JPH11112301A

JPH11112301A - 電源回路

Info

Publication number: JPH11112301A
Application number: JP27117097A
Authority: JP
Inventors: Takahide Iida; 隆英飯田
Original assignee: Toyoda Automatic Loom Works Ltd
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 1997-10-03
Filing date: 1997-10-03
Publication date: 1999-04-23

Abstract

(57)【要約】【課題】スイッチを備える電源回路においてそのスイ
ッチのオン損失を低減させることにより電源回路全体の
損失を低減させる。【解決手段】整流器２は、交流電源１の出力を整流す
る。整流器２にコイルＬが接続され、さらにそのコイル
Ｌに直列にＨブリッジ回路３が接続されている。Ｈブリ
ッジ回路３にはトランス５が接続され、そのトランス５
の２次側に整流器６が設けられている。整流器６の出力
がＤＣ出力である。Ｈブリッジ回路３に並列に補助スイ
ッチ２１を設ける。制御回路２２は、補助スイッチ２１
およびＨブリッジ回路を構成する各スイッチング素子を
制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電源回路に係わ
り、特に、交流電源から得られる電力を利用して大容量
のバッテリを充電する電源回路に係わる。

【０００２】

【従来の技術】近年、産業用機器、電気自動車、家電機
器、ＯＡ機器などの様々な分野においてパワーエレクト
ロニクス技術が広く利用されている。これら機器等は、
商用の交流電源から得られる電力を用いて搭載している
バッテリを充電したり、あるいは商用の交流電源から変
換した直流電圧を用いて内部回路を動作させることが多
い。一例として、商用の交流電源を用いてバッテリを充
電する充電器を採り上げてその構成を説明する。

【０００３】図６は、従来の電源回路の一例として採り
上げた充電器の構成図である。この充電器は、制御回路
４の制御に従ってバッテリ１１に供給する電力を調整し
ながらバッテリ１１を充電する。

【０００４】交流電源１は、商用の交流電源であり、５
０／６０Ｈｚの周波数の交流を出力する。整流器２は、
交流電源の出力を整流（たとえば、全波整流）する。Ｈ
ブリッジ回路３は、制御回路４の制御に従ってトランス
５に流す電流を変化させる。なお、Ｈブリッジ回路３
は、４つのスイッチング素子ｃｈ１〜ｃｈ４を含み、各
スイッチング素子は、制御回路４により生成される制御
信号に従ってオン／オフ制御される。制御回路４は、バ
ッテリ１１の仕様、充電状態、または充電方法などに基
づいてバッテリ１１を充電する際の電力（あるいは、電
流）を決定し、それに従ってＨブリッジ回路３を構成す
る各スイッチング素子を制御するための制御信号を生成
する。トランス５は、その巻線比に従って１次側の電力
を２次側に伝える。そして、整流器６がトランス５の出
力を整流して出力する。この出力がバッテリ１１に供給
される。

【０００５】Ｈブリッジ回路３の動作を説明する。Ｈブ
リッジ回路３は、基本的に、以下の３つの状態をとる。状態Ａ：スイッチング素子ｃｈ１〜ｃｈ４が全てオン状
態状態Ｂ：スイッチング素子ｃｈ１およびｃｈ４がオン状
態であり、かつスイッチング素子ｃｈ２およびｃｈ３が
オフ状態状態Ｃ：スイッチング素子ｃｈ１およびｃｈ４がオフ状
態であり、かつスイッチング素子ｃｈ２およびｃｈ３が
オン状態制御回路４は、Ｈブリッジ回路３に状態Ａ→状態Ｂ→状
態Ａ→状態Ｃ→状態Ａという遷移をサイクリックに繰り
返させるための制御信号を出力する。Ｈブリッジ回路３
を状態Ａにすると、すべてのスイッチング素子ｃｈ１〜
ｃｈ４に電流が流れ、コイルＬにエネルギーが蓄積され
る。このとき、各スイッチング素子の特性が同じである
ものとすると、点Ｐの電位と点Ｑの電位とが互いに同じ
になり、トランス５の１次側コイルには電流は流れな
い。続いて、Ｈブリッジ回路３を状態Ｂにすると、コイ
ルＬに蓄えられているエネルギーは、スイッチング素子
ｃｈ１、トランス５の１次側コイル、スイッチング素子
ｃｈ４を介して流れる電流として放出される。

【０００６】この後、Ｈブリッジ回路３を再び状態Ａに
することにより、コイルＬにエネルギーを蓄積する。そ
して、Ｈブリッジ回路３を状態Ｃして、コイルＬに蓄え
られているエネルギーを、スイッチング素子ｃｈ３、ト
ランス５の１次側コイル、スイッチング素子ｃｈ２を介
して流れる電流として放出させる。すなわち、Ｈブリッ
ジ回路３が状態Ｂ、状態Ｃのときは、トランス５の１次
側コイルには互いに反対方向の電流が流れ、また、状態
Ａのときは、トランス５の１次側コイルには電流が流れ
ない。

【０００７】このように、制御回路４およびＨブリッジ
回路３は、バッテリ１１に供給する電力を制御する役割
を担うとともに、交流電源１から供給される交流を異な
る周波数の交流に変換する役割も担っている。

【０００８】上述のようにしてトランス５の１次側に交
流電流が供給されると、そのエネルギーはトランス５の
２次側に放出される。そして、整流器６がそのトランス
５の出力を整流（平滑化）することによりＤＣ電圧を出
力する。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上記構成の充電器にお
いては、コイルＬにエネルギーを蓄積する工程、すなわ
ちＨブリッジ回路３を状態Ａにする工程は必須である。
ところが、Ｈブリッジ回路３を状態Ａとすると、全ての
スイッチング素子ｃｈ１〜ｃｈ４に電流が流れ、それら
全てのスイッチング素子において損失（オン損失）が発
生するので、Ｈブリッジ回路３における消費電力が大き
くなってしまう。

【００１０】このような問題点は、上記構成の充電器の
みに発生するものではなく、エネルギーを蓄積するため
のコイル、およびそのコイルへのエネルギー蓄積とその
コイルからのエネルギー放出とを切り換えるスイッチを
備える電源回路において発生し得る。

【００１１】本発明の課題は、電源回路の損失を低減さ
せることであり、詳しくは、スイッチを備える電源回路
においてそのスイッチのオン損失を低減させることによ
り電源回路全体の損失を低減させることである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明の電源回路は、エ
ネルギーを蓄積するためのコイルを有する構成を前提と
し、複数のスイッチを含み上記コイルに接続されるスイ
ッチ回路と、そのスイッチ回路に並列に設けられる補助
スイッチと、上記スイッチ回路および上記補助スイッチ
を互いに同期させながらスイッチングさせる制御回路と
を有する。そして、この制御回路が、上記コイルにエネ
ルギーを蓄積する期間には上記補助スイッチをオン状態
とする。

【００１３】このような構成とすれば、スイッチ回路の
状態に係わらず、補助スイッチをオン状態にすることに
より上記コイルにエネルギーを蓄積することがでる。こ
のため、スイッチ回路において電力を消費することなく
上記コイルにエネルギーを蓄積できる。

【００１４】スイッチ回路をＨブリッジ回路とした場
合、制御回路は、補助スイッチをオフ状態にする期間に
は、そのＨブリッジ回路を短絡させないように制御す
る。

【００１５】

【発明の実施の形態】本発明の実施形態について図面を
参照しながら説明する。以下では、本発明の電源回路の
一実施形態として、電気自動車などに搭載される大容量
のバッテリを充電する充電器を採り上げてその構成およ
び動作を説明する図１は、本実施形態の充電器の構成図
である。図１において使用する符号のうち、図６におい
ても使用した符号は同じものを指す。図１に示す本実施
形態の充電器は、図６に示した従来の充電器と比較する
と、Ｈブリッジ回路３に並列に補助スイッチ２１を設け
た点が異なっている。補助スイッチ２１は、たとえば、
パワートランジスタであり、ここでは、その制御端子に
「Ｈ」レベルが印加されたときにオン状態になるものと
する。また、補助スイッチ２１を設けたことに伴って、
従来の充電器と本実施形態の充電器とでは、その制御回
路の構成も異なっている。

【００１６】この充電器では、コイルＬにエネルギーを
蓄積する際には、補助スイッチ２１をオン状態にするこ
とにより補助スイッチ２１を介して電流を流す。このと
き、Ｈブリッジ回路３には、殆ど電流が流れない。すな
わち、例えば、スイッチング素子ｃｈ１〜ｃｈ４および
補助スイッチ２１のオン電圧が互いに同じであるものと
すると、補助スイッチ２１がオン状態になると、Ｈブリ
ッジ回路３に印加される電圧は、補助スイッチ２１のオ
ン電圧を同じ電圧になる。ところが、Ｈブリッジ回路３
は、スイッチング素子が２つずつ直列に接続された構成
であるので、各スイッチング素子ｃｈ１〜ｃｈ４に印加
される電圧は、補助スイッチ２１のオン電圧よりも小さ
な電圧（基本的には、補助スイッチ２１のオン電圧の半
分）となるので、それら各スイッチング素子ｃｈ１〜ｃ
ｈ４は、オン状態となることはない。従って、補助スイ
ッチ２１をオン状態にすると、Ｈブリッジ回路３には殆
ど電流が流れず、結果として、トランス５の１次側コイ
ルにも電流が流れない。

【００１７】このコイルＬに蓄積されたエネルギーをト
ランス５の１次側コイルに流す際には、補助スイッチ２
１をオフ状態にする。そして、Ｈブリッジ回路３におい
て、第１のスイッチング素子組（ｃｈ１、ｃｈ４）また
は第２のスイッチング素子組（ｃｈ２、ｃｈ３）のうち
の一方の組の各スイッチング素子をオン状態、他方の組
の各スイッチング素子をオフ状態にする。すなわち、ス
イッチング素子ｃｈ１およびｃｈ４をオン状態にすると
共にスイッチング素子ｃｈ２およびｃｈ３をオフ状態に
すれば、トランス５の１次側コイルには、矢印Ａで示す
方向に電流が流れ、反対に、スイッチング素子ｃｈ１お
よびｃｈ４をオフ状態にすると共にスイッチング素子ｃ
ｈ２およびｃｈ３をオン状態にすれば、トランス５の１
次側コイルには、矢印Ｂで示す方向に電流が流れる。

【００１８】本実施形態の充電器では、上述したコイル
Ｌにエネルギーを蓄積する工程と、トランス５の１次側
コイルの所定の方向に電流を流す工程とを適切に組み合
わせることにより、トランス５の１次側コイルに交流を
供給する。このようにしてトランス５の１次側に交流電
流が供給されると、そのエネルギーはトランス５の２次
側に放出される。そして、整流器６がそのトランス５の
出力を整流（平滑化）することによりＤＣ電圧を出力す
る。

【００１９】図２は、制御回路２２により生成される制
御信号、及びその制御信号に従ってトランスに流れる電
流を説明する図である。補助スイッチ２１への制御信号
（以下、制御信号ａ）は、この充電器の出力電圧、出力
電流、及びバッテリ１１の充電状態等によって決まるデ
ューティを持ったパルス信号である。スイッチング素子
ｃｈ１およびｃｈ４は、制御信号ｂにより制御され、ス
イッチング素子ｃｈ２およびｃｈ３は、制御信号ｃによ
り制御される。制御信号ｂおよびｃは、制御信号ａが
「Ｌ」レベルである期間に、一方が「Ｈ」レベル、他方
が「Ｌ」レベルとなるように制御される。このとき、制
御信号ｂおよびｃは、制御信号ａが「Ｌ」レベルとなる
毎に互いに「Ｈ」レベルと「Ｌ」レベルとを交互に繰り
返すように制御される。なお、制御信号ａ〜ｃは、制御
信号ａが「Ｌ」レベルとなっている期間には、制御信号
ｂおよびｃが同時に「Ｈ」レベルにならないように制御
される。即ち、時刻Ｔ1 〜Ｔ2 および時刻Ｔ3 〜Ｔ4 に
おいて制御信号ａが「Ｌ」レベルとなる場合には、制御
信号ｂは、時刻Ｔ1 よりも早い時刻である時刻Ｔ5 に
「Ｈ」レベルから「Ｌ」レベルに切り替わり、時刻Ｔ2
よりも遅い時刻である時刻Ｔ6 に「Ｌ」レベルから
「Ｈ」レベルに切り替わる。同様に、制御信号ｃは、時
刻Ｔ3 よりも早い時刻である時刻Ｔ7 に「Ｈ」レベルか
ら「Ｌ」レベルに切り替わり、時刻Ｔ4 よりも遅い時刻
である時刻Ｔ8 に「Ｌ」レベルから「Ｈ」レベルに切り
替わる。

【００２０】上記制御信号ａ〜ｃが生成されたときのＨ
ブリッジ回路３の動作およびトランス５に流れる電流を
説明する。時刻Ｔ0 において制御信号ａが「Ｈ」レベル
になると、補助スイッチ２１がオン状態になる。補助ス
イッチ２１がオン状態になると、コイルＬにエネルギー
が蓄積されていく。なお、上述したように、補助スイッ
チ２１がオン状態の期間は、Ｈブリッジ回路３の各スイ
ッチング素子ｃｈ１〜ｃｈ４は、制御信号ｂおよびｃに
係わらず実質的にオフ状態となっている。したがって、
トランス５の一次側コイルには電流は流れない。

【００２１】時刻Ｔ1 において、制御信号ａが「Ｌ」レ
ベルになり、補助スイッチ２１がオフ状態になると、Ｈ
ブリッジ回路３は、制御信号ｂおよびｃに従って電流を
流すことによってコイルＬに蓄積されたエネルギーを放
出する。ここでは、時刻Ｔ1〜Ｔ2 において制御信号ｂ
が「Ｌ」レベル、制御信号ｃが「Ｈ」レベルになってい
るので、スイッチング素子ｃｈ１およびｃｈ４がオフ状
態となると共に、スイッチング素子ｃｈ２およびｃｈ３
がオン状態になる。この結果、トランス５の一次側コイ
ルには、図１の矢印Ｂで示す方向に電流が流れる。

【００２２】時刻Ｔ2 〜Ｔ3 においては、時刻Ｔ0 〜時
刻Ｔ1 と同様に、補助スイッチ２１がオン状態になるこ
とによってコイルＬにエネルギーが蓄積されていく。ま
た、この間、Ｈブリッジ回路３の各スイッチング素子ｃ
ｈ１〜ｃｈ４は実質的にオフ状態となり、トランス５の
一次側コイルには電流は流れない。

【００２３】時刻Ｔ3 〜Ｔ4 においては、時刻Ｔ1 〜Ｔ
2 と同様に、Ｈブリッジ回路３が制御信号ｂおよびｃに
従って電流を流すことによってコイルＬに蓄積されてい
るエネルギーを放出する。但し、この期間は、制御信号
ｂが「Ｈ」レベル、制御信号ｃが「Ｌ」レベルになって
いるので、スイッチング素子ｃｈ１およびｃｈ４がオン
状態となると共に、スイッチング素子ｃｈ２およびｃｈ
３がオフ状態になり、トランス５の一次側コイルには、
図１の矢印Ａで示す方向に電流が流れる。そして、時刻
Ｔ4 以降は、時刻Ｔ0 〜Ｔ4 の動作を繰り返す。

【００２４】図３(a) は、制御回路２２の要部構成図で
ある。発振器３１は、所定周波数のパルス信号を出力す
る。このパルス信号のデューティは、たとえば、５０パ
ーセントである。三角波生成回路３２は、上記パルス信
号を使用して三角波を生成する。コンパレータ３３は、
この充電器の出力電圧、出力電流、及びバッテリ１１の
充電状態などによって決まる電位レベルと、上記三角波
のレベルとを比較し、その比較結果に従ってパルス信号
を出力する。遅延回路３４は、コンパレータ３３の出力
を遅延させる。オア回路３５は、コンパレータ３３の出
力と遅延回路３４の出力との論理和を出力する。アンド
回路３６は、コンパレータ３３の出力と遅延回路３４の
出力との論理積を出力する。上記回路上のいくつかの点
における信号を図３(b) に示す。

【００２５】制御回路２２の出力である制御信号ａ〜ｃ
は、以下のようにして得る。制御信号ａは、オア回路３
５の出力をそのまま使用する。制御回路ｂおよびｃは、
アンド回路３６の出力信号の立上りエッジおよび立下り
エッジを利用して生成する。すなわち、アンド回路３６
の出力信号の１組の立上りエッジおよび立下りエッジを
制御信号ｂおよびｃに対して交互に割り当てるようにし
てそれら制御信号ｂおよびｃを生成する。

【００２６】図４は、本実施形態の構成および従来の構
成における消費電力を比較する図である。ここでは、コ
イルＬにエネルギーを蓄積する期間における消費電力を
比較する。本実施形態の構成を図４(a) に、従来の構成
を図４(b) に示す。

【００２７】本実施形態の構成では、コイルＬにエネル
ギーを蓄積する際には、補助スイッチ２１をオン状態に
する。このとき、補助スイッチ２１には、３０Ａの電流
が流れるものとする。ところが、補助スイッチ２１をオ
ン状態にすると、上述したように、Ｈブリッジ回路３に
は電流は流れない。すなわち、Ｈブリッジ回路３におい
ては、電力は消費されない。したがって、コイルＬにエ
ネルギーを蓄積する際の消費電力は、補助スイッチ２１
のオン抵抗を２Ｖとすると、６０Ｗとなる。

【００２８】一方、従来の構成では、コイルＬにエネル
ギーを蓄積する際には、Ｈブリッジ回路３を構成する全
てのスイッチング素子ｃｈ１〜ｃｈ４を同時にオン状態
にしていた。従って、各スイッチング素子ｃｈ１〜ｃｈ
４のオン抵抗を補助スイッチ２１と同じ２Ｖとすると、
消費電力は、全体として１２０Ｗとなる。

【００２９】このように、本実施形態の構成を導入する
ことにより、コイルＬにエネルギーを蓄積する際の消費
電力を小さくすることができる。なお、上述の例の場
合、補助スイッチ２１では６０Ｗを消費するが、従来の
構成の各スイッチング素子ｃｈ１〜ｃｈ４の消費電力
は、それぞれ３０Ｗであるので、補助スイッチ２１の容
量を従来の構成の各スイッチング素子ｃｈ１〜ｃｈ４の
容量よりも大きくする必要がある。ただし、本実施形態
では、コイルＬにエネルギーを蓄積する際にＨブリッジ
回路３には電流が流れないこと、および各スイッチング
素子ｃｈ１〜ｃｈ４の損失をほとんど０にできることに
より、各スイッチング素子ｃｈ１〜ｃｈ４の容量を従来
の構成における各スイッチング素子ｃｈ１〜ｃｈ４の容
量よりも小さくすることができる。このことは、部品コ
ストの低下に寄与する。

【００３０】図５(a) は、補助スイッチ２１およびＨブ
リッジ回路３を制御するための制御信号の変形例を示す
図である。図５に示す方式では、スイッチング素子ｃｈ
１およびｃｈ４に対する制御信号（制御信号ｂ’）およ
びスイッチング素子ｃｈ２およびｃｈ３に対する制御信
号（制御信号ｃ’）は、互いにその論理が反転させられ
た信号である。そして、これらの制御信号ｂ’および
ｃ’が「Ｌ」レベルから「Ｈ」レベル、或いは「Ｈ」レ
ベルから「Ｌ」レベルに変化するタイミングは、補助ス
イッチ２１に対する制御信号（制御信号ａ’）が「Ｈ」
レベルである期間内とする。このような制御信号ａ’〜
ｃ’は、たとえば、図５(b) に示すような回路により生
成される。なお、分周器３７は、適当なタイミングで発
振器３１の出力を２分周する。このように、図５に示す
方式では、制御回路の構成を簡略化できる。

【００３１】なお、上記実施形態では、本発明の電源回
路を適用する対象の装置として充電器を採り上げている
が、本発明は、これに限定されるものではなく、エネル
ギーを蓄積するためのコイルを有し、スイッチを用いて
そのコイルへのエネルギー蓄積およびそのコイルからの
エネルギー放出を制御する電源回路に広く使用すること
ができる。

【００３２】

【発明の効果】本発明によれば、エネルギーを蓄積する
ためのコイルを有する電源回路において、そのコイルか
らのエネルギー放出を制御する主スイッチに並列に補助
スイッチを設け、そのコイルにエネルギーを蓄積する際
に補助スイッチをオン状態にすることによって主スイッ
チに電流を流さないようにしたので、消費電力を小さく
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施形態の充電器の構成図である。

【図２】制御回路により生成される制御信号、及びその
制御信号に従ってトランスに流れる電流を説明する図で
ある。

【図３】(a) は、制御回路の要部構成図であり、(b)
は、この回路上の信号を示す図である。

【図４】本実施形態の構成および従来の構成における消
費電力を比較する図である。

【図５】(a) は、本発明の変形例の制御信号を示す図で
あり、(b) は、その制御信号を生成する回路の例を示す
図である。

【図６】従来の電源回路の一例として採り上げた充電器
の構成図である。

【符号の説明】

１交流電源２、６整流器３Ｈブリッジ回路５トランス１１バッテリ２１補助スイッチ２２制御回路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】エネルギーを蓄積するためのコイルを有
する電源回路であって、複数のスイッチを含み、上記コイルに接続されるスイッ
チ回路と、そのスイッチ回路に並列に設けられる補助スイッチと、上記スイッチ回路および上記補助スイッチを互いに同期
させながらスイッチングさせる制御回路と、を有する電源回路。
【請求項２】上記制御回路は、上記コイルにエネルギ
ーを蓄積する期間には上記補助スイッチをオン状態とす
る請求項１に記載の電源回路。
【請求項３】上記スイッチ回路はＨブリッジ回路であ
り、上記制御回路は、上記補助スイッチをオフ状態にする期
間には、そのＨブリッジ回路を短絡させないように制御
する請求項１に記載の電源回路。
【請求項４】交流電源から得る電力を用いてバッテリ
を充電する充電器であって、交流電源の出力を整流する整流器と、上記整流器の出力に接続され、エネルギーを蓄積するコ
イルと、そのコイルに接続され、第１〜第４のスイッチを備える
Ｈブリッジ回路と、そのＨブリッジ回路に並列に接続される補助スイッチ
と、上記Ｈブリッジ回路に１次側コイルが接続されるトラン
スと、そのトランスの２次側出力を平滑化して上記バッテリに
供給する整流器と、上記コイルにエネルギーを蓄積する期間には、上記補助
スイッチをオン状態にする制御信号を出力し、上記コイ
ルからエネルギーを放出させる期間には、上記補助スイ
ッチをオフ状態にすると共に上記第１および第４のスイ
ッチまたは上記第２および第３のスイッチのいずれか１
組をオン状態にする制御信号を出力する制御回路と、を有する電源回路。