JP6922846B2 - 車載用の電源装置 - Google Patents
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Description
本発明は、車載用の電源装置に関するものである。
蓄電池を備えた車両では、蓄電池の消費電流を抑制するために、ＩＧオフ時などにこの蓄電池とこの蓄電池に接続された負荷とを切り離して待機することがある。この待機状態のとき、この負荷内の容量成分に蓄えられていた電荷が放電され、蓄電池の端子電圧と負荷の電圧の差が大きくなる。蓄電池の端子電圧とこの負荷の電圧との差が大きい状態で蓄電池とこの負荷とを接続すると、蓄電池とこの負荷との間で大きな突入電流が生じてしまう。
この種の問題を解決するための技術としては、特許文献１のような技術が提案されている。特許文献１の技術では、蓄電池と負荷とを接続する前に、昇圧型のＤＣＤＣコンバータを利用して負荷内の容量成分をプリチャージすることにより、蓄電池と負荷との間で大きな突入電流が生じることを抑えている。
ところで、ＤＣＤＣコンバータによってプリチャージを行うためには、電圧変換動作を行う主要素となるスイッチング素子をドライバによって駆動しなければならず、そのためにはドライバに対して電力を供給する必要がある。一方、近年では、ＤＣＤＣコンバータに要求される性能を満たすために、複数のスイッチング素子を並列にして利用したり、コンバータを並列に接続して多相化したりする構成が用いられており、このような並列数の増加等により、ドライバを介してスイッチング素子等に出力される電流（駆動電流）は増加する傾向にある。この結果、ドライバに電力を供給する電源とドライバとの間の経路に介在する抵抗成分やダイオード成分において、より大きな電圧降下が生じやすくなり、電源電圧（ドライバに電力を供給するための電源の電圧）が低下した場合に、ドライバが動作するために必要な大きさの電圧（閾値電圧）を満たせなくなるおそれがある。
本発明は上述した課題の少なくとも一つを解決するためになされたものであり、電源電圧が低下しても、この電源から電力供給を受ける制御部がプリチャージ動作の制御を行えない事態が発生することを抑制し得る車載用の電源装置を実現することを目的とするものである。
本発明の第１態様である車載用の電源装置は、
第１電源部からの電力が第１導電路を介して供給される構成をなし、第２電源部からの電力が第２導電路を介して供給される構成をなし、容量成分が前記第１導電路に電気的に接続され、前記第１電源部と前記容量成分との間に前記第１電源部から前記容量成分側への通電を許容するオン状態と遮断するオフ状態とに切り替わるスイッチ部が設けられた車載用の電源システムにおいて、前記第１導電路に印加された電圧を降圧して第２導電路に印加、または前記第２導電路に印加された電圧を昇圧して前記第１導電路に印加する車載用の電源装置であって、
オン信号とオフ信号とが交互に切り替えられる第１制御信号が与えられることに応じてオンオフ動作する駆動用スイッチング素子及び第１インダクタを備え、前記駆動用スイッチング素子のオンオフ動作により前記第１導電路に印加された電圧を降圧して前記第２導電路に印加する第１の電圧変換動作を行う第１電圧変換部と、
前記第２導電路に設けられ、オフ動作時に前記第２導電路における前記第１電圧変換部側への電流の流れ込みを遮断する逆流防止用スイッチング素子と、
前記第２導電路における前記第１電圧変換部と前記逆流防止用スイッチング素子との間に設けられ、前記逆流防止用スイッチング素子に対して直列に設けられる第２インダクタと、
一端が前記第２導電路における前記第２インダクタと前記逆流防止用スイッチング素子との間に電気的に接続され、他端が基準導電路に電気的に接続されるダイオード又はスイッチング素子からなる半導体素子部と、
少なくとも前記駆動用スイッチング素子に対して前記第１制御信号を出力する制御部と、
を備え、
前記逆流防止用スイッチング素子と前記第２インダクタと前記半導体素子部とを備え、前記第２導電路において、自身よりも前記第１電圧変換部側を出力側導電路とし、前記第１電圧変換部側とは反対側を入力側導電路とし、前記入力側導電路に印加された電圧を降圧して出力側導電路に出力電圧を印加する第２の電圧変換動作を行う第２電圧変換部が構成され、
前記逆流防止用スイッチング素子は、複数の半導体スイッチング素子が並列に接続された構成をなし、
前記制御部は、所定のプリチャージ条件の成立に応じて、前記逆流防止用スイッチング素子を構成する複数の前記半導体スイッチング素子のうちの一部の素子にのみオン信号とオフ信号とが交互に切り替わる第２制御信号を与えることで、前記第２電圧変換部に第２の電圧変換動作を行わせる。
第１電源部からの電力が第１導電路を介して供給される構成をなし、第２電源部からの電力が第２導電路を介して供給される構成をなし、容量成分が前記第１導電路に電気的に接続され、前記第１電源部と前記容量成分との間に前記第１電源部から前記容量成分側への通電を許容するオン状態と遮断するオフ状態とに切り替わるスイッチ部が設けられた車載用の電源システムにおいて、前記第１導電路に印加された電圧を降圧して第２導電路に印加、または前記第２導電路に印加された電圧を昇圧して前記第１導電路に印加する車載用の電源装置であって、
オン信号とオフ信号とが交互に切り替えられる第１制御信号が与えられることに応じてオンオフ動作する駆動用スイッチング素子及び第１インダクタを備え、前記駆動用スイッチング素子のオンオフ動作により前記第１導電路に印加された電圧を降圧して前記第２導電路に印加する第１の電圧変換動作を行う第１電圧変換部と、
前記第２導電路に設けられ、オフ動作時に前記第２導電路における前記第１電圧変換部側への電流の流れ込みを遮断する逆流防止用スイッチング素子と、
前記第２導電路における前記第１電圧変換部と前記逆流防止用スイッチング素子との間に設けられ、前記逆流防止用スイッチング素子に対して直列に設けられる第２インダクタと、
一端が前記第２導電路における前記第２インダクタと前記逆流防止用スイッチング素子との間に電気的に接続され、他端が基準導電路に電気的に接続されるダイオード又はスイッチング素子からなる半導体素子部と、
少なくとも前記駆動用スイッチング素子に対して前記第１制御信号を出力する制御部と、
を備え、
前記逆流防止用スイッチング素子と前記第２インダクタと前記半導体素子部とを備え、前記第２導電路において、自身よりも前記第１電圧変換部側を出力側導電路とし、前記第１電圧変換部側とは反対側を入力側導電路とし、前記入力側導電路に印加された電圧を降圧して出力側導電路に出力電圧を印加する第２の電圧変換動作を行う第２電圧変換部が構成され、
前記逆流防止用スイッチング素子は、複数の半導体スイッチング素子が並列に接続された構成をなし、
前記制御部は、所定のプリチャージ条件の成立に応じて、前記逆流防止用スイッチング素子を構成する複数の前記半導体スイッチング素子のうちの一部の素子にのみオン信号とオフ信号とが交互に切り替わる第２制御信号を与えることで、前記第２電圧変換部に第２の電圧変換動作を行わせる。
第１態様の車載用の電源装置は、所定のプリチャージ条件の成立に応じて第２電圧変換部に第２の電圧変換動作を行わせることができるため、少なくともこのように第２の電圧変換動作が行われた後にスイッチ部がオフ状態からオン状態に切り替えられる状況であれば、容量成分の充電がある程度進行した状況でスイッチ部がオフ状態からオン状態に切り替えられることになるため、その切り替え直後に第１電源部から容量成分に流れ込む突入電流を抑えることができる。
しかも、所定のプリチャージ条件の成立に応じて制御部が第２電圧変換部に第２の電圧変換動作を行わせる場合に、逆流防止用スイッチング素子を構成する複数の半導体スイッチング素子のうちの一部の素子にのみ第２制御信号を与える構成であるため、「第２の電圧変換動作に伴って逆流防止用スイッチング素子を駆動するために制御部で必要となる電力」を抑えることができる。ゆえに、制御部に電力を与える電源の電圧が低下しても、制御部がプリチャージ動作の制御（第２の電圧変換動作の制御）を行えない事態は発生しにくくなる。
しかも、所定のプリチャージ条件の成立に応じて制御部が第２電圧変換部に第２の電圧変換動作を行わせる場合に、逆流防止用スイッチング素子を構成する複数の半導体スイッチング素子のうちの一部の素子にのみ第２制御信号を与える構成であるため、「第２の電圧変換動作に伴って逆流防止用スイッチング素子を駆動するために制御部で必要となる電力」を抑えることができる。ゆえに、制御部に電力を与える電源の電圧が低下しても、制御部がプリチャージ動作の制御（第２の電圧変換動作の制御）を行えない事態は発生しにくくなる。
本発明の車載用の電源装置は、第２導電路から制御部への電力供給経路となる複数の第３導電路を備えていてもよい。そして、複数の第３導電路は、第２導電路と制御部との間に並列に接続され、いずれかの第３導電路には、第２導電路側の導電路に印加された電圧を昇圧して制御部側の導電路に出力電圧を印加する電圧生成部が設けられていてもよい。
この構成によれば、第２導電路に印加された電圧が小さい場合であっても、電圧生成部は、第２導電路側の導電路に印加された電圧を昇圧して制御部側の導電路に出力電圧を印加することができる。よって、第２導電路に印加された電圧が小さい場合であっても、制御部の動作に必要な駆動電圧が確保されやすくなる。
この構成によれば、第２導電路に印加された電圧が小さい場合であっても、電圧生成部は、第２導電路側の導電路に印加された電圧を昇圧して制御部側の導電路に出力電圧を印加することができる。よって、第２導電路に印加された電圧が小さい場合であっても、制御部の動作に必要な駆動電圧が確保されやすくなる。
制御部は、所定のプリチャージ条件の成立に応じて、逆流防止用スイッチング素子を構成する複数の半導体スイッチング素子のうちの１つの半導体スイッチング素子にのみ第２制御信号を与え、第２電圧変換部に第２の電圧変換動作を行わせるようにしてもよい。
この構成によれば、第２の電圧変換動作を行う際に半導体スイッチング素子の駆動数を最小限に抑えることができるため、第２の電圧変換動作の際に消費する電力をより一層小さく抑えることができる。
この構成によれば、第２の電圧変換動作を行う際に半導体スイッチング素子の駆動数を最小限に抑えることができるため、第２の電圧変換動作の際に消費する電力をより一層小さく抑えることができる。
また、本発明の車載用の電源装置において、半導体素子部は、スイッチング素子としてもよい。
この構成によれば、例えば、スイッチング素子をオン状態にすることによって、第２インダクタや第１インダクタの臨界電流より小さな電流が流れた場合に第２インダクタや第１インダクタに生じる逆向きの電流（以降、逆向き電流ともいう）をスイッチング素子に蓄電することなく基準導電路に流すことができる。これにより、第２の電圧変換動作を行う場合、逆流防止用スイッチング素子からの出力に逆向き電流が加わることが防止されるため、逆流防止用スイッチング素子の出力の幅（デューティ）が逆向き電流によって意図せずに変化してしまうことを抑えることができる。
この構成によれば、例えば、スイッチング素子をオン状態にすることによって、第２インダクタや第１インダクタの臨界電流より小さな電流が流れた場合に第２インダクタや第１インダクタに生じる逆向きの電流（以降、逆向き電流ともいう）をスイッチング素子に蓄電することなく基準導電路に流すことができる。これにより、第２の電圧変換動作を行う場合、逆流防止用スイッチング素子からの出力に逆向き電流が加わることが防止されるため、逆流防止用スイッチング素子の出力の幅（デューティ）が逆向き電流によって意図せずに変化してしまうことを抑えることができる。
また、本発明の車載用の電源装置において、制御部は、第２電圧変換部に第２の電圧変換動作を行わせる期間に、駆動用スイッチング素子をオン状態にする。このようにすれば、第２の電圧変換動作の際に駆動用スイッチング素子で生じる電圧降下をより小さく抑えることができる。
例えば、駆動用スイッチング素子としてＦＥＴを用い、第２の電圧変換動作の際にＦＥＴをオフ状態にするとともにＦＥＴのボディダイオードのみを通電経路として第２導電路側から第１導電路側へと電流を流す方法も考えられるが、この方法では、ボディーダイオードでの損失が懸念される。しかし、第２電圧変換部に第２の電圧変換動作を行わせる期間に駆動用スイッチング素子をオン状態にすれば、この損失を確実に低減することができる。
＜実施例１＞
以下、本発明を具体化した実施例１について説明する。
実施例１の車載用の電源装置１（以下、電源装置１ともいう）は、図１で示す車載用電源システム１００（以下、電源システム１００ともいう）の一部をなすものである。電源システム１００は、第１電源部９０、第２電源部９２、第１負荷９４、第２負荷９６、電源装置１などを備える。電源システム１００は、第１電源部９０を電力供給源として第１負荷９４に電力を供給し得るとともに、イグニッションスイッチオフ時などに放電した第１負荷９４の容量成分に、第２電源部９２を電力供給源とし電源装置１を介して蓄電（プリチャージ）し得るシステムとして構成されている。
以下、本発明を具体化した実施例１について説明する。
実施例１の車載用の電源装置１（以下、電源装置１ともいう）は、図１で示す車載用電源システム１００（以下、電源システム１００ともいう）の一部をなすものである。電源システム１００は、第１電源部９０、第２電源部９２、第１負荷９４、第２負荷９６、電源装置１などを備える。電源システム１００は、第１電源部９０を電力供給源として第１負荷９４に電力を供給し得るとともに、イグニッションスイッチオフ時などに放電した第１負荷９４の容量成分に、第２電源部９２を電力供給源とし電源装置１を介して蓄電（プリチャージ）し得るシステムとして構成されている。
第１電源部９０は、第１負荷９４又は第２負荷９６に電力を供給し得る部分であり、例えばリチウムイオン電池等の公知の車載バッテリとして構成されている。第１電源部９０は、高電位側の端子が第１導電路１０に電気的に接続されており、低電位側の端子が図示しない基準導電路（グラウンド部）に電気的に接続されており、第１導電路１０に対して所定の出力電圧を印加する。第１電源部９０は、第１導電路１０に設けられたスイッチ部９８がオフ状態からオン状態に切り替わると、第１導電路１０を介して、第１負荷９４及び電源装置１に電気的に接続される。
第２電源部９２は、第１負荷９４又は第２負荷９６に電力を供給し得る部分であり、例えば鉛バッテリ等の公知の車載バッテリとして構成されている。第２電源部９２は、高電位側の端子が第２導電路１２に電気的に接続されており、低電位側の端子が図示しないグラウンド部に電気的に接続されており、第２導電路１２に対して所定の出力電圧を印加する。第２電源部９２は第２導電路１２を介して、第２負荷９６及び電源装置１に電気的に接続される。
第１負荷９４は、容量成分を含んでおり、この容量成分が本発明の容量成分の一例に相当する。第１負荷９４は、第１導電路１０に電気的に接続されており、第１導電路１０を介して電源装置１に接続されている。容量成分は、コンデンサなどであってもよく、その他の容量成分であってもよい。
第２負荷９６は、容量成分を含んでいる。第２負荷９６は、第２導電路１２に電気的に接続されており、第２導電路１２を介して電源装置１に接続されている。
電源装置１は、第１導電路１０に印加された電圧を降圧して第２導電路１２に印加し得るとともに、第２導電路１２に印加された電圧を昇圧又は降圧して第１導電路１０に印加し得る装置として構成されている。電源装置１は、第１電圧検出部８０、第１電流検出部８４、第２電圧検出部８２、第２電流検出部８６、電圧変換装置２０、制御部８８などを備える。
第１電圧検出部８０は、例えば公知の電圧検出器として構成されており、第１導電路１０の電圧を検出して出力する。具体的には、電源装置１から第１負荷９４に出力される電圧を検出して、検出した電圧（出力電圧）を反映した値（例えば、第１導電路１０の電圧そのもの、或いは分圧値等）を検出値として出力する。
第１電流検出部８４は、例えば公知の電流検出器として構成されており、電源装置１から第１負荷９４に出力される電流を検出して出力する。具体的には、第１導電路１０に介在する抵抗器と差動増幅器とを有し、抵抗器の両端電圧が差動増幅器に入力され、第１導電路１０を流れる電流によって抵抗器に生じた電圧降下量が差動増幅器で増幅され、検出値として出力されるようになっている。
第２電圧検出部８２は、例えば公知の電圧検出器として構成されており、第２導電路１２の電圧を検出して出力する。具体的には、電源装置１から第２負荷９６に出力される電圧を検出して、検出した電圧（出力電圧）を反映した値（例えば、第２導電路１２の電圧そのもの、或いは分圧値等）を検出値として出力する。
第２電流検出部８６は、例えば公知の電流検出器として構成されており、第２導電路１２を流れる電流を検出して出力する。具体的には、第２導電路１２に介在する抵抗器と差動増幅器とを有し、抵抗器の両端電圧が差動増幅器に入力され、第２導電路１２を流れる電流によって抵抗器に生じた電圧降下量が差動増幅器で増幅され、検出値として出力されるようになっている。
電圧変換装置２０は、互いに並列に設けられた複数の第１電圧変換部２１を有しており、多相型のＤＣＤＣコンバータとして構成されている。電圧変換装置２０は、一端が第１導電路１０に電気的に接続されているとともに、他端が第２導電路１２に電気的に接続されており、第１導電路１０に印加された電圧を降圧して第２導電路１２に印加し得るとともに、第２導電路１２に印加された電圧を昇圧して第１導電路１０に印加し得る構成をなす。
制御部８８は、電圧変換装置２０の動作を制御する部分であり、主として、制御回路と、第１駆動部５０と、第２駆動部３２とを備えた構成をなす。制御部８８において制御回路は、例えばマイクロコンピュータとして構成されており、ＣＰＵ等の演算装置、ＲＯＭ又はＲＡＭ等のメモリ、ＡＤ変換器等を有している。制御部８８には、第１電源部９０又は第２電源部９２から電力が供給される。
制御部８８は、第１電圧検出部８０、第２電圧検出部８２、第１電流検出部８４、第２電流検出部８６に電気的に接続されており、各検出部の検出値を取得し得る。制御部８８は、取得した検出値に基づいてデューティ比を決定する機能、及び決定したデューティ比のＰＷＭ信号を生成し出力する機能を有している。制御部８８は、ＰＷＭ信号ＳＧ１を生成して、第１電圧変換部２１の各々に設けられた第１駆動部５０に出力することによって、複数の第１電圧変換部２１を個別に制御することができ、これにより第１電圧変換部２１（電圧変換装置２０）が昇圧又は降圧するように制御し得る。
電源装置１は、図２に示すように、複数の第１電圧変換部２１、複数の逆流防止用スイッチング素子２４、第２インダクタ２６、スイッチング素子２８、コンデンサ３０、第２駆動部３２、信号生成回路３４などを備える。
複数（全て）の第１電圧変換部２１は、互いに並列に設けられている。第１電圧変換部２１は、各々、同期整流方式の昇降圧型ＤＣＤＣコンバータとして構成されており、第１導電路１０に印加された電圧を降圧して第２導電路１２に印加する第１の電圧変換動作を行い得る。また、第１電圧変換部２１は、各々、一端が第１導電路１０に電気的に接続されるとともに、他端が第２導電路１２に電気的に接続されている。
第１電圧変換部２１は、各々、ハイサイド側のスイッチング素子４０と、ローサイド側のスイッチング素子４２と、第１インダクタ４４と、を備える。スイッチング素子４０は、Ｎチャネル型のＭＯＳＦＥＴとして構成されており、ドレインには第１導電路１０が電気的に接続されており、ソースにはスイッチング素子４２のドレインと、第１インダクタ４４の一端とが接続されている。スイッチング素子４０と第１インダクタ４４との接続点には、スイッチング素子４２のドレインが接続されている。スイッチング素子４２のソースは基準導電路に電気的に接続されている。なお、スイッチング素子４０が駆動用スイッチング素子の一例に相当する。
第１電圧変換部２１は、各々、ハイサイド側のコンデンサ４６と、ローサイド側のコンデンサ４８と、を備える。コンデンサ４６の一端は第１導電路１０に接続されており、他端は基準導電路に電気的に接続されている。コンデンサ４８の一端は第２導電路１２に接続されており、第２導電路１２を介して、第１インダクタ４４の他端及び第２インダクタ２６の一端に接続されている。コンデンサ４８の他端は基準導電路に電気的に接続されている。
複数の第１電圧変換部２１にそれぞれ対応して複数の第１駆動部５０がそれぞれ設けられている。第１駆動部５０は、駆動部の一例に相当し、制御部８８で生成されたＰＷＭ信号ＳＧ１に基づき、スイッチング素子４０，４２のそれぞれを交互にオンするためのオン信号（ＰＷＭ信号）をスイッチング素子４０，４２のゲートに印加する。なお、第１駆動部５０がスイッチング素子４０，４２に出力するＰＷＭ信号が、制御信号の一例に相当する。以下では、第１駆動部５０がスイッチング素子４０，４２に出力するＰＷＭ信号を制御信号ともいう。
複数（全て）の逆流防止用スイッチング素子２４は、複数の半導体スイッチング素子２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃ・・・が並列に接続された構成をなし、全ての半導体スイッチング素子２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃ・・・のオフ動作時に第２導電路１２における第１電圧変換部２１側への電流の流れ込みを遮断する機能を有する。具体的には、複数の半導体スイッチング素子２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃ・・・のそれぞれがＮチャネル型のＭＯＳＦＥＴとして構成されており、それぞれのドレインが、第２導電路１２における第２電源部９２側の導電路に電気的に接続され、それぞれのソースが、第２導電路１２における第１電圧変換部２１側の導電路に電気的に接続されている。
第２インダクタ２６は、第２導電路１２における第１電圧変換部２１と逆流防止用スイッチング素子２４との間に設けられ、逆流防止用スイッチング素子２４に対して直列に設けられている。具体的には、第２インダクタ２６は、一端が各第１電圧変換部２１の第１インダクタ４４とコンデンサ４８との接続点に電気的に接続されており、他端が各逆流防止用スイッチング素子２４のソース及びスイッチング素子２８のドレインに電気的に接続されている。
スイッチング素子２８は、半導体素子部の一例に相当し、例えばＭＯＳＦＥＴとして構成されている。スイッチング素子２８は、ドレイン（一端）が第２導電路１２における第２インダクタ２６と逆流防止用スイッチング素子２４との間に電気的に接続され、ソース（他端）が基準導電路に電気的に接続されている。
コンデンサ３０は、一端が第２導電路１２における逆流防止用スイッチング素子２４よりも第２電源部９２側に接続されており、他端が基準導電路に電気的に接続されている。
本構成では、逆流防止用スイッチング素子２４、第２インダクタ２６、スイッチング素子２８（半導体素子部）、によって第２電圧変換部２２が構成される。この第２電圧変換部２２は、同期整流方式の昇降圧型ＤＣＤＣコンバータを構成し、第２導電路１２において自身よりも第１電圧変換部２１側を出力側導電路１２Ｂとし、第１電圧変換部２１側とは反対側を入力側導電路１２Ａとし、入力側導電路１２Ａに印加された電圧を降圧して出力側導電路１２Ｂに出力電圧を印加する第２の電圧変換動作を行い得る。
第２駆動部３２は、制御部８８で生成されたＰＷＭ信号ＳＧ２に基づき、逆流防止用スイッチング素子２４及びスイッチング素子２８のそれぞれを交互にオンするためのオン信号（ＰＷＭ信号）を逆流防止用スイッチング素子２４及びスイッチング素子２８のゲートに印加する。なお、第２駆動部３２が逆流防止用スイッチング素子２４に出力するＰＷＭ信号が、第２制御信号の一例に相当する。以下では、第２駆動部３２が逆流防止用スイッチング素子２４に出力するＰＷＭ信号を制御信号ともいう。
また、複数の逆流防止用スイッチング素子２４のうち、一部（本実施例１では１つ）の逆流防止用スイッチング素子２４Ａのゲートには、第２駆動部３２からの制御信号が直接与えられ、他の逆流防止用スイッチング素子２４Ｂには、第２駆動部３２からの制御信号が信号生成回路３４を介して与えられる。
信号生成回路３４は、第２駆動部３２と、逆流防止用スイッチング素子２４Ｂのゲートとの間に設けられている。信号生成回路３４は、制御部８８から出力された遮断指示信号ＳＧ３に基づき、第２駆動部３２から逆流防止用スイッチング素子２４Ｂに出力される制御信号を遮断する。
第２導電路１２と第１駆動部５０及び第２駆動部３２との間には、第３導電路６０が設けられている。第３導電路６０は、一部が並列となるように構成されており、並列に構成された一方の導電路にはダイオード６２が設けられ、他方の導電路にはダイオード６４及び電圧生成部６６が設けられている。ダイオード６２は、アノードが第２導電路１２に接続され、カソードが第１駆動部５０及び第２駆動部３２に接続されている。電圧生成部６６は、ダイオード６４に直列に接続されており、ダイオード６４の第２電源部９２側に設けられている。ダイオード６４は、アノードが電圧生成部６６に接続されており、カソードが第１駆動部５０及び第２駆動部３２に接続されている。電圧生成部６６は、例えば昇圧回路として構成されており、制御部８８からの昇圧指示信号ＳＧ４に基づき、第２導電路１２側から入力された電圧を昇圧して第１駆動部５０及び第２駆動部３２側に出力し得る。
次に電源装置１の動作について説明する。
電源装置１は、第１負荷９４に第１電源部９０からの電力を供給すべくスイッチ部９８をオフ状態からオン状態に切り替える場合、第１負荷９４に存在する容量成分に急激に大電流が流れ込まないように、第２電源部９２の電力を用いて第１負荷９４の容量成分を事前に充電する動作（プリチャージ）を行い得る。
電源装置１は、第１負荷９４に第１電源部９０からの電力を供給すべくスイッチ部９８をオフ状態からオン状態に切り替える場合、第１負荷９４に存在する容量成分に急激に大電流が流れ込まないように、第２電源部９２の電力を用いて第１負荷９４の容量成分を事前に充電する動作（プリチャージ）を行い得る。
制御部８８は、図３で示すプリチャージ制御を繰り返し実行するようになっており、図３のプリチャージ制御の開始に伴い、所定のプリチャージ条件が成立したか否かを判断する。プリチャージ条件は、例えば「スイッチ部９８（例えばイグニッションスイッチ）がオフ状態からオン状態に切り替わったこと」であってもよく、これ以外の所定条件であってもよい。
制御部８８は、ステップＳ１においてプリチャージ条件が成立したと判定した場合、ステップＳ２にて、第２電圧変換部２２に第２の電圧変換動作を開始させる。第２の電圧変換動作は、第２電圧変換部２２が、外部から与えられる制御信号に応じて第２導電路１２の入力側導電路１２Ａに印加された電圧を降圧して出力側導電路１２Ｂに印加する動作である。具体的には、以下のようにして実現される。
制御部８８は、ステップＳ２で第２の電圧変換動作を開始した後、ステップＳ３にて切替条件が成立したか否かを判定する。具体的には、制御部８８は、ステップＳ３において、第１電圧検出部８０の検出値に基づき、第１導電路１０の電圧が所定閾値以上であるか否かを判定し、第１導電路１０の電圧が所定閾値未満であれば、ステップＳ３でＮｏに進み、第１導電路１０の電圧が所定閾値以上であれば、ステップＳ３でＹｅｓに進み、ステップＳ４において、第２の電圧変換動作から第３の電圧変換動作に切り替える。
また、制御部８８は、第１電圧検出部８０又は第１電流検出部８４の検出値に基づき、デューティ比を決定し、決定したデューティ比のＰＷＭ信号ＳＧ２を生成する。そして、このＰＷＭ信号ＳＧ２を第２駆動部３２に出力する。このＰＷＭ信号ＳＧ２を入力した第２駆動部３２は、ＰＷＭ信号ＳＧ２のデューティ比の制御信号を逆流防止用スイッチング素子２４のうちの１つのスイッチング素子２４Ａに出力し、この制御信号に対して相補的なＰＷＭ信号をスイッチング素子２８に出力する。つまり、スイッチング素子２４Ａをオン動作させているときにスイッチング素子２８をオフ動作させ、スイッチング素子２４をオフ動作させているときにスイッチング素子２８をオン動作させる同期整流方式の降圧動作を、デッドタイムを設定しつつ実行する。第２駆動部３２からの制御信号は、信号生成回路３４にも入力される。信号生成回路３４は、信号ＳＧ３が遮断指示信号である場合に、スイッチング素子２４Ｂ，２４Ｃに対してオフ信号を出力し、このとき、スイッチング素子２４Ｂ，２４Ｃはオフ状態となる。また、信号生成回路３４は、信号ＳＧ３が許可信号である場合、第２駆動部３２からスイッチング素子２４Ａのゲートに出力される信号と同一の信号をスイッチング素子２４Ｂ，２４Ｃに出力する。制御部８８は、第２電圧変換部２２に第２の電圧変換動作を行わせている間（スイッチング素子２４Ａのゲートに制御信号を出力している間）は、信号生成回路３４に入力する信号ＳＧ３を遮断指示信号とするため、第２電圧変換部２２に第２の電圧変換動作を行わせている間は、スイッチング素子２４Ｂ，２４Ｃがオフ状態で維持される。つまり、第２電圧変換部２２に第２の電圧変換動作を行わせている間は、第２駆動部３２が出力した制御信号は、スイッチング素子２４Ａのみに出力され、スイッチング素子２４Ｂ，２４Ｃはオフ状態で維持されるため、スイッチング素子２４Ａのみがオンオフ動作する。
このように、第２駆動部３２からスイッチング素子２４Ａに対してＰＷＭ信号（制御信号）が与えられることにより、第２電圧変換部２２は、入力側導電路１２Ａに印加された電圧を降圧して出力側導電路１２Ｂに印加するように第２の電圧変換動作を行う。この第２の電圧変換動作では、第１導電路１０に印加される電圧を第２電源部９２の満充電時の出力電圧よりも低い所望の目標電圧に近づけるようにデューティを算出するフィードバック演算が繰り返され、第１導電路１０に印加される電圧を所望の目標電圧に近づけるように制御がなされる。このように第２の電圧変換動作が行われている間は、第１負荷９４の容量成分に充電がなされる。
制御部８８は、ステップＳ３において所定の切替条件が成立したと判定した場合、即ち、第１導電路１０の電圧が所定閾値以上であると判定した場合、ステップＳ４において、第２電圧変換部２２による第２の電圧変換動作を終了させ、第１電圧変換部２１による第３の電圧変換動作を開始させる。第３の電圧変換動作は、第１駆動部５０からスイッチング素子４０，４２に対してＰＷＭ信号ＳＧ１に基づくオン信号を交互に与えることによって電圧変換装置２０において同期整流方式の昇圧動作を行い、第２導電路１２に印加された電圧を昇圧して第１導電路１０に印加する動作である。
制御部８８は、この第３の電圧変換動作中には、信号生成回路３４に対する遮断指示信号ＳＧ３の出力を停止し、第２駆動部３２にオン信号を出力する。このオン信号を入力した第２駆動部３２は、逆流防止用スイッチング素子２４を構成する全てのスイッチング素子２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃ・・・にオン信号を出力するとともに、スイッチング素子２８にオフ信号を出力する。従って、第３の電圧変換動作中は、逆流防止用スイッチング素子２４を構成する全てのスイッチング素子２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃ・・・がオン状態で維持され、スイッチング素子２８がオフ状態で維持される。
制御部８８は、第１電圧検出部８０又は第１電流検出部８４の検出値に基づき、デューティ比を決定し、決定したデューティ比のＰＷＭ信号ＳＧ１を生成する。具体的には、第１導電路１０に印加される電圧を第２電源部９２の満充電時の出力電圧よりも高い所望の目標電圧に近づけるようにデューティを算出するフィードバック演算を繰り返し、第１導電路１０に印加される電圧を所望の目標電圧に近づけるように制御を行う。制御部８８は、このように生成したＰＷＭ信号ＳＧ１を、複数の第１電圧変換部２１のうち１つの第１電圧変換部２１に対応する第１駆動部５０にのみ出力する。このＰＷＭ信号ＳＧ１を入力した第１駆動部５０は、ＰＷＭ信号ＳＧ１のデューティ比の制御信号をスイッチング素子４２に出力するとともに、この制御信号（ＰＷＭ信号ＳＧ１）に対して相補的な制御信号をスイッチング素子４０に出力する。つまり、スイッチング素子４２をオン動作させているときにスイッチング素子４０をオフ動作させ、スイッチング素子４２をオフ動作させているときにスイッチング素子４０をオン動作させる同期整流方式の制御を、デッドタイムを設定した形で実行する。なお、制御部８８は、複数の第１電圧変換部２１のうち他の第１電圧変換部２１の第１駆動部５０にはオフ信号を出力する。このオフ信号が入力される第１駆動部５０は、対応するスイッチング素子４０，４２をオフ状態で維持する。
このようにして、第２導電路１２に印加された電圧を昇圧して第１導電路１０に印加する第３の電圧変換動作が行われる。この第３の電圧変換動作では、第２の電圧変換動作で電荷が蓄積された第１負荷９４の容量成分に対して、更に電荷を蓄積させることができ、容量成分の充電電圧をより高めることができる。
制御部８８は、ステップＳ４にて第３の電圧変換動作を開始した後、ステップＳ５にて、所定のプリチャージ終了条件が成立したか否かを判定する。所定のプリチャージ終了条件は、例えば、「第１導電路１０の電圧が所定電圧を超えたこと」などである。
制御部８８は、ステップＳ５においてプリチャージ終了条件が成立していないと判定した場合、プリチャージ終了条件が成立するまでステップＳ５を繰り返す。この間、第１負荷９４の容量成分の充電が進行する。制御部８８は、ステップＳ５においてプリチャージ終了条件が成立したと判定した場合、ステップＳ６にて第３の電圧変換動作を終了する。即ち、ＰＷＭ信号ＳＧ１、ＰＷＭ信号ＳＧ２、遮断指示信号ＳＧ３、及び昇圧指示信号ＳＧ４の出力を停止する。これにより第１負荷９４へのプリチャージが完了する。
制御部８８は、ステップＳ６にて第３の電圧変換動作を終了させた後、例えば、スイッチ部９８をオフ状態からオン状態に切り替える。こうすることで、第１負荷９４の容量成分をある程度充電した状態で、スイッチ部９８をオン状態に切り替えることができるため、第１負荷９４の容量成分に大電流が流れ込むような事態が生じにくくなる。なお、ステップＳ６に応じてスイッチ部９８をオン状態に切り替えた後には、電圧変換装置２０に上述の降圧動作を行わせ、第１導電路１０に印加された電圧を降圧して第２導電路に所望の出力電圧を印加するように機能すればよい。
なお、本構成では、制御部８８は、第１の電圧変換動作中、又は第２の電圧変換動作中、又は第３の電圧変換動作中に、電圧生成部６６に対して昇圧指示信号ＳＧ４を出力し、電圧生成部６６は、この昇圧指示信号ＳＧ４が与えられている期間に、入力電圧（第２導電路１２に印加された電圧）を昇圧させてダイオード６４のアノード側に出力する。なお、制御部８８は、第１の電圧変換動作中、第２の電圧変換動作中、第３の電圧変換動作中のいずれか又は全ての期間に昇圧指示信号ＳＧ４を出力してもよく、第２導電路１２に印加された電圧が所定値以下の場合にのみ昇圧指示信号ＳＧ４を出力してもよい。
次に電源装置１の効果について例示する。
上述した電源装置１は、逆流防止用スイッチング素子２４と第２インダクタ２６とスイッチング素子２８（半導体素子部）とを備えた形で第２電圧変換部２２が構成され、この第２電圧変換部２２は、第２導電路１２において、自身よりも第１電圧変換部２１側を出力側導電路１２Ｂとし、第１電圧変換部２１側とは反対側を入力側導電路１２Ａとし、入力側導電路１２Ａに印加された電圧を降圧して出力側導電路１２Ｂに出力電圧を印加する第２の電圧変換動作を行う。更に、逆流防止用スイッチング素子２４は、複数の半導体スイッチング素子２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃ・・・が並列に接続された構成をなしており、制御部８８は、所定のプリチャージ条件の成立に応じて、逆流防止用スイッチング素子２４を構成する複数の半導体スイッチング素子２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃ・・・のうちの一部の素子にのみオン信号とオフ信号とが交互に切り替わる第２制御信号を与えることで、第２電圧変換部２２に第２の電圧変換動作を行わせる。
上述した電源装置１は、逆流防止用スイッチング素子２４と第２インダクタ２６とスイッチング素子２８（半導体素子部）とを備えた形で第２電圧変換部２２が構成され、この第２電圧変換部２２は、第２導電路１２において、自身よりも第１電圧変換部２１側を出力側導電路１２Ｂとし、第１電圧変換部２１側とは反対側を入力側導電路１２Ａとし、入力側導電路１２Ａに印加された電圧を降圧して出力側導電路１２Ｂに出力電圧を印加する第２の電圧変換動作を行う。更に、逆流防止用スイッチング素子２４は、複数の半導体スイッチング素子２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃ・・・が並列に接続された構成をなしており、制御部８８は、所定のプリチャージ条件の成立に応じて、逆流防止用スイッチング素子２４を構成する複数の半導体スイッチング素子２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃ・・・のうちの一部の素子にのみオン信号とオフ信号とが交互に切り替わる第２制御信号を与えることで、第２電圧変換部２２に第２の電圧変換動作を行わせる。
このように、電源装置１は、所定のプリチャージ条件の成立に応じて第２電圧変換部２２に第２の電圧変換動作を行わせることができるため、少なくともこのように第２の電圧変換動作が行われた後にスイッチ部９８がオフ状態からオン状態に切り替えられる状況であれば、容量成分の充電がある程度進行した状況でスイッチ部９８がオフ状態からオン状態に切り替えられることになるため、その切り替え直後に第１電源部９０から容量成分に流れ込む突入電流を抑えることができる。
しかも、所定のプリチャージ条件の成立に応じて制御部８８が第２電圧変換部２２に第２の電圧変換動作を行わせる場合に、逆流防止用スイッチング素子２４を構成する複数の半導体スイッチング素子２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃ・・・のうちの一部の素子にのみ第２制御信号を与える構成であるため、「第２の電圧変換動作に伴って逆流防止用スイッチング素子２４を駆動するために制御部８８で必要となる電力」を抑えることができる。ゆえに、制御部８８に電力を与える電源の電圧が低下しても、制御部８８がプリチャージ動作の制御（第２の電圧変換動作の制御）を行えない事態は発生しにくくなる。
更に、電源装置１は、第２導電路１２から制御部８８への電力供給経路となる複数の第３導電路６０を備える。そして、複数の第３導電路６０は、第２導電路１２と制御部８８との間に並列に接続され、いずれかの第３導電路６０には、第２導電路１２側の導電路に印加された電圧を昇圧して制御部８８側の導電路に出力電圧を印加する電圧生成部６６が設けられている。この構成によれば、第２導電路１２に印加された電圧が小さい場合であっても、電圧生成部６６は、第２導電路１２側の導電路に印加された電圧を昇圧して制御部８８側の導電路に出力電圧を印加することができる。よって、第２導電路１２に印加された電圧が小さい場合であっても、制御部８８の動作に必要な駆動電圧が確保されやすくなる。
更に、制御部８８は、所定のプリチャージ条件の成立に応じて、逆流防止用スイッチング素子２４を構成する複数の半導体スイッチング素子２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃ・・・のうちの１つの半導体スイッチング素子にのみ第２制御信号を与え、第２電圧変換部２２に第２の電圧変換動作を行わせる。この構成によれば、第２の電圧変換動作を行う際に半導体スイッチング素子の駆動数を最小限に抑えることができるため、第２の電圧変換動作の際に消費する電力をより一層小さく抑えることができる。
さらに、電源装置１では、半導体素子部をスイッチング素子２８としている。このため、例えば、スイッチング素子２８をオン状態にすることによって、第２インダクタ２６や第１インダクタ４４の臨界電流より小さな電流が流れた場合に第２インダクタ２６や第１インダクタ４４に生じる逆向きの電流（以降、逆向き電流ともいう）をスイッチング素子２８に蓄電することなく基準導電路に流すことができる。これにより、第２の電圧変換動作を行う場合、逆流防止用スイッチング素子２４からの出力に逆向き電流が加わることが防止されるため、逆流防止用スイッチング素子２４の出力の幅（デューティ）が逆向き電流によって意図せずに変化してしまうことを抑えることができる。
更に、制御部８８は、第２電圧変換部２２に第２の電圧変換動作を行わせる期間に、駆動用スイッチング素子４０をオン状態にする。このようにすれば、第２の電圧変換動作の際に駆動用スイッチング素子４０で生じる電圧降下をより小さく抑えることができる。
例えば、図２のように、スイッチング素子４０としてＦＥＴを用い、第２の電圧変換動作の際にスイッチング素子４０（ＦＥＴ）をオフ状態にするとともにＦＥＴのボディダイオードのみを通電経路として第２導電路１２側から第１導電路１０側へと電流を流すようにすると、このボディーダイオードでの損失が懸念されるが、第２電圧変換部２２に第２の電圧変換動作を行わせる期間に駆動用スイッチング素子４０をオン状態にすれば、この損失を確実に低減することができる。なお、第２の電圧変換動作中は、スイッチング素子４２についてはオフ状態で維持すればよい。
＜他の実施例＞
本発明は上記記述及び図面によって説明した実施例に限定されるものではなく、例えば次のような実施例も本発明の技術的範囲に含まれる。
本発明は上記記述及び図面によって説明した実施例に限定されるものではなく、例えば次のような実施例も本発明の技術的範囲に含まれる。
実施例１では、第２の電圧変換動作において複数の逆流防止用スイッチング素子２４のうち１つにのみ制御信号を出力するようにしたが、一部であれば２つ以上の逆流防止用スイッチング素子２４に制御信号を出力するようにしてもよい。
実施例１では、第１電源部９０（第１負荷９４）側を高電圧側とし第２電源部９２（第２負荷９６）側を低電圧側としたが、第１電源部９０（第１負荷９４）側を低電圧側とし第２電源部９２（第２負荷９６）側を高電圧側としてもよい。即ち、低電圧側の容量成分にプリチャージする構成に適用することもできる。
実施例１では、第３導電路６０において、電圧生成部６６を設けるようにしたが、電圧生成部６６を設けなくてもよい。
実施例１では、第３の電圧変換動作において複数の第１電圧変換部２１のうち１つの第１電圧変換部２１のスイッチング素子４０にのみ制御信号を出力するようにしたが、一部の第１電圧変換部２１のスイッチング素子４０であれば、２つ以上の第１電圧変換部２１のスイッチング素子４０に制御信号を出力するようにしてもよい。
実施例１では、半導体素子部をスイッチング素子としたが、ダイオードとしてもよい。ダイオードとする場合、アノードを基準導電路に電気的に接続し、カソードを第２導電路１２における第２インダクタ２６と逆流防止用スイッチング素子２４との間に電気的に接続し、第２電圧変換部２２をダイオード方式のＤＣＤＣコンバータとして機能させればよい。
１…車載用の電源装置
１０…第１導電路
１２…第２導電路
１２Ａ…入力側導電路
１２Ｂ…出力側導電路
２１…第１電圧変換部
２２…第２電圧変換部
２４…逆流防止用スイッチング素子
２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃ…半導体スイッチング素子
２６…第２インダクタ
２８…スイッチング素子（半導体素子部）
４０…スイッチング素子（駆動用スイッチング素子）
４２…スイッチング素子（駆動用スイッチング素子）
４４…第１インダクタ
６０…第３導電路
６６…電圧生成部
８８…制御部
９０…第１電源部
９２…第２電源部
９４…第１負荷
９６…第２負荷
９８…スイッチ部
１００…車載用電源システム
１０…第１導電路
１２…第２導電路
１２Ａ…入力側導電路
１２Ｂ…出力側導電路
２１…第１電圧変換部
２２…第２電圧変換部
２４…逆流防止用スイッチング素子
２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃ…半導体スイッチング素子
２６…第２インダクタ
２８…スイッチング素子（半導体素子部）
４０…スイッチング素子（駆動用スイッチング素子）
４２…スイッチング素子（駆動用スイッチング素子）
４４…第１インダクタ
６０…第３導電路
６６…電圧生成部
８８…制御部
９０…第１電源部
９２…第２電源部
９４…第１負荷
９６…第２負荷
９８…スイッチ部
１００…車載用電源システム
Claims (5)
- 第１電源部からの電力が第１導電路を介して供給される構成をなし、第２電源部からの電力が第２導電路を介して供給される構成をなし、容量成分が前記第１導電路に電気的に接続され、前記第１電源部と前記容量成分との間に前記第１電源部から前記容量成分側への通電を許容するオン状態と遮断するオフ状態とに切り替わるスイッチ部が設けられた車載用の電源システムにおいて、前記第１導電路に印加された電圧を降圧して前記第２導電路に印加、または前記第２導電路に印加された電圧を昇圧して前記第１導電路に印加する車載用の電源装置であって、
オン信号とオフ信号とが交互に切り替えられる第１制御信号が与えられることに応じてオンオフ動作する駆動用スイッチング素子及び第１インダクタを備え、前記駆動用スイッチング素子のオンオフ動作により前記第１導電路に印加された電圧を降圧して前記第２導電路に印加する第１の電圧変換動作を行う第１電圧変換部と、
前記第２導電路に設けられ、オフ動作時に前記第２導電路における前記第１電圧変換部側への電流の流れ込みを遮断する逆流防止用スイッチング素子と、
前記第２導電路における前記第１電圧変換部と前記逆流防止用スイッチング素子との間に設けられ、前記逆流防止用スイッチング素子に対して直列に設けられる第２インダクタと、
一端が前記第２導電路における前記第２インダクタと前記逆流防止用スイッチング素子との間に電気的に接続され、他端が基準導電路に電気的に接続されるダイオード又はスイッチング素子からなる半導体素子部と、
少なくとも前記駆動用スイッチング素子に対して前記第１制御信号を出力する制御部と、
を備え、
前記逆流防止用スイッチング素子と前記第２インダクタと前記半導体素子部とを備え、前記第２導電路において、自身よりも前記第１電圧変換部側を出力側導電路とし、前記第１電圧変換部側とは反対側を入力側導電路とし、前記入力側導電路に印加された電圧を降圧して出力側導電路に出力電圧を印加する第２の電圧変換動作を行う第２電圧変換部が構成され、
前記逆流防止用スイッチング素子は、複数の半導体スイッチング素子が並列に接続された構成をなし、
前記制御部は、所定のプリチャージ条件の成立に応じて、前記逆流防止用スイッチング素子を構成する複数の前記半導体スイッチング素子のうちの一部の素子にのみオン信号とオフ信号とが交互に切り替わる第２制御信号を与えることで、前記第２電圧変換部に第２の電圧変換動作を行わせる車載用の電源装置。 - 前記第２導電路から前記制御部への電力供給経路となる複数の第３導電路を備え、
複数の前記第３導電路は、前記第２導電路と前記制御部との間に並列に接続され、いずれかの前記第３導電路には、前記第２導電路側の導電路に印加された電圧を昇圧して前記制御部側の導電路に出力電圧を印加する電圧生成部が設けられている請求項１に記載の車載用の電源装置。 - 前記制御部は、前記所定のプリチャージ条件の成立に応じて、前記逆流防止用スイッチング素子を構成する複数の前記半導体スイッチング素子のうちの１つの前記半導体スイッチング素子にのみ前記第２制御信号を与え、前記第２電圧変換部に第２の電圧変換動作を行わせる請求項１又は２に記載の車載用の電源装置。
- 前記半導体素子部は、スイッチング素子である請求項１乃至３のいずれか１項に記載の車載用の電源装置。
- 前記制御部は、前記第２電圧変換部に前記第２の電圧変換動作を行わせる期間に、前記駆動用スイッチング素子をオン状態にする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の車載用の電源装置。
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