記負荷に前記動作電力を与える電流電圧変換部と、前記電流電圧変換部において前記負荷電圧が予め設定した負荷電圧設定値よりも大きくなっている期間に前記出力端子と前記入力端子との電圧差を減少させた状態とした上で余剰となった電力を前記出力端子を介して回生電力として前記給電装置に回生する電力回生部と、前記電流電圧変換部と前記出力端子との間に設けられ、前記出力端子側から前記電流電圧変換部への電流の逆流を防止する第１の電流逆流防止部と、前記電力回生部と前記出力端子との間に設けられ、前記出力端子側から前記電力回生部への電流の逆流を防止する第２の電流逆流防止部と、を有する。

本発明によれば、長距離直流給電により送電される電流に基づき負荷に動作電力を与える電流電圧変換回路の装置サイズを小型化することができる。

実施の形態１にかかる電流電圧変換回路が適用される長距離直流給電システムのブロック図である。 実施の形態１にかかる電流電圧変換回路の回路図である。 実施の形態１にかかる電流電圧変換回路の動作の第１の例を示すタイミングチャートである。 実施の形態１にかかる電流電圧変換回路の動作の第２の例を示すタイミングチャートである。 実施の形態１にかかる電流電圧変換回路の動作の第３の例を示すタイミングチャートである。 特許文献１に記載の電流電圧変換回路の回路図である。

実施の形態１
以下では、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、説明の明確化のため、以下の記載及び図面は、適宜、省略、及び簡略化がなされている。また、各図面において、同一の要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略されている。

図１に実施の形態１にかかる電流電圧変換回路が適用される長距離直流給電システムのブロック図を示す。図１に示す例では、長距離直流給電システムは、複数の電流電圧変換回路１、複数の負荷２、給電装置３、給電配線４、リターン配線５を有する。給電装置３は、例えば定電流を複数の電流電圧変換回路１に与える定電流源である。また、図１の長距離直流給電システムでは、給電装置３から出力される電流が給電配線４を介して複数の電流電圧変換回路１に伝えられる。複数の電流電圧変換回路１は、給電配線４上に縦続接続されるように配置される。また、複数の電流電圧変換回路１は、それぞれ対応する給電装置３に動作電力を与える。複数の電流電圧変換回路１のうち最終段に設けられる電流電圧変換回路１と給電装置３は、リターン配線５により接続される。リターン配線５には、複数の電流電圧変換回路１で余剰になった余剰電力を給電装置３に回生するための配線である。

また、電流電圧変換回路１は、電流電圧変換部１１、電力回生部１２、第１の電流逆流防止部（例えば、ダイオードＤ１）、第２の電流逆流防止部（例えば、ダイオードＤ２）、入力端子Ｔｉ、出力端子Ｔｏ、第１の負荷接続端子ＴＬｐ、第２の負荷接続端子ＴＬｎを有する。

電流電圧変換部１１は、入力端子Ｔｉと出力端子Ｔｏとの間に接続され、入力端子Ｔｉを介して入力される給電電流を負荷電圧に変換して負荷２に動作電力を与える。電力回生部１２は、電流電圧変換部１１において負荷電圧ＶＬが予め設定した負荷電圧設定値よりも大きくなっている期間に出力端子Ｔｏと入力端子Ｔｉとの電圧差を減少させた状態とした上で余剰となった電力を出力端子を介して回生電力として給電装置３に回生する。また、電力回生部１２は、回生電力を給電装置３に回生させていない状態では、出力端子Ｔｏと入力端子Ｔｉとの電圧差を負荷電圧設定値に近づける。ダイオードＤ１は、電流電圧変換部１１と出力端子Ｔｏとの間に設けられ、出力端子Ｔｏ側から前記電流電圧変換部１１への電流の逆流を防止する。ダイオードＤ２は、電力回生部１２と出力端子Ｔｏとの間に設けられ、出力端子Ｔｏ側から電力回生部１２への電流の逆流を防止する。以下では、電流電圧変換回路１について更に詳細に説明する。

図２に実施の形態１にかかる電流電圧変換回路の回路図を示す。図２に示す例では、電流電圧変換回路１を縦続接続せずに、給電配線４及びリターン配線５による電流経路上に電流電圧変換回路１を１つだけ設けた。また、図２では、給電装置３が出力する供給電流Ｉｐｓ、リターン配線５と給電配線４との間の電圧差を給電電圧Ｖｐｓ、負荷２に与えられる電圧を負荷電圧ＶＬ、負荷２に流れる電流を負荷電流ＩＬ、電力回生部１２が出力する電圧を回生電圧Ｖｒｃとして示した。

図２に示すように、電流電圧変換部１１は、第１のコンデンサ（例えば、コンデンサＣ１）を有する。コンデンサＣ１は、入力端子Ｔｉと、ダイオードＤ１との間に設けられ、両端の間に発生する電圧を負荷電圧ＶＬとして負荷２に与える。

電力回生部１２は、スイッチング制御部２０、スイッチングトランジスタＱ１、ダイオードＤ３、インダクタＬ、第２のコンデンサ（例えば、コンデンサＣ２）を有する。電力回生部１２は、これら素子により、負荷電圧ＶＬが負荷電圧設定値以下である期間は回生電圧Ｖｒｃを負荷電圧ＶＬを降圧した電圧とすると共に、負荷電圧ＶＬが負荷電圧設定値よりも大きい期間にはスイッチングトランジスタＱ１をオン状態に維持して、余剰電力を給電装置３に回生させる。

スイッチングトランジスタＱ１は、ドレインがコンデンサＣ１の入力端子Ｔｉ側の第１の端子に接続され、ゲートにＰＷＭ信号が与えられる。ダイオードＤ３は、カソードがスイッチングトランジスタＱ１のソースに接続され、アノードがコンデンサＣ１の出力端子Ｔｏ側の第２の端子に接続される。インダクタＬは、一端がスイッチングトランジスタＱ１のソースに接続され、他端がダイオードＤ２に接続される。コンデンサＣ２は、インダクタＬの他端と、コンデンサＣ１の第２の端子と、の間に接続される。

スイッチング制御部２０は、コンデンサＣ１の両端の電圧が負荷電圧設定値に達したことに応じてスイッチングトランジスタＱ１をオン状態に維持すると共に、コンデンサＣ１の両端の電圧が負荷電圧設定値以下となった場合にスイッチングトランジスタＱ１に与えるＰＷＭ信号を生成する。

スイッチング制御部２０は、定電圧源２１、コンパレータ２２、ＰＷＭ信号生成部２３を有する。定電圧源２１は、負荷電圧設定値に対応する電圧を定電圧として出力する。コンパレータ２２は、定電圧源２１が出力する負荷電圧設定値と、コンデンサＣ１の両端に生じる負荷電圧ＶＬと、を比較する。そして、コンパレータ２２は、負荷電圧ＶＬが負荷電圧設定値よりも大きければ出力値をロウレベルとし、負荷電圧ＶＬが負荷電圧設定値以下であれば出力値をハイレベルとする。ＰＷＭ信号生成部２３は、コンパレータ２２の出力値がロウレベルであればスイッチングトランジスタＱ１をオン状態に維持し、コンパレータ２２の出力値がハイレベルであればスイッチングトランジスタＱ１のゲートにＰＷＭ信号を与える。

ここで、実施の形態１にかかる電流電圧変換回路１の動作について説明する。まず、電力回生部１２は、コンデンサＣ１の両端に生じる負荷電圧ＶＬが負荷電圧設定値よりも大きくなるまでは、コンデンサＣ１を充電する。その後、電力回生部１２は、スイッチングトランジスタＱ１を導通状態として、コンデンサＣ２の両端に生じる回生電圧Ｖｒｃが負荷電圧設定値となるまで充電を行う。その後、負荷電流ＩＬが減少した場合には差分（Ｉｐｓ−ＩＬ）がコンデンサＣ１を充電し、負荷電圧ＶＬが上昇することによりスイッチングトランジスタＱ１が導通する。その結果、コンデンサＣ２に電力を供給し、さらにダイオードＤ２を通り、リターン配線５を経由して給電装置３へ電力が回生される。つまり、負荷２で消費されない電流をリターン配線５を介して給電装置３に回生する。

一方、負荷２が動作を開始すると、負荷２で消費される電力が大きくなる。このとき、給電装置３から供給される電流は、負荷２で消費されるため、負荷電圧ＶＬが負荷電圧設定値よりも小さくなる。これにより、電力回生部１２は、スイッチングトランジスタＱ１をスイッチング動作させて回生電圧Ｖｒｃを低下させる。

実施の形態１にかかる電流電圧変換回路１では、上述の動作を行うが、図３〜図５を用いて、上記動作を更に詳細に説明する。図３は、実施の形態１にかかる電流電圧変換回路の動作の第１の例を示すタイミングチャートである。この第１の例では、給電装置３に対して１つの電流電圧変換回路１が設けられる例である。また、図３に示す例は、給電装置３が電流電圧変換回路１に対して給電を開始してから、所定の期間を経た後に負荷２が動作を開始する例である。

図３に示すように、負荷２が電力を消費していない状態で、給電装置３が給電を開始すると、給電装置３から出力される給電電流Ｉｐｓが予め設定された定電流値となるまで給電電流Ｉｐｓを増加させる。また、給電電流Ｉｐｓの増加に伴いコンデンサＣ１への充電が進むため、負荷電圧ＶＬが上昇する。給電電流Ｉｐｓは、予め設定された定電流値となった後は、その電流値を維持する。

そして、負荷電圧ＶＬが定電圧源２１が出力する負荷電圧設定値となると、スイッチングトランジスタＱ１がオン状態で維持されコンデンサＣ２への充電が開始される。これにより、電力回生部１２が出力する回生電圧Ｖｒｃが上昇する。この回生電圧Ｖｒｃが上昇すると、リターン配線５の電圧が上昇するため、リターン配線５と給電配線４との電圧差である給電電圧Ｖｐｓは小さくなる。その後、回生電圧Ｖｒｃが負荷電圧ＶＬとほぼ等しくなると、回生電圧Ｖｒｃの上昇は停止して、電力回生部１２及びリターン配線５を介して給電装置３が出力する給電電流Ｉｐｓが給電装置３に回生される。

この回生動作が行われている期間、コンデンサＣ１で生じる負荷電圧ＶＬと、コンデンサＣ２に生じる回生電圧Ｖｒｃとはほぼ同じ電圧となるため、スイッチングトランジスタＱ１の両端の電圧差がほぼゼロとなる。そのため、電力回生部１２では、回生動作中にスイッチングトランジスタＱ１で生じる発熱が抑制される。

その後、負荷２が動作を開始すると、負荷電流ＩＬが変動する。この負荷電流ＩＬの変動は、負荷２の起動時の動作に起因するものであり、一定期間経過後は、負荷２の負荷電流ＩＬは安定する。このとき、負荷電流ＩＬが増加するように変動した場合、負荷電圧ＶＬが若干低下して負荷電圧設定値を下回るため、電力回生部１２は、負荷電流ＩＬが増加している期間はスイッチングトランジスタＱ１をスイッチング動作させて回生電圧Ｖｒｃを低下させる。このように回生電圧Ｖｒｃを低下させることで、給電配線４とリターン配線５の電圧差が開くため給電電圧Ｖｐｓが上昇する。一方、負荷電流ＩＬが減少するように変動した場合、負荷電圧ＶＬが若干上昇して負荷電圧設定値を上回るため、電力回生部１２は、負荷電流ＩＬが減少している期間はスイッチングトランジスタＱ１を導通状態に維持してコンデンサＣ２への充電を行い回生電圧Ｖｒｃを上昇させる。

そして、負荷２で負荷電流ＩＬが消費される毎に、電力回生部１２が降圧動作を行うことで、コンデンサＣ２の充電量が減少して回生電圧Ｖｒｃが十分に小さくなり、給電電圧Ｖｐｓが負荷電圧ＶＬに近い電圧となる。

図４は、実施の形態１にかかる電流電圧変換回路の動作の第２の例を示すタイミングチャートである。この第２の例では、給電装置３に対して２つの電流電圧変換回路１が設けられる例である。また、図４に示す例は、給電装置３が２つの電流電圧変換回路１に対して給電を開始してから、所定の期間を経た後に初段の電流電圧変換回路１に接続される負荷２と、２段目の電流電圧変換回路１に接続される負荷２と、が同時に動作を開始する例である。また、２つの負荷２は同じ負荷変動を示すものとする。

図４に示す例では、２つの負荷２が同じ負荷変動を生じるため、２つの電流電圧変換回路１が同じ動作を行う。図４の例における、２つの電流電圧変換回路１の動作は、それぞれ、図３に示した例と同じ動作となる。なお、２つの電流電圧変換回路１が給電装置３に接続される場合、初段の電流電圧変換回路１の回生電圧Ｖｒｃ１及び２段目の電流電圧変換回路１の回生電圧Ｖｒｃ２が十分に小さくなった状態における給電電圧Ｖｐｓは負荷電圧ＶＬの２倍の大きさになる。

図５は、実施の形態１にかかる電流電圧変換回路の動作の第３の例を示すタイミングチャートである。この第３の例では、給電装置３に対して２つの電流電圧変換回路１が設けられる例である。また、図５に示す例は、給電装置３が２つの電流電圧変換回路１に対して給電を開始してから、所定の期間を経た後に初段の電流電圧変換回路１に接続される負荷２と、２段目の電流電圧変換回路１に接続される負荷２と、が順次動作を開始する例である。

図５に示す例では、２つの電流電圧変換回路１が対応する負荷２の負荷電流ＩＬの変動に応じて、それぞれ異なるタイミングで図３に示した例の電流電圧変換回路１と同じ回生動作及び降圧動作を行う。そして、初段の電流電圧変換回路１の回生電圧Ｖｒｃ１及び２段目の電流電圧変換回路１の回生電圧Ｖｒｃ２が十分に小さくなった状態における給電電圧Ｖｐｓは負荷電圧ＶＬの２倍の大きさになる。

上記説明より、実施の形態１にかかる電流電圧変換回路１では、電力回生時には、電力回生部１２内のスイッチングトランジスタＱ１の両端の電圧差をほぼゼロにした状態で、負荷２で消費されてなかった電力をリターン配線５を介して給電装置３に回生する。これにより、実施の形態１にかかる電流電圧変換回路１では、負荷２で消費されなかった余剰で電力によるスイッチングトランジスタＱ１の発熱を抑えながら、給電装置３への電力回生を行う。つまり、実施の形態１にかかる電流電圧変換回路１では、電力回生時にスイッチングトランジスタＱ１を含む素子の発熱を抑制することができるため、素子の放熱のための冷却部品を用いずに、電流電圧変換回路１の装置サイズを小さくすることができる。

また、実施の形態１にかかる電流電圧変換回路１では、従来はツェナーダイオード、放熱抵抗の廃熱として放出されていた余剰電力を給電装置３に回生させることで、給電装置３の消費電力を抑制することができる。

また、実施の形態１にかかる電流電圧変換回路１では、定電圧源２１が出力する負荷電圧設定値により負荷電圧ＶＬの大きさを設定する。ここで、定電圧源２１が出力する負荷電圧設定値の大きさは任意に設定することができる。つまり、実施の形態１にかかる電流電圧変換回路１では、負荷電圧ＶＬの設定自由度を高めることができる。

また、実施の形態１にかかる電流電圧変換回路１では、負荷２で電力が消費される状態において、電力回生部１２が出力する回生電圧Ｖｒｃを降圧して、給電電圧Ｖｐｓを大きくする。これにより、負荷２が電力を消費している状態において、給電装置３が、負荷２或いは電流電圧変換部１１に適切に負荷電圧ＶＬを供給可能になる。

また、給電配線４からリターン配線５にいたる経路は１本の配線として考えることができる。つまり、実施の形態１にかかる電流電圧変換回路１は、１線式の直流給電システムに好適である。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

１ 電流電圧変換回路
２ 負荷
３ 給電装置
４ 給電配線
５ リターン配線
１１ 電流電圧変換部
１２ 電力回生部
２０ スイッチング制御部
２１ 定電圧源
２２ コンパレータ
２３ ＰＷＭ信号生成部
Ｑ１ スイッチングトランジスタ
Ｃ１ コンデンサ
Ｃ２ コンデンサ
Ｄ１ ダイオード
Ｄ２ ダイオード
Ｄ３ ダイオード
Ｌ インダクタ
Ｔｉ 入力端子
Ｔｏ 出力端子
ＴＬｐ 第１の負荷接続端子
ＴＬｎ 第２の負荷接続端子
Ｖｐｓ 給電電圧
Ｉｐｓ 給電電流
ＶＬ 負荷電圧
ＩＬ 負荷電流
Ｖｒｃ 回生電圧

Claims (5)

1. 給電装置から送電される給電電流を負荷電圧に変換して負荷に動作電力を供給する電流電圧変換回路であって、
   入力端子と、
   出力端子と、
   前記入力端子と前記出力端子との間に接続され、前記入力端子を介して入力される前記給電電流を前記負荷電圧に変換して前記負荷に前記動作電力を与える電流電圧変換部と、
   前記電流電圧変換部において前記負荷電圧が予め設定した負荷電圧設定値よりも大きくなっている期間に前記負荷電圧の上昇させる余剰な電力を前記出力端子を介して回生電力として前記給電装置に回生することで前記負荷電圧の上昇を抑制する電力回生部と、
   前記電流電圧変換部と前記出力端子との間に設けられ、前記出力端子側から前記電流電圧変換部への電流の逆流を防止する第１の電流逆流防止部と、
   前記電力回生部と前記出力端子との間に設けられ、前記出力端子側から前記電力回生部への電流の逆流を防止する第２の電流逆流防止部と、
   を有する電流電圧変換回路。
2. 前記電力回生部は、前記負荷電圧が前記負荷電圧設定値以下となった場合、前記回生電力の出力を停止する請求項１に記載の電流電圧変換回路。
3. 前記電流電圧変換部は、
   前記入力端子と、前記第１の電流逆流防止部との間に設けられ、両端の間に発生する電圧を前記負荷電圧として前記負荷に与える第１のコンデンサを有し、
   前記電力回生部は、
   ドレインが前記第１のコンデンサの前記入力端子側の第１の端子に接続され、ゲートにＰＷＭ信号が与えられるスイッチングトランジスタと、
   前記第１のコンデンサの両端の電圧が前記負荷電圧設定値に達したことに応じて前記スイッチングトランジスタをオン状態に維持すると共に、前記第１のコンデンサの両端の電圧が前記負荷電圧設定値以下となった場合に前記スイッチングトランジスタに与える前記ＰＷＭ信号を生成するスイッチング制御部と、
   カソードが前記スイッチングトランジスタのソースに接続され、アノードが前記第１のコンデンサの前記出力端子側の第２の端子に接続されるダイオードと、
   一端が前記スイッチングトランジスタのソースに接続され、他端が前記第２の電流逆流防止部に接続されるインダクタと、
   前記インダクタの他端と、前記第１のコンデンサの前記第２の端子と、の間に接続される第２のコンデンサと、を有する請求項１又は２に記載の電流電圧変換回路。
4. 前記入力端子は、前記給電電流を伝達する給電配線が接続され、
   前記出力端子は、前記回生電力を前記給電装置に伝達するリターン配線が接続される請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電流電圧変換回路。
5. 前記電流電圧変換回路は、前記入力端子が前段の前記電流電圧変換回路の前記出力端子に接続され、前記出力端子が後段の前記電流電圧変換回路の入力端子に接続される縦続接続された複数の電流電圧変換回路の１つであって、
   初段に配置される前記電流電圧変換回路は、前記入力端子に前記給電電流を伝達する給電配線が接続され、
   最終段に配置される前記電流電圧変換回路は、前記回生電力を前記給電装置に伝達するリターン配線が接続される請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電流電圧変換回路。

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