JP7420565B2

JP7420565B2 - 電源装置

Info

Publication number: JP7420565B2
Application number: JP2020008664A
Authority: JP
Inventors: 規昭山田
Original assignee: Shindengen Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Shindengen Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2020-01-22
Filing date: 2020-01-22
Publication date: 2024-01-23
Anticipated expiration: 2040-01-22
Also published as: JP2021118565A

Description

本発明は、電源装置に関する。

特許文献１の図１には、バッテリを充電するとともに、コンセントから電気製品に交流電力を供給する、充電器が記載されている。特許文献１記載の充電器では、交流電力を力率改善回路で直流電力に変換する。そして、直流電力を直流変換回路で電圧変換して、バッテリを充電する。また、直流電力を交流変換回路で交流電力に変換してコンセントに出力する。

しかしながら、特許文献１記載の充電器では、回路素子数が多い。従って、回路素子数を抑制することが、望まれる。

特開２０１７－１５８３２２号公報

本発明は、回路素子数を抑制できる、電源装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様の電源装置は、
交流電源から入力される交流電力を直流電力に変換して負荷に出力できるとともに、前記負荷の直流電力を交流電力に変換できる、双方向インバータと、
前記双方向インバータの交流電力入力側に並列接続された、コンセントと、
前記双方向インバータ及び前記コンセントが前記交流電源に接続されている場合には、前記交流電源から前記双方向インバータに供給される電流と、前記交流電源から前記コンセントに供給される電流と、の合計電流が許容電流以下になるように、前記双方向インバータを制御し、前記双方向インバータ及び前記コンセントが前記交流電源に接続されていない場合には、前記負荷の直流電力を交流電力に変換して前記コンセントに供給するように、前記双方向インバータを制御する、制御装置と、
を含む、
ことを特徴とする。

前記電源装置において、
前記制御装置は、
前記双方向インバータ及び前記コンセントが前記交流電源に接続されている場合には、前記合計電流の波形が正弦波形状になるように、前記双方向インバータを制御する、
ことを特徴とする。

前記電源装置において、
前記交流電源と前記コンセントとの間に設けられたリレーを更に含み、
前記制御装置は、
前記合計電流、または、前記コンセントへ供給される電流が前記許容電流を超えたら、前記リレーを遮断するように制御する、
ことを特徴とする。

本発明の一態様の電源装置は、回路素子数を抑制できるという効果を奏する。

図１は、実施の形態の電源装置の構成を示す図である。図２は、実施の形態の電源回路の具体的な回路構成の一例を示す図である。図３は、実施の形態のコンセントに接続される機器の一例の等価回路を示す図である。

以下に、本発明の電源装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態により本発明が限定されるものではない。

＜実施の形態＞
図１は、実施の形態の電源装置の構成を示す図である。電源装置１は、電源２が電気的に接続されている場合には、電源２から交流入力電圧の供給を受けて、直流電圧を負荷３に出力する。電源２は、系統電源が例示されるが、本開示はこれに限定されない。負荷３は、リチウムイオン電池が例示されるが、本開示はこれに限定されない。

電源装置１は、車載されることが例示されるが、本開示はこれに限定されない。車両は、キャンピングカー、移動販売車、電動バイク、電動自転車、ゴルフカート等が例示されるが、本開示はこれに限定されない。電源装置１が車載される場合、負荷３は、補機バッテリ、ＥＶ（電気自動車）バッテリ、ＨＶ（ハイブリッド車）バッテリ等が例示されるが、本開示はこれに限定されない。

電源装置１は、双方向インバータ４と、コンセント５と、制御装置６と、を含む。コンセント５には、電気機器が接続されることが例示されるが、本開示はこれに限定されない。電気機器は、電磁調理器、電気ポット、冷蔵庫、冷凍庫、照明機器、スマートフォン用充電器等が例示されるが、本開示はこれに限定されない。

双方向インバータ４の２つの入力端子は、ノードＮ１及びＮ２に夫々電気的に接続されている。コンセント５の２つの入力端子は、ノードＮ１及びＮ２に夫々電気的に接続されている。つまり、コンセント５は、双方向インバータ４と並列接続されている。

ノードＮ１は、電流センサ１１を介して、電源２の一端に電気的に接続されている。ノードＮ２は、電源２の他端に電気的に接続されている。

電源２が電源装置１に電気的に接続されている場合には、ノードＮ１及びＮ２を介して、双方向インバータ４に交流電力が供給されるとともに、ノードＮ１及びＮ２を介して、コンセント５に交流電力が供給される。

双方向インバータ４は、電源２が電気的に接続されている場合には、交流入力電圧の供給を電源２からノードＮ１及びＮ２を介して受けて、直流電圧を負荷３に出力する。双方向インバータ４は、電源２が電気的に接続されていない場合には、直流電圧の供給を負荷３から受けて、交流電圧を、ノードＮ１及びＮ２を介して、コンセント５に出力する。

電流センサ１１は、電源２が電源装置１に電気的に接続されている場合には、電源２から電源装置１に入力される交流電流を検出する。つまり、電流センサ１１は、ノードＮ１及びＮ２から双方向インバータ４に流れる電流と、ノードＮ１及びＮ２からコンセント５に流れる電流と、の和（以下、「合計電流」と称する場合がある。）を検出する。電流センサ１１は、検出信号を、制御装置６に出力する。電流センサ１７は、ノードＮ１及びＮ２からコンセント５に流れる電流を検出する。電流センサ１７は、検出信号を、制御装置６に出力する。

制御装置６は、電源２が電源装置１に電気的に接続されている場合には、合計電流が許容電流以下になるように、双方向インバータ４をスイッチング制御する。また、スイッチング制御部６ａは、電源２が電源装置１に電気的に接続されている場合には、合計電流が正弦波形状になるように、双方向インバータ４を制御する。

図２は、実施の形態の電源回路の具体的な回路構成の一例を示す図である。

双方向インバータ４の２つの入力端子は、チョークコイル１２及び１３を介して、ノードＮ１及びＮ２に夫々電気的に接続されている。

双方向インバータ４は、力率改善コンバータ２１と、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２と、を含む。

力率改善コンバータ２１は、トランジスタ２１ａから２１ｄまでと、コンデンサ２１ｅと、を含む。トランジスタ２１ａから２１ｄまでは、制御装置６内のスイッチング制御部６ａから入力されるスイッチング制御信号によって、スイッチング制御される。

なお、本開示では、各トランジスタがＭＯＳＦＥＴであることとしたが、これに限定されない。各トランジスタは、シリコンパワーデバイス、ＧａＮパワーデバイス、ＳｉＣパワーデバイス、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などでも良い。

各トランジスタは、寄生ダイオード（ボディダイオード）を有する。寄生ダイオードとは、ＭＯＳＦＥＴのバックゲートとソース及びドレインとの間のｐｎ接合である。寄生ダイオードは、トランジスタのオフ時の過渡的な逆起電力を逃すためのフリーホイールダイオードとして利用可能である。

トランジスタ２１ａのソースは、トランジスタ２１ｂのドレインに電気的に接続されている。トランジスタ２１ｃのソースは、トランジスタ２１ｄのドレインに電気的に接続されている。

トランジスタ２１ａのドレイン及びトランジスタ２１ｃのドレインは、コンデンサ２１ｅの一端（高電位側端）に電気的に接続されている。トランジスタ２１ｂのソース及びトランジスタ２１ｄのソースは、コンデンサ２１ｅの他端（低電位側端）に電気的に接続されている。

トランジスタ２１ａのソースとトランジスタ２１ｂのドレインとの接続点が、力率改善コンバータ２１の一方の入力端子である。トランジスタ２１ｃのソースとトランジスタ２１ｄのドレインとの接続点が、力率改善コンバータ２１の他方の入力端子である。コンデンサ２１ｅの両端が、力率改善コンバータ２１の出力端子である。

力率改善コンバータ２１の一方の入力端子は、チョークコイル１２を介して、電源２の一端に電気的に接続されている。力率改善コンバータ２１の他方の入力端子は、チョークコイル１３を介して、電源２の他端に電気的に接続されている。

力率改善コンバータ２１の２つの入力端子には、チョークコイル１２及び１３を介して、交流入力電圧が電源２から入力される。

交流入力電圧が正極性の期間では、トランジスタ２１ａがオン状態、トランジスタ２１ｂがオフ状態、トランジスタ２１ｃがオフ状態、且つ、トランジスタ２１ｄがオン状態になると、電流が電源２→チョークコイル１２→トランジスタ２１ａ→コンデンサ２１ｅ→トランジスタ２１ｄ→チョークコイル１３→電源２の経路に流れる。これにより、コンデンサ２１ｅが蓄電される。

交流入力電圧が負極性の期間では、トランジスタ２１ａがオフ状態、トランジスタ２１ｂがオン状態、トランジスタ２１ｃがオン状態、且つ、トランジスタ２１ｄがオフ状態になると、電流が電源２→チョークコイル１３→トランジスタ２１ｃ→コンデンサ２１ｅ→トランジスタ２１ｂ→チョークコイル１２→電源２の経路に流れる。これにより、コンデンサ２１ｅが蓄電される。

ＤＣ／ＤＣコンバータ２２は、トランジスタ２２ａから２２ｄまで及び２２ｆから２２ｉまでと、トランス２２ｅと、を含む。トランジスタ２２ａから２２ｄまで及び２２ｆから２２ｉまでは、制御装置６内のスイッチング制御部６ａから入力されるスイッチング制御信号によって、スイッチング制御される。

ＤＣ／ＤＣコンバータ２２は、フォワード型のコンバータとするが、本開示はこれに限定されない。ＤＣ／ＤＣコンバータ２２は、フライバック型のコンバータであっても良い。

トランジスタ２２ａのソースは、トランジスタ２２ｂのドレインに電気的に接続されている。トランジスタ２２ｃのソースは、トランジスタ２２ｄのドレインに電気的に接続されている。

トランジスタ２２ａのドレイン及びトランジスタ２２ｃのドレインは、コンデンサ２１ｅの一端（高電位側端）に電気的に接続されている。トランジスタ２２ｂのソース及びトランジスタ２２ｄのソースは、コンデンサ２１ｅの他端（低電位側端）に電気的に接続されている。

トランジスタ２２ａのドレインとトランジスタ２２ｃのドレインとの接続点が、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２の一方の入力端子である。トランジスタ２２ｂのソースとトランジスタ２２ｄのソースとの接続点が、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２の他方の入力端子である。

ＤＣ／ＤＣコンバータ２２の２つの入力端子には、コンデンサ２１ｅの直流電圧が入力される。

トランジスタ２２ａのソースとトランジスタ２２ｂのドレインとの接続点は、トランス２２ｅの１次巻線２２ｅ－１の一端に電気的に接続されている。トランジスタ２２ｃのソースとトランジスタ２２ｄのドレインとの接続点は、トランス２２ｅの１次巻線２２ｅ－１の他端に電気的に接続されている。

実施の形態では、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２がフォワード型のコンバータであるので、トランス２２ｅの１次巻線２２ｅ－１と、２次巻線２２ｅ－２とは、正極性に巻かれている。

トランジスタ２２ｆのソースは、トランジスタ２２ｇのドレインに電気的に接続されている。トランジスタ２２ｈのソースは、トランジスタ２２ｉのドレインに電気的に接続されている。

トランジスタ２２ｈのソース及びトランジスタ２２ｉのドレインは、２次巻線２２ｅ－２の一端に電気的に接続されている。トランジスタ２２ｆのソース及びトランジスタ２２ｇのドレインは、２次巻線２２ｅ－２の他端に電気的に接続されている。

トランジスタ２２ｆのドレインとトランジスタ２２ｈのドレインとの接続点が、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２の一方の出力端子である。トランジスタ２２ｇのソースとトランジスタ２２ｉのソースとの接続点が、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２の他方の出力端子である。

トランジスタ２２ｆのドレインとトランジスタ２２ｈのドレインとの接続点は、コンデンサ１４の一端（高電位端）に電気的に接続されている。トランジスタ２２ｇのソースとトランジスタ２２ｉのソースとの接続点は、コンデンサ１４の他端（低電位端）に電気的に接続されている。

コンデンサ１４は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２の出力電圧を平滑化する。

コンデンサ１４の一端（高電位端）は、チョークコイル１５を介して、負荷３の一端（高電位端）に電気的に接続されている。コンデンサ１４の他端（低電位端）は、負荷３の他端（低電位端）に電気的に接続されている。

制御装置６は、スイッチング制御部６ａと、リレー制御部６ｂと、を含む。

スイッチング制御部６ａは、電源２が電源装置１に電気的に接続されている場合には、合計電流が許容電流以下になるように、双方向インバータ４をスイッチング制御する。また、スイッチング制御部６ａは、合計電流の波形が正弦波形状になるように、双方向インバータ４を制御する。

リレー制御部６ｂは、合計電流、または、コンセント５へ供給される電流が許容電流を超えたら、リレー１６を遮断するように制御する。これにより、電源装置１は、過電流を抑制することができる。

図３は、実施の形態のコンセントに接続される電気機器の一例の等価回路を示す図である。電気機器３１は、コンデンサインプット型の機器の一例である。但し、電気機器３１は、コンデンサインプット型の機器に限定されない。

電気機器３１は、整流回路３１ａと、抵抗３１ｂ及び３１ｄと、コンデンサ３１ｃと、を含む。

整流回路３１ａは、コンセント５に電気的に接続され、コンセント５から供給される交流電力を直流電力に整流する。整流回路３１ａは、ブリッジダイオードが例示されるが、本開示はこれに限定されない。

抵抗３１ｂの一端は、整流回路３１ａの高電位側の出力端子に電気的に接続されている。抵抗３１ｂの他端は、コンデンサ３１ｃの一端及び抵抗３１ｄの一端に電気的に接続されている。コンデンサ３１ｃの他端及び抵抗３１ｄの他端は、整流回路３１ａの低電位側の出力端子に電気的に接続されている。

以上説明したように、電源装置１は、特許文献１記載の充電器とは異なり、ノードＮ１及びＮ２とコンセント５との間に、交流変換回路を備える必要がない。従って、電源装置１は、特許文献１記載の充電器と比較して、回路素子数を抑制することができる。

また、電源装置１は、合計電流、または、コンセント５へ供給される電流が許容電流以下になるように、双方向インバータ４を制御する。更に、電源装置１は、ノードＮ１及びＮ２とコンセント５との間に、リレー１６を備える。そして、電源装置１は、合計電流が許容電流を超えたら、リレー１６を遮断するように制御する。これにより、電源装置１は、過電流を抑制することができる。

また、電源装置１は、合計電流の波形が正弦波形状になるように、双方向インバータ４を制御する。従って、合計電流の波形は正弦波形状になる。これにより、電源装置１は、力率を改善することができる。

本発明の実施の形態を説明したが、実施の形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。実施の形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。実施の形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１電源装置
２電源
３負荷
４双方向インバータ
５コンセント
６制御装置
６ａスイッチング制御部
６ｂリレー制御部
１１電流センサ
１２、１３、１５チョークコイル
１４、２１ｅ、３１ｃコンデンサ
１６リレー
２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ、２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ、２２ｆ、２２ｇ、２２ｈ、２２ｉトランジスタ
２２ｅトランス
３１電気機器
３１ａ整流回路
３１ｂ、３１ｄ抵抗

Claims

交流電源から入力される交流電力を直流電力に変換して負荷に出力できるとともに、前記負荷の直流電力を交流電力に変換できる、双方向インバータと、
前記双方向インバータの交流電力入力側の第１ノード及び第２ノードで、前記双方向インバータに並列接続された、コンセントと、
前記第１ノード及び前記第２ノードと前記コンセントとの間に設けられたリレーと、
前記双方向インバータ及び前記コンセントが前記交流電源に接続されている場合には、前記交流電源から前記双方向インバータに供給される電流と、前記交流電源から前記コンセントに供給される電流と、の合計電流が許容電流以下になるように、前記双方向インバータを制御し、前記双方向インバータ及び前記コンセントが前記交流電源に接続されていない場合には、前記負荷の直流電力を交流電力に変換して前記コンセントに供給するように、前記双方向インバータを制御し、前記合計電流、または、前記コンセントへ供給される電流が許容電流を超えたら、前記リレーを遮断するように制御する、制御装置と、
を含む、
ことを特徴とする、電源装置。
前記制御装置は、
前記双方向インバータ及び前記コンセントが前記交流電源に接続されている場合には、前記合計電流の波形が正弦波形状になるように、前記双方向インバータを制御する、
ことを特徴とする、請求項１に記載の電源装置。
車両に搭載され、
前記負荷がバッテリであり、
前記コンセントに電気機器が接続される、
ことを特徴とする、請求項１または２に記載の電源装置。