JP6655826B2

JP6655826B2 - 電源装置

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Publication number: JP6655826B2
Application number: JP2018143480A
Authority: JP
Inventors: 純司湊
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2018-07-31
Filing date: 2018-07-31
Publication date: 2020-02-26
Anticipated expiration: 2034-07-18
Also published as: JP2018164405A

Description

本発明は、複数のスイッチング電源を有する電源装置に関する。

スイッチング電源に用いられるスイッチング素子は、駆動時の電流／電圧変化に応じた高調波ノイズ、及び、高周波ノイズ（以下、「スイッチングノイズ」と称する）を発生する。発生したスイッチングノイズは、スイッチング電源の入力方向及び出力方向へ伝導するため、それぞれの方向において接続されている機器に影響を及ぼし、誤作動を引き起こしてしまう。従来、スイッチングノイズへの対策として、スイッチングノイズを除去するためのフィルタを電源装置に設けている（例えば、特許文献１及び２を参照）。

特開平１１−８９０８７号公報特開２００１−２９８９５２号公報

図１は、従来のスイッチング電源の構成例を示す。図１に示す電源装置１０では、スイッチング電源１は、電源（例えばＡＣ電源）から供給される電力をスイッチングにより電力変換して、蓄電装置、又は、スイッチング電源７を介して負荷装置へ供給する。また、蓄電装置は、蓄積している電力をスイッチング電源７を介して負荷装置へ供給する。スイッチング電源７は、スイッチング電源１又は蓄電装置から供給される電力をスイッチングにより電力変換（電圧値変換）して負荷装置へ供給する。なお、図１では、スイッチング電源１は、ＡＣ−ＤＣコンバータ２及びＤＣ−ＤＣコンバータ３により構成され、スイッチング電源７は、ＤＣ−ＤＣコンバータ７により構成される。また、図１に示すように、スイッチング電源１及びスイッチング電源７の各々の入力側及び出力側には、スイッチングノイズ除去のためのラインフィルタ４，５，８，９がそれぞれ設けられている。また、図１に示すように、スイッチング電源１，７、及び、ラインフィルタ４，５，８，９は、シールド１６及び１７によってスイッチング電源毎にそれぞれ覆われている。

また、発明者らは、図２に示すように、複数のスイッチング電源を一体化させた構成についても検討している。図２に示す電源装置１０ａは、スイッチング電源１及びスイッチング電源７の双方が１つのシールド１１に覆われている点のみが図１に示す電源装置１０と異なる。

図１に示す回路構成を１つのシールド１１で覆って単純に一体化した場合、図２に示すように、スイッチング電源毎に入出力側の双方にラインフィルタが設けられる。そのため、スイッチング電源が増加するほど、フィルタの数も増加するので、電源装置の大型化、かつ、重量増加を招いてしまう。また、図２に示すように、電源の電力が蓄電装置を介さずに負荷装置へ直接供給される場合（一点鎖線矢印で示す経路）でも２つのスイッチング電源１，７の蓄電装置側に設けられた２つのラインフィルタ５，９を経由することになるので、これらのラインフィルタによる損失が増加してしまう。

このように、図２に示すスイッチング電源の構成では、フィルタによる損失の増加、及び、電源装置の回路規模の増加が課題となる。

本発明の目的は、フィルタによる損失及び回路規模の増加を抑えることができる電源装置を提供することである。

本発明の一態様に係る電源装置は、入力電源から供給される電力をスイッチングにより電力変換して蓄電装置へ供給する第１スイッチング電源と、前記蓄電装置から供給される電力をスイッチングにより電力変換して負荷装置へ供給する第２スイッチング電源と、ノイズフィルタと、前記第１スイッチング電源、前記第２スイッチング電源、及び、前記ノイズフィルタを覆うシールドと、を具備し、前記ノイズフィルタは、前記第１スイッチング電源と前記蓄電装置との間、前記蓄電装置と前記第２スイッチング電源との間、かつ、前記第１スイッチング電源から前記蓄電装置までの電力線と、前記第２スイッチング電源からの電力線とが交わる分岐点よりも前記蓄電装置側に設けられ、前記第２スイッチング電源が前記蓄電装置から供給される電力をスイッチングにより電力変換して前記負荷装置へ供給しているとき、前記第１スイッチング電源は電力変換を行わず、前記第１スイッチング電源が前記入力電源から供給される電力をスイッチングにより電力変換して前記蓄電装置へ供給しているとき、前記第２スイッチング電源は電力変換を行わない。

本発明によれば、電源装置における、フィルタによる損失及び回路規模の増加を抑えることができる。

従来の電源装置の構成例を示す図従来の電源装置の他の構成例を示す図本開示の実施の形態に係る電源装置の構成を示す図本開示の実施の形態に係るラインフィルタの構成例を示す図（コモンモード有り）本開示の実施の形態に係るラインフィルタの構成例を示す図（コモンモード無し）本開示の実施の形態に係る電源装置の他の構成を示す図本開示の実施の形態に係る電源装置の他の構成を示す図

（実施の形態）
以下、本発明の実施の形態に係る電源装置について、図面を参照して説明する。

［電源装置１００の構成］
図３は、本実施の形態に係る電源装置１００の構成例を示す図である。

図３において、電源装置１００は、電力線（ハーネス）を介して電源（入力電源）、蓄電装置、及び、負荷装置と接続される。

以下では、電源装置１００が車両に搭載される場合について一例として説明する。この場合、例えば、図３において、電源は車両外部のＡＣ電源であり、蓄電装置は高圧バッテリであり、車両のモータなどを駆動させるための電源である。また、負荷装置は、例えば、車両に搭載された電装品（ヘッドライト、ワイパー又はオーディオ等）、又は、当該電装品を駆動させるための低圧バッテリである。

電源装置１００内の電流経路には、（１）電源から蓄電装置への充電時の経路（点線矢印）、（２）電源から負荷装置への電力供給時の経路（一点鎖線矢印）、及び、（３）蓄電装置から負荷装置への放電時の経路（破線矢印）がある。

電源装置１００は、スイッチング電源１０１（ＡＣ−ＤＣコンバータ１０２、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０３）、スイッチング電源１０４、ラインフィルタ１０５，１０６，１０７、シールド１０８を有する。スイッチング電源１０１が第１スイッチング電源に相当する。スイッチング電源１０４が第２スイッチング電源に相当する。

スイッチング電源１０１は、電源をスイッチングにより電力変換する。具体的には、スイッチング電源１０１において、ＡＣ−ＤＣコンバータ１０２は、電源から供給されるＡＣ電力をＤＣ電力に変換する。ＤＣ−ＤＣコンバータ１０３は、ＡＣ−ＤＣコンバータ１０２から供給されるＤＣ電力の電圧値を変更する。ＤＣ−ＤＣコンバータ１０３による電圧値変更後のＤＣ電力は、蓄電装置、又は、スイッチング電源１０４を介して負荷装置へ供給される。

スイッチング電源１０４は、スイッチング電源１０１又は蓄電装置から供給されるＤＣ電力に対して、スイッチングにより電力変換（電圧値変更）する。具体的には、図３に示すスイッチング電源１０４は、ＤＣ−ＤＣコンバータであって、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０３又は蓄電装置から供給されるＤＣ電力の電圧値を変更し、負荷装置へ供給する。

ラインフィルタ１０５，１０６，１０７は、スイッチング電源１０１及びスイッチング電源１０４において発生するスイッチングノイズを低減させるノイズフィルタである。

具体的には、ラインフィルタ１０５は、電源とスイッチング電源１０１との間の電力線上に設けられ、スイッチング電源１０１において発生するスイッチングノイズを除去する。

ラインフィルタ１０６は、スイッチング電源１０１と蓄電装置との間、かつ、蓄電装置とスイッチング電源１０４との間であって、更に、スイッチング電源１０１から蓄電装置までの電力線と、スイッチング電源１０４からの電力線とが交わる分岐点よりも蓄電装置側の位置に設けられる。ラインフィルタ１０６は、スイッチング電源１０１又はスイッチング電源１０４において発生するスイッチングノイズを除去する。また、ラインフィルタ１０６が流せる電流の最大値（以下、「電流容量」と称する）は、スイッチング電源１０１から流れる電流の最大値（最大出力電流）と、スイッチング電源１０４へ流れる電流の最大値（最大入力電流）との加算値より小さく、スイッチング電源１０１の最大出力電流とスイッチング電源１０４の最大入力電流との大きい方より大きい。

ラインフィルタ１０７は、負荷装置とスイッチング電源１０４との間の電力線上に設けられ、スイッチング電源１０４において発生するスイッチングノイズを除去する。

図４及び図５は、ラインフィルタ１０５，１０６，１０７の内部構成例を示す。図４に示すラインフィルタは、コンデンサＣ１〜Ｃ６及びコモンモードチョークコイルＬ１を有する構成を採る。図５に示すラインフィルタは、コンデンサＣ７〜Ｃ９を有し、チョークコイルを有さない構成を採る。なお、ラインフィルタにおけるコイル、コンデンサの有無及び数量は、図４及び図５に示す例に限定されるものではない。

シールド１０８は、電源装置１００内の各部から発生する放射ノイズ（電磁ノイズ）を遮蔽する。例えば、シールド１０８は、金属であって、スイッチング電源１０１、スイッチング電源１０４、ラインフィルタ１０５，１０６，１０７を一体的に覆うように形成される。

［電源装置１００の動作］
次に、上述した電源装置１００の動作について説明する。

電源から蓄電装置への充電時（点線矢印で示す電流経路）には、スイッチング電源１０１は、電源から供給されるＡＣ電力をＤＣ電力に変換し、蓄電装置へ供給する。この場合、スイッチング電源１０４は動作しない。この電流経路には、ラインフィルタ１０５及びラインフィルタ１０６が介在する。

電源から負荷装置への供給時（一点鎖線矢印で示す電流経路）には、スイッチング電源１０１は、電源から供給されるＡＣ電力をＤＣ電力に変換する。更に、スイッチング電源１０４は、スイッチング電源１０１から供給されるＤＣ電力の電圧値を変換し、負荷装置へ供給する。この電流経路には、ラインフィルタ１０５及びラインフィルタ１０７が介在する。つまり、この電流経路には、ラインフィルタ１０６が介在しない。

なお、電源から蓄電装置への充電、及び、電源から負荷装置への供給が同時に行われることもある。

蓄電装置から負荷装置への放電時（破線矢印で示す電流経路）には、スイッチング電源１０４は、蓄電装置から供給されるＤＣ電力の電圧値を変換し、負荷装置へ供給する。この場合、スイッチング電源１０１は動作しない。この電流経路には、ラインフィルタ１０６及びラインフィルタ１０７が介在する。

以上より、電源から蓄電装置への充電時、及び、蓄電装置から負荷装置への放電時の双方において供給される電力はラインフィルタ１０６を経由する。つまり、ラインフィルタ１０６は、電源から蓄電装置への充電時、及び、蓄電装置から負荷装置への放電時に共通して使用される。

よって、従来のようにスイッチング電源毎に入出力側の双方にラインフィルタが設けられている場合（図１及び図２を参照）と比較して、電源装置１００のラインフィルタの数量を低減させることができる。具体的には、電源装置１００は、ラインフィルタを、電源装置１００と外部装置（図３では電源、蓄電装置、負荷装置）との接続口の数のみ備えればよい。これにより、電源装置１００に含まれるスイッチング電源が増加してもラインフィルタ数の増加を最小限に抑えることができる。よって、電源装置１００の大型化及び重量増加を抑制できる。

なお、図３に示す負荷装置が駆動している場合には、電源から蓄電装置への充電、及び、電源から負荷装置への放電が同時に行われることがある。一方、電源装置１００において、電源から蓄電装置への充電、及び、蓄電装置から負荷装置への放電が同時に行われることはない。すなわち、電源から蓄電装置への電流と蓄電装置から負荷装置への電流とが同時にラインフィルタ１０６を通過することはない。また、ラインフィルタの能力は、フィルタ能力（減衰能力）、及び、電流容量がある。このうち、ラインフィルタの電流容量は、ラインフィルタを流れる電流の最大値に依存する。例えば、ラインフィルタ１０６は、スイッチング電源１０１から蓄電装置へ流れる電流（充電電流）の最大値及び蓄電装置からスイッチング電源１０４へ流れる電流（放電電流）の最大値のうち、より大きい値の電流容量を有していればよい。換言すると、ラインフィルタ１０６には、充電電流と放電電流とを合算した電流を流す能力を有する必要はない。すなわち、ラインフィルタ１０６は、充電電流の最大値及び放電電流の最大値の何れよりも大きい値であり、かつ、充電電流の最大値と放電電流の最大値との合計値よりも小さい値の電流容量を有していればよい。

例えば、負荷装置における消費電力が、蓄電装置に蓄積された充電電力よりも小さい場合が想定される。この場合、ラインフィルタ１０６は、少なくとも、充電電流を流す能力であって、充電電流及び負荷装置への放電電流の合計値よりも小さい値の電流を流す能力を有していればよい。

このように、複数のスイッチング電源に対して共有されるラインフィルタ１０６は、従来のように複数のスイッチング電源毎に設けられたラインフィルタ（図１及び図２ではラインフィルタ５，９）の全てを足し合わせた能力を必要としないので、電源装置１００の小型、軽量化を図ることができる。

また、上述した電源装置１００内の電流経路（１）〜（３）の何れにおいても、電力供給元との接続口、及び、電力供給先との接続口にそれぞれ設けられた２つのラインフィルタのみが介在する。つまり、電源装置１００は、必要最小限のラインフィルタのみを経由して各装置へ電力を供給する。

例えば、従来の電源装置（図１又は図２を参照）では、電源から負荷装置への供給時には、電力供給元である電源及び電力供給先である負荷装置の接続口に設けられたラインフィルタ４，８の他に、スイッチング電源１，７の蓄電装置側にそれぞれ設けられたラインフィルタ５，９を加えた合計４個のラインフィルタを経由する必要がある。これに対して、図３に示す電源装置１００では、電源から負荷装置への供給時には、電力供給元である電源及び電力供給先である負荷装置の接続口にそれぞれ設けられた２個のラインフィルタ１０５，１０７のみを経由すればよい。つまり、電源から負荷装置への供給時において供給される電力は、スイッチング電源１０１，１０４の各々の蓄電装置側に設けられたラインフィルタ１０６を経由しない。

これにより、電源装置１００では、電力供給時に経由するラインフィルタ数を最小限に抑えることにより、ラインフィルタを経由することによる損失の増加を防ぐことができる。

以上のようにして、本実施の形態によれば、電源装置１００における、ラインフィルタによる損失及び回路規模の増加を抑えることができる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、上記説明は一例であり、種々の変形が可能である。

以下、変形例１及び変形例２についてそれぞれ説明する。

（変形例１）
図６は、変形例１における電源装置２００の構成を示す。なお、図６において、上記実施の形態（図３）と同一構成には同一符号を付し、その説明を省略する。

図６に示す電源装置２００において、負荷装置２０１は、例えば、電動コンプレッサであって、スイッチング電源２０２とモータ２０３とから構成される。また、負荷装置２０１は、シールド１０８に覆われている。スイッチング電源１０１が第１スイッチング電源に相当する。スイッチング電源２０２が第２スイッチング電源に相当する。

スイッチング電源２０２は、インバータであって、スイッチング電源１０１又は蓄電装置から供給されるＤＣ電力をＡＣ電力に変換し、モータ２０３へ供給する。

モータ２０３は、スイッチング電源２０２から供給されるＡＣ電力によって駆動し、図示しない冷房又は暖房装置に用いられる。

このように、スイッチング電源１０１又は蓄電装置から供給される電力を用いて駆動する負荷装置がシールド１０８に覆われている場合でも、上記実施の形態を適用することができる。図６では、ラインフィルタ１０６の電流容量は、スイッチング電源１０１の最大出力電流と、スイッチング電源２０２の最大入力電流との加算値より小さく、スイッチング電源１０１の最大出力電流とスイッチング電源２０２の最大入力電流との大きい方より大きい。

（変形例２）
図７は、変形例２における電源装置３００の構成を示す。なお、図７において、図３及び図６と同一構成には同一符号を付し、その説明を省略する。

図７に示す電源装置３００は、図３に示す構成及び図６に示す構成の各々を有する複数の負荷装置を含む。具体的には、電源装置３００は、主に、電源から供給されるＡＣ電力をＤＣ電力に変換するスイッチング電源１０１と、スイッチング電源１０１又は蓄電装置から供給されるＤＣ電力の電圧値を変換するスイッチング電源１０４と、スイッチング電源１０１又は蓄電装置から供給される電力を用いて駆動する負荷装置２０１とが一体化して構成される。スイッチング電源１０１が第１スイッチング電源に相当する。スイッチング電源１０４とスイッチング電源２０２とが、第２スイッチング電源に相当する。

図７に示すように、スイッチング電源１０１、スイッチング電源１０４、及び、スイッチング電源２０２は、何れも１つのラインフィルタ１０６を介して蓄電装置に接続される。すなわち、ラインフィルタ１０６は、スイッチング電源１０１、スイッチング電源１０４、及び、スイッチング電源２０２に共有される。よって、電源装置３００では、３個のスイッチング電源を備えるものの、蓄電装置側には１つのラインフィルタのみを設ければよく、回路規模の増加を抑制することができる。図７では、ラインフィルタ１０６の電流容量は、スイッチング電源１０１の最大出力電流とスイッチング電源１０４の最大入力電流とスイッチング電源２０２の最大入力電流との加算値より小さく、かつ、スイッチング電源１０４の最大入力電流とスイッチング電源２０２の最大入力電流との加算値と、スイッチング電源１０１の最大出力電流と、の大きい方より大きい。

また、電源装置３００では、電源又は蓄電装置から供給される電力は、スイッチング電源１０４を介して接続される外部の負荷装置、及び、電源装置３００内の負荷装置２０１に対して同時に供給されることが想定される。一方、電源装置３００では、これらの負荷装置への電力供給と、電源から蓄電装置への電力供給と、が同時に行われることはない。よって、ラインフィルタ１０６は、複数の負荷装置（つまり、複数のスイッチング電源１０４，２０２）へ流れる放電電流の合計値、及び、電源から蓄電装置へ流れる充電電流のうち、より大きい電流を流す能力を有していればよい。つまり、ラインフィルタ１０６は、複数の負荷装置への放電電流の最大値の合計値と、充電電流の最大値との合算値よりも小さい値の電流を流す能力を有していればよい。

例えば、上記外部の負荷装置及び負荷装置２０１における消費電力の合計値が、蓄電装置に蓄積された充電電力よりも小さい場合が想定される。この場合には、ラインフィルタ１０６は、少なくとも、充電電流を流す能力であって、充電電流及び放電電流の合計値よりも小さい値の電流を流す能力を有していればよい。

以上、変形例１及び変形例２についてそれぞれ説明した。

なお、上記実施の形態では、電源としてＡＣ電源を用いる場合について説明したが、電源はＡＣ電源に限定されず、ＤＣ電源でもよい。この場合、図３、図６、図７に示す電源装置において、スイッチング電源１０１を構成するＡＣ−ＤＣコンバータは不要となる。

また、上記実施の形態では、蓄電装置として高圧バッテリを用いて、負荷装置の一例として低圧バッテリによって駆動する装置又は低圧バッテリを用いる場合について説明した。しかし、蓄電装置と負荷装置との間におけるバッテリ電圧の関係はこれに限定されず、蓄電装置として低圧バッテリを用いて、負荷装置として高圧バッテリを用いてもよい。

また、上記実施の形態では、車両に搭載される電源装置を一例として説明したが、電源装置は、車両に搭載される場合に限定されるものではなく、例えば、一般家庭又は工場などに設置される電源装置であってもよい。

本発明は、例えば、複数のスイッチング電源を備えた電源装置に適用することができる。

１００，２００，３００電源装置
１０１，１０４，２０２スイッチング電源
１０２ＡＣ−ＤＣコンバータ
１０３ＤＣ−ＤＣコンバータ
１０５，１０６，１０７ラインフィルタ
１０８シールド
２０１電動コンプレッサ
２０３モータ

Claims

入力電源から供給される電力をスイッチングにより電力変換して蓄電装置へ供給する第１スイッチング電源と、
前記蓄電装置から供給される電力をスイッチングにより電力変換して負荷装置へ供給する第２スイッチング電源と、
ノイズフィルタと、
前記第１スイッチング電源、前記第２スイッチング電源、及び、前記ノイズフィルタを覆うシールドと、
を具備し、
前記ノイズフィルタは、前記第１スイッチング電源と前記蓄電装置との間、前記蓄電装置と前記第２スイッチング電源との間、かつ、前記第１スイッチング電源から前記蓄電装置までの電力線と、前記第２スイッチング電源からの電力線とが交わる分岐点よりも前記蓄電装置側に設けられ、
前記第２スイッチング電源が前記蓄電装置から供給される電力をスイッチングにより電力変換して前記負荷装置へ供給しているとき、前記第１スイッチング電源は電力変換を行わず、
前記第１スイッチング電源が前記入力電源から供給される電力をスイッチングにより電力変換して前記蓄電装置へ供給しているとき、前記第２スイッチング電源は電力変換を行わない、
電源装置。
前記ノイズフィルタは、前記第１スイッチング電源及び前記第２スイッチング電源において発生するノイズを低減させる、
請求項１に記載の電源装置。
前記シールドは、電磁ノイズを遮蔽する、
請求項１または２に記載の電源装置。
前記第１スイッチング電源による前記入力電源から前記蓄電装置への電力供給と、前記第２スイッチング電源による前記蓄電装置から前記負荷装置への電力供給と、が同時に行われない、
請求項１乃至３に記載の電源装置。
前記電源装置は、車両に搭載され、
前記入力電源は、前記車両外部の交流電源である、
請求項１乃至４に記載の電源装置。
前記第１スイッチング電源と前記蓄電装置との間の電流経路には前記ノイズフィルタが介在し、前記第１スイッチング電源と前記第２スイッチング電源との間の電流経路には前記ノイズフィルタが介在しない、
請求項１乃至５に記載の電源装置。
前記ノイズフィルタが流せる電流の最大値は、前記第１スイッチング電源から流れる電流の第１の最大値及び前記第２スイッチング電源へ流れる電流の第２の最大値の何れよりも大きく、且つ、前記第１の最大値と前記第２の最大値との合計値よりも小さい、
請求項１乃至６に記載の電源装置。
前記ノイズフィルタは、コモンモードチョークコイルを有する、
請求項１乃至７に記載の電源装置。
前記第２スイッチング電源は、インバータであり、
前記負荷装置は、モータである、
請求項１乃至８に記載の電源装置。