(57)【要約】【課題】車高効率で低ノイズの電源装置を提供する。【解決手段】電源装置は、トランス３と、トランス３の一次側に接続され、入力された直流電力を交流電力に変換してトランス３へ出力する直流交流変換回路２と、トランス３の二次側に接続され、トランス３により変圧された交流電力を直流電力に変換する整流回路４とを備える。整流回路４は、トランス３の二次側の一端に、互いに電気的に並列に接続されたスイッチング回路ＳＷＡ１〜ＳＷＡ４の各ＭＯＳＦＥＴ２０と、トランス３の二次側の他端に、互いに電気的に並列に接続されたスイッチング回路ＳＷＢ１〜ＳＷＢ４の各ＭＯＳＦＥＴ２０と、これらのＭＯＳＦＥＴ２０の各々に対してそれぞれ電気的に並列に接続されたコンデンサ２１ａ、２１ｂとを有する。【選択図】図２
2014023391.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力された直流電力を所定電圧の直流電力に電圧変換して外部へ供給する電源装置であって、
トランス回路と、
前記トランス回路の一次側に接続され、前記入力された直流電力を交流電力に変換して前記トランス回路へ出力する直流交流変換回路と、
前記トランス回路の二次側に接続され、前記トランス回路により変圧された交流電力を直流電力に変換する整流回路と、を備え、
前記整流回路は、
前記トランス回路の二次側の一端に、互いに電気的に並列に接続された複数の第１スイッチング素子と、
前記トランス回路の二次側の他端に、互いに電気的に並列に接続された複数の第２スイッチング素子と、
前記第１スイッチング素子および前記第２スイッチング素子の各々に対してそれぞれ電気的に並列に接続された複数のコンデンサ素子とを有することを特徴とする電源装置。
【請求項２】
請求項１に記載の電源装置において、
前記コンデンサ素子の容量は、対応する前記第１スイッチング素子または前記第２スイッチング素子をスイッチングさせたときに生じるサージ電圧が所定の規定電圧未満であり、かつ、立ち上がり時間が所定の規定時間未満となるように設定されることを特徴とする電源装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の電源装置において、
前記複数のコンデンサ素子の容量は、前記複数の第１スイッチング素子および前記複数の第２スイッチング素子をそれぞれスイッチングさせたときの電圧変化特性がいずれも所定の範囲内となるように、それぞれ設定されることを特徴とする電源装置。
【請求項４】
請求項１または２に記載の電源装置において、
前記第１スイッチング素子および前記第２スイッチング素子は、基板に実装するための端子ピンをそれぞれ有し、
前記コンデンサ素子は、前記基板上で、対応する前記第１スイッチング素子または前記第２スイッチング素子の前記端子ピンと隣接した位置に、当該端子ピンと並べて実装されることを特徴とする電源装置。
【請求項５】
請求項４に記載の電源装置において、
前記第１スイッチング素子および前記第２スイッチング素子のうちいずれか少なくとも２つは、前記端子ピン同士が互いに隣接して前記基板に実装され、
前記コンデンサ素子は、前記基板上で、互いに隣接する前記端子ピンと前記端子ピンの間に実装されることを特徴とする電源装置。
【請求項６】
請求項１または２に記載の電源装置において、
前記第１スイッチング素子および前記第２スイッチング素子の各々に対して、電気的に直列に接続された複数の前記コンデンサ素子がそれぞれ設けられていることを特徴とする電源装置。
【請求項７】
請求項１または２に記載の電源装置において、
前記直流交流変換回路は、
前記トランス回路の一次側の一端に接続された第３スイッチング素子と、
前記トランス回路の一次側の他端に接続された第４スイッチング素子と、
前記第３スイッチング素子および前記第４スイッチング素子の各々に対してそれぞれ電気的に並列に接続された複数の一次側コンデンサ素子とを有することを特徴とする電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、入力された直流電力を所定電圧の直流電力に電圧変換する電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、スイッチとトランスを用いて直流電力の電圧変換を行うスイッチング電源装置（ＤＣ／ＤＣコンバータ）が知られている。このような電源装置において、トランスの二次側に設けられた整流回路内のスイッチをスイッチングさせる際に発生するサージ電圧を低減するために、スイッチと並列にスナバ用コンデンサを接続したものが提案されている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−５５９４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
電源装置は、近年では電気自動車、プラグインハイブリッド電気自動車、燃料電池車等の車両に搭載され、モータ駆動用の高圧バッテリーからの直流電力を用いて補機用の低圧バッテリーを充電する際などに利用されている。こうした車両用の電源装置では、バッテリー容量の制限や、他の機器の動作への悪影響を防止する必要性などの理由により、高効率で低ノイズのものとすることが重要である。しかし、特許文献１に開示された電源装置では、この点について必ずしも十分ではない。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明による電源装置は、入力された直流電力を所定電圧の直流電力に電圧変換して外部へ供給するものであって、トランス回路と、トランス回路の一次側に接続され、入力された直流電力を交流電力に変換してトランス回路へ出力する直流交流変換回路と、トランス回路の二次側に接続され、トランス回路により変圧された交流電力を直流電力に変換する整流回路と、を備える。整流回路は、トランス回路の二次側の一端に、互いに電気的に並列に接続された複数の第１スイッチング素子と、トランス回路の二次側の他端に、互いに電気的に並列に接続された複数の第２スイッチング素子と、第１スイッチング素子および第２スイッチング素子の各々に対してそれぞれ電気的に並列に接続された複数のコンデンサ素子とを有する。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、高効率で低ノイズの電源装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の一実施形態による電源装置を含む電源システムの構成を示すブロック図である。
【図２】直流交流変換回路、トランスおよび整流回路の回路構成の一例を示す回路図である。
【図３】コンデンサがある場合のスイッチング時のｄｖ／ｄｔ波形のシミュレーション結果の一例を示す図である。
【図４】コンデンサがない場合のスイッチング時のｄｖ／ｄｔ波形のシミュレーション結果の一例を示す図である。
【図５】整流回路におけるスイッチング回路の各ＭＯＳＦＥＴおよび各コンデンサの部品配置例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下に図面を参照して本発明の一実施形態による電源装置について説明する。図１は、本発明の一実施形態による電源装置を含む電源システムの構成を示すブロック図である。この電源システムは、たとえば電気自動車やハイブリッド自動車など、電気モータで駆動される車両に搭載されて使用される。
【０００９】
図１に示す電源システムは、電源装置１、補機バッテリー９、電装品１０および高圧バッテリー１１を有する。電源装置１および高圧バッテリー１１は、導電性を有する金属製のケース１１１、１２１でそれぞれ覆われており、シールド線１２ａ、１２ｂを介して互いに接続されている。電源装置１のケース１１１は、金属製のボルト１３ａ、１３ｂにより車両のシャーシ８に固定されている。高圧バッテリー１１のケース１２１も同様に、金属製のボルト１３ｃ、１３ｄによりシャーシ８に固定されている。これにより、電源装置１および高圧バッテリー１１がシャーシ８と電気的に接続され、共通の車両アースに接地される。
【００１０】
電源装置１は、直流交流変換回路２、トランス３、整流回路４および制御回路５を備えている。これらはケース１１１内に収納されており、ケース１１１の電位を共通のグランド（ＧＮＤ）電位として接地されている。ケース１１１には、接地用ケーブル７の一端に接続されている金属製のボルト１３ｅが取り付けられている。接地用ケーブル７の他端は、シャーシ８に取り付けられた金属製のボルト１３ｆと接続されている。このようにしてケース１１１とシャーシ８が接地用ケーブル７を介して電気的に接続されることで、前述のボルト１３ａ、１３ｂによる接地に加えて、ボルト１３ｆが取り付けられているシャーシ８の部分を接地点として、さらに電源装置１の接地が行われている。
【００１１】
電源装置１には、シールド線１２ａ、１２ｂを介して高圧バッテリー１１から入力される高電圧の直流電力を交流電力に変換する直流交流変換回路２と、直流交流変換回路２から出力された交流電力を変圧するトランス３と、トランス３にて変圧された交流電力を低電圧の直流電力に変換する整流回路３と、制御回路５とが設けられている。制御回路５は、直流交流変換回路２と整流回路４にそれぞれ設けられたスイッチング素子のオン／オフ制御を行うことで、これらの回路を同期して動作させ、上記のような電力変換を行わせる。これにより、電源装置１は、高圧バッテリー１１から出力される高電圧の直流電力を低電圧の直流電力に電力変換し、その電圧変換後の直流電力を補機バッテリー９および電装品１０へと出力することができる。
【００１２】
なお、電源装置１を双方向に電圧変換可能な構成としてもよい。この場合、補機バッテリー９や電装品１０から入力される低電圧の直流電力を整流回路３により交流電力に変換し、その交流電力をトランス３により変圧した後、直流交流変換回路２で高電圧の直流電力に変換して高圧バッテリー１１へ供給する。
【００１３】
整流回路４の（＋）側出力は、ケース１１１に設けられた出力端子６を介して、補機バッテリー９および電装品１０の（＋）端子と接続されている。一方、整流回路４の（−）側出力は、ボルト１３ｅ、接地用ケーブル７およびボルト１３ｆを介して、補機バッテリー９の（−）端子と接続されている。また、ボルト１３ｅ、接地用ケーブル７、ボルト１３ｆおよびシャーシ８を介して、電装品１０の（−）端子と接続されている。これにより、電源装置１を介して、高圧バッテリー１１から補機バッテリー９および電装品１０へ直流電力が供給される。
【００１４】
図２は、直流交流変換回路２、トランス３および整流回路４の回路構成の一例を示す回路図である。この回路構成において、トランス３の一次側、すなわち高電圧（ＨＶ）側には直流交流変換回路２が接続され、二次側、すなわち低電圧（ＬＶ）側には整流回路４が接続されている。図１の制御回路５の制御によりこれらの回路が協働して動作することで、高圧バッテリー１１からＨＶ（＋）端子とＨＶ（−）端子間に入力された高電圧の直流電力が直流交流変換回路２で交流電力へと変換され、トランス３で変圧された後、整流回路４で同期整流されて低電圧の直流電力に変換される。この変換後の低電圧の直流電力は、ＬＶ（＋）端子とＬＶ（−）端子間に接続された補機バッテリー９や電装品１０へと出力される。なお、前述のように電源装置１を双方向に電圧変換可能な構成とした場合は、電力供給の方向に応じて、上記のような直流交流変換回路２と整流回路４の動作が互いに入れ替わる。
【００１５】
直流交流変換回路２には、スイッチング回路Ｈ１〜Ｈ４で構成されたＨブリッジ回路が設けられている。スイッチング回路Ｈ１、Ｈ２は、トランス３の一次側の一端に接続されており、スイッチング回路Ｈ３、Ｈ４は、トランス３の一次側の他端に接続されている。また整流回路４には、スイッチング回路Ｓ３、Ｓ４、ＳＷＡ１〜ＳＷＡ４およびＳＷＢ１〜ＳＷＢ４で構成されたＨブリッジ回路が設けられている。スイッチング回路Ｓ４およびＳＷＡ１〜ＳＷＡ４は、トランス３の二次側の一端に接続されており、スイッチング回路Ｓ３およびＳＷＢ１〜ＳＷＢ４は、トランス３の二次側の他端に接続されている。直流交流変換回路２および整流回路４におけるこれらのスイッチング回路のうち、たとえばスイッチング回路Ｓ４は、図中に示すように、還流ダイオードを有するスイッチング素子としてのＭＯＳＦＥＴ２０と、コンデンサ２１ａ、２１ｂとによって構成されている。他のスイッチング回路についても同様の構成である。
【００１６】
直流交流変換回路２のＨブリッジ回路において、各スイッチング回路Ｈ１〜Ｈ４は、制御回路５からの制御信号に応じて、所定のスイッチング周波数（たとえば100kHz）でオンオフを交互に繰り返すスイッチング動作を行う。このＨブリッジ回路からの出力は、インダクタＬｒとコンデンサＣｒによって構成されるＬＣ回路を経由して、トランス３の一次側に入力される。そのため、ＨＶ（＋）端子とＨＶ（−）端子間に入力された直流電力が直流交流変換回路２においてゼロ電圧を中心にスイッチングされ、交流電力が生成される。これにより、スイッチング損失を低減して変換効率を向上することができる。
【００１７】
一方、整流回路４のＨブリッジ回路における各スイッチング回路Ｓ３、Ｓ４、ＳＷＡ１〜ＳＷＡ４およびＳＷＢ１〜ＳＷＢ４は、制御回路５からの制御信号に応じて、上記の直流交流変換回路２のＨブリッジ回路と同期したスイッチング動作をそれぞれ行う。整流回路４では、このＨブリッジ回路のスイッチング動作とインダクタＬ１、Ｌ２により、トランス３で変圧された交流電力が直流電力に変換され、ＬＶ（＋）端子とＬＶ（−）端子間に出力される。スイッチング回路ＳＷＡ１〜ＳＷＡ４は互いに電気的に並列に接続されており、これらは同時にスイッチング動作を行う。また同様に、スイッチング回路ＳＷＢ１〜ＳＷＢ４も互いに電気的に並列に接続されており、同時にスイッチング動作を行う。このような構成とすることで、整流回路４では高出力化、高効率化を実現している。
【００１８】
なお、図２の例では、スイッチング回路ＳＷＡ１〜ＳＷＡ４、ＳＷＢ１〜ＳＷＢ４をそれぞれ４つずつ電気的に並列に接続して整流回路４を構成しているが、並列するスイッチング回路の数はこれに限定されない。また、スイッチング回路Ｓ３、Ｓ４についても同様に、複数のスイッチング回路を並列させて構成してもよい。さらに、直流交流変換回路２のスイッチング回路Ｈ１〜Ｈ４についても同様に、複数のスイッチング回路を並列させて構成することも可能である。
【００１９】
直流交流変換回路２および整流回路４の各スイッチング回路では、ＭＯＳＦＥＴ２０のドレイン−ソース間にコンデンサ２１ａ、２１ｂが接続されている。コンデンサ２１ａ、２１ｂは、各スイッチング回路の立ち上がり（Ｒａｔｅ  ｏｆ  Ｒｉｓｅ）特性、すなわちスイッチング時のドレイン−ソース間の電圧変化特性（ｄｖ／ｄｔ特性）を任意の条件に調整することを目的として、各スイッチング回路に設けられたものである。このコンデンサ２１ａ、２１ｂの容量を適切に設定することで、各スイッチング回路において所望のスイッチング速度を確保しつつ、スイッチング時のサージ電圧の発生を抑えることができる。その結果、電源装置１からのノイズ放出を抑制し、所望のＥＭＣ性能を得ることができる。
【００２０】
さらに、電気的に直列に接続された２つのコンデンサ２１ａ、２１ｂを各スイッチング回路に設けているため、いずれか一方のコンデンサが故障した場合にもノイズ抑制効果を保つことができる。なお、図２の例では、各スイッチング回路において２つのコンデンサ２１ａ、２１ｂを電気的に直列に接続することとしたが、接続するコンデンサの数はこれに限定されない。
【００２１】
図３は、図２のスイッチング回路でコンデンサ２１ａ、２１ｂがある場合のスイッチング時のｄｖ／ｄｔ波形のシミュレーション結果の一例を示す図である。一方、図４は、コンデンサ２１ａ、２１ｂがない場合のスイッチング時のｄｖ／ｄｔ波形のシミュレーション結果の一例を示す図である。これらの図では、横軸が時間を、縦軸がドレイン−ソース間電圧を表している。図３と図４のｄｖ／ｄｔ波形を比較すると、図３のｄｖ／ｄｔ波形では、図４のｄｖ／ｄｔ波形に比べて立ち上がり時間が長くなっており、サージ電圧やリンギングが抑制されていることが分かる。
【００２２】
なお、各スイッチング回路におけるコンデンサ２１ａ、２１ｂの容量は、当該スイッチング回路のＭＯＳＦＥＴ２０をスイッチングさせたときにドレイン−ソース間に生じるサージ電圧が所定の規定電圧未満であり、かつ、立ち上がり時間が所定の規定時間未満となるように、それぞれ設定されることが好ましい。このときの規定電圧や規定時間は、電源装置１に対するＥＭＣ性能や電圧変換性能の要求値等に基づいて定めることができる。
【００２３】
また、各スイッチング回路におけるコンデンサ２１ａ、２１ｂの容量を、各スイッチング回路のＭＯＳＦＥＴ２０をスイッチングさせたときのドレイン−ソース間の電圧変化特性（ｄｖ／ｄｔ特性）がいずれも所定の範囲内となるように、それぞれ設定してもよい。このようにすれば、各スイッチング回路間でのＭＯＳＦＥＴ２０の特性のばらつきを抑え、各スイッチング回路のスイッチング動作を高精度に制御することができる。特に、並列に接続されており同時にスイッチング動作される整流回路４のスイッチング回路ＳＷＡ１〜ＳＷＡ４およびＳＷＢ１〜ＳＷＢ４については、これらのスイッチング動作の同時性が向上されるため、さらなる高出力化や高効率化を図ることができる。
【００２４】
以上説明したような容量設定を容易に実現できるようにするため、コンデンサ２１ａ、２１ｂとして可変容量型のコンデンサを用いてもよい。可変容量型のコンデンサとしては、たとえば、調整用の回転軸を回転させることで対向する電極の面積や距離を機械的に変化させるものや、逆バイアス電圧に応じて容量を変化させるバラクタダイオード等が周知である。
【００２５】
図５は、整流回路４におけるスイッチング回路Ｓ３、Ｓ４、ＳＷＡ１〜ＳＷＡ４およびＳＷＢ１〜ＳＷＢ４の各ＭＯＳＦＥＴ２０および各コンデンサ２１ａ、２１ｂの部品配置例を示す図である。この図に示すように、各ＭＯＳＦＥＴ２０は基板３０に実装するための端子ピンをそれぞれ有しており、各コンデンサ２１ａ、２１ｂは対応するＭＯＳＦＥＴ２０の端子ピンの近傍に配置されている。特に、スイッチング回路ＳＷＡ１〜ＳＷＡ４およびＳＷＢ１〜ＳＷＢ４の各コンデンサ２１ａ、２１ｂは、基板３０上で、対応するＭＯＳＦＥＴ２０の端子ピンと隣接した位置に、当該端子ピンと並べて実装されている。また、スイッチング回路ＳＷＡ２〜ＳＷＡ４およびＳＷＢ２〜ＳＷＢ４の各ＭＯＳＦＥＴ２０は、端子ピン同士が互いに隣接して基板３０に実装されている。これらのスイッチング回路の各コンデンサ２１ａ、２１ｂは、基板３０上で、互いに隣接する２つのＭＯＳＦＥＴ２０の端子ピンと端子ピンの間に実装されている。たとえばこのような部品配置とすることで、スイッチング時のサージ電圧やリンギングを効果的に抑制することができる。
【００２６】
以上説明した実施の形態によれば、次の作用効果を奏する。
【００２７】
（１）電源装置１は、入力された直流電力を所定電圧の交流電力に電圧変換して外部へ供給するものであり、トランス３と、トランス３の一次側に接続され、電源装置１に入力された直流電力を交流電力に変換してトランス３へ出力する直流交流変換回路２と、トランス３の二次側に接続され、トランス３により変圧された交流電力を直流電力に変換する整流回路４とを備える。整流回路４は、トランス３の二次側の一端に、互いに電気的に並列に接続されたスイッチング回路ＳＷＡ１〜ＳＷＡ４の各ＭＯＳＦＥＴ２０と、トランス３の二次側の他端に、互いに電気的に並列に接続されたスイッチング回路ＳＷＢ１〜ＳＷＢ４の各ＭＯＳＦＥＴ２０と、これらのＭＯＳＦＥＴ２０の各々に対してそれぞれ電気的に並列に接続されたコンデンサ２１ａ、２１ｂとを有する。このようにしたので、高効率で低ノイズの電源装置１を提供することができる。
【００２８】
（２）コンデンサ２１ａ、２１ｂの容量は、対応するＭＯＳＦＥＴ２０をスイッチングさせたときに生じるサージ電圧が所定の規定電圧未満であり、かつ、立ち上がり時間が所定の規定時間未満となるように設定されることが好ましい。このようにすることで、所望のＥＭＣ性能や電圧変換性能を満たす電源装置１を実現できる。
【００２９】
（３）また、コンデンサ２１ａ、２１ｂの容量は、スイッチング回路ＳＷＡ１〜ＳＷＡ４およびＳＷＢ１〜ＳＷＢ４の各ＭＯＳＦＥＴ２０をそれぞれスイッチングさせたときの電圧変化特性がいずれも所定の範囲内となるように、それぞれ設定されてもよい。このようにすることで、スイッチング回路ＳＷＡ１〜ＳＷＡ４およびＳＷＢ１〜ＳＷＢ４のスイッチング動作の同時性を向上して、電源装置１のさらなる高出力化や高効率化を図ることができる。
【００３０】
（４）スイッチング回路ＳＷＡ１〜ＳＷＡ４およびＳＷＢ１〜ＳＷＢ４の各ＭＯＳＦＥＴ２０は、基板３０に実装するための端子ピンをそれぞれ有しており、これらのスイッチング回路の各コンデンサ２１ａ、２１ｂは、基板３０上で、対応するＭＯＳＦＥＴ２０の端子ピンと隣接した位置に、当該端子ピンと並べて実装される。さらに、スイッチング回路ＳＷＡ２〜ＳＷＡ４およびＳＷＢ２〜ＳＷＢ４の各ＭＯＳＦＥＴ２０は、端子ピン同士が互いに隣接して基板３０に実装され、これらのスイッチング回路の各コンデンサ２１ａ、２１ｂは、基板３０上で、互いに隣接する２つのＭＯＳＦＥＴ２０の端子ピンと端子ピンの間に実装される。このような部品配置とすることで、スイッチング時のサージ電圧やリンギングを効果的に抑制することができる。
【００３１】
（５）スイッチング回路ＳＷＡ１〜ＳＷＡ４およびＳＷＢ１〜ＳＷＢ４の各ＭＯＳＦＥＴ２０に対して、電気的に直列にされた複数のコンデンサ２１ａ、２１ｂがそれぞれ設けられている。このようにしたので、いずれかのコンデンサが故障した場合にもノイズ抑制効果を保つことができる。
【００３２】
（６）直流交流変換回路２は、トランス３の一次側の一端に接続されたスイッチング回路Ｈ１、Ｈ２の各ＭＯＳＦＥＴ２０と、トランス３の一次側の他端に接続されたスイッチング回路Ｈ３、Ｈ４の各ＭＯＳＦＥＴ２０と、これらのＭＯＳＦＥＴ２０の各々に対してそれぞれ電気的に並列に接続されたコンデンサ２１ａ、２１ｂとを有する。このようにしたので、電源装置１から発生されるノイズをさらに抑制することができる。
【００３３】
以上、本発明の一実施形態を詳細に説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、技術思想の範囲内で適宜変更可能である。たとえば、上記実施形態では、電気自動車やハイブリッド自動車等の車両に搭載される電源システムの一部である電源装置１を例として説明したが、これ以外の用途に用いる電源装置であってもよい。たとえば、ガソリンエンジンやディーゼルエンジンを駆動源として走行する通常の自動車や、電車等の他の種類の車両に搭載される電源装置に本発明を適用してもよいし、車両以外のものに搭載される電源装置に本発明を適用してもよい。
【００３４】
以上説明した実施形態や各種の変形例はあくまで一例であり、発明の特徴が損なわれない限り、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。
【符号の説明】
【００３５】
１  電源装置
２  直流交流変換回路
３  トランス
４  整流回路
５  制御回路
２０  ＭＯＳＦＥＴ
２１ａ、２１ｂ  コンデンサ
【図１】
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【図２】
2014023391.tif 000004
【図３】
2014023391.tif 000005
【図４】
2014023391.tif 000006
【図５】
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