(57)【要約】【課題】ＡＣ電源から絶縁された電力を作り出し、バッテリーに充電する事ができる充電装置を小型化する。【解決手段】ＡＣ電源を入力とする非絶縁型コンバータ１と、非絶縁型コンバータ１の出力を入力とする絶縁型コンバータ２と、絶縁型コンバータ２の出力に接続されたバッテリーとで構成される充電装置において、非絶縁型コンバータ１と絶縁型コンバータ２には交流電力を平滑する電解コンデンサを内蔵させず、絶縁型コンバータ２には電圧を調整する機能を持たせない。【選択図】図１
2014053992.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電源を入力とする第一の非絶縁型コンバータと、
前記第一の非絶縁型コンバータの出力を入力とする絶縁型コンバータと、
前記絶縁型コンバータの出力に接続されたバッテリーと、
で構成される充電装置において、
前記第一の非絶縁型コンバータはチョークとスイッチ素子を有し、
前記絶縁型コンバータはトランスと、複数の一次側スイッチ素子を有し
前記第一の非絶縁型コンバータと前記絶縁型コンバータには前記交流電源から出力される交流電力を平滑する電解コンデンサが含まれておらず、
前記絶縁型コンバータには電圧を調整する機能が含まれていないことを特徴とする充電装置。
【請求項２】
交流電源を入力とする第一の非絶縁型コンバータと、
前記第一の非絶縁型コンバータの出力を入力とする絶縁型コンバータと、
前記絶縁型コンバータの出力を入力とする第二の非絶縁型コンバータと、
前記第二の非絶縁型コンバータの出力に接続されたバッテリーと、
で構成される充電装置において、
前記第一の非絶縁型コンバータはチョークとスイッチ素子を有し、
前記絶縁型コンバータはトランスと、複数の一次側スイッチ素子を有し、
前記第二の非絶縁型コンバータはコンデンサ、チョークとスイッチ素子を有し
前記第一の非絶縁型コンバータと前記絶縁型コンバータと前記第二の非絶縁型コンバータには前記交流電源から出力される交流電力を平滑する電解コンデンサが含まれておらず、
前記絶縁型コンバータには電圧を調整する機能が含まれていないことを特徴とする充電装置。
【請求項３】
前記絶縁型コンバータは、全ての前記一次側スイッチ素子が同時にオフになる期間が存在しないようにしてある事を特徴とする、
請求項１または請求項２の充電装置。
【請求項４】
前記絶縁型コンバータの全ての一次側スイッチ素子がオフになる期間に、前記第一の非絶縁型コンバータの出力電流がゼロになるようにしてあることを特徴とする、
請求項１または請求項２の充電装置。
【請求項５】
前記第一の非絶縁型コンバータが力率改善機能を持つ事を特徴とする、
請求項１、請求項２、請求項３または請求項４の充電装置。
【請求項６】
前記第一の非絶縁型コンバータが昇圧チョッパ型力率改善コンバータである事を特徴とする、
請求項５の充電装置。
【請求項７】
前記絶縁型コンバータがフルブリッジコンバータである事を特徴とする、
請求項１、請求項２、請求項３、請求項４または請求項５の充電装置。
【請求項８】
前記絶縁型コンバータにトランスの一次巻線と直列に接続されたコンデンサが含まれ、
前記コンデンサが特定の方向に連続的に充電されながら、緊急停止する機能を持つ事を特徴とする、
請求項７の充電装置
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、交流電源を入力とする非絶縁型コンバータと、この非絶縁型コンバータの出力を入力とする絶縁型コンバータとを備える充電装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図４は、従来の充電装置を示す回路図の一例である。この充電装置は、力率改善機能を持つ非絶縁型コンバータ１と、絶縁機能を持つコンバータ２（以下、「絶縁型コンバータ」という。）の二つのコンバータで構成されている。
【０００３】
非絶縁型コンバータ１は出力電圧を一定に保ちつつ、入力電流波形を入力電圧波形と相似の波形とし、両者の位相を一致させることで、入力の力率をほぼ１にする機能を持つコンバータである。入力リップル電流が小さい特徴を持つ昇圧チョッパが利用されることが多い。
【０００４】
図４に例として挙げた従来の充電装置の非絶縁型コンバータ１は、昇圧チョッパ型力率改善コンバータである。具体的には、４つのダイオード３１〜３４で構成したブリッジダイオードを有し、このブリッジダイオードの交流端子は交流電源４に接続し、アノード側の直流端子はスイッチ素子２１の一端に接続してあるとともに、絶縁型コンバータ２の一方の入力端子に接続してある。また、カソード側の直流端子はチョーク５１の一端に接続してある。チョーク５１の他端はスイッチ素子２１の他端に接続してあるとともに、ダイオード３５のアノードに接続してある。ダイオード３５のカソードは絶縁型コンバータ２の他方の入力端子に接続してあるとともに、電解コンデンサ１１の一端と接続してある。電解コンデンサ１１の他端は絶縁型コンバータ２の一方の入力端子に接続してある。なおダイオード３１〜３５は整流素子の一例であり、他の整流素子を使ってもよい。またスイッチ素子２１として図４にＭＯＳＦＥＴを示しているが、他のスイッチ素子を使ってもよい。
【０００５】
図４の絶縁型コンバータ２は、非絶縁型コンバータ１から出力される直流電力を受け、絶縁した上でバッテリー５を充電する電力として出力する機能を持つコンバータである。数ｋＷクラスの充電装置ではフルブリッジコンバータが利用されることが多い。
【０００６】
図４に例として挙げた絶縁型コンバータ２はフルブリッジ型コンバータである。具体的には、トランス６０を介して、非絶縁型コンバータ１と接続する側を１次側とし、バッテリー５と接続する側を２次側とする。１次側は４つのスイッチ素子２２〜２５でフルブリッジ回路を構成してあり、フルブリッジ回路の交流端子にトランス６０の一次巻線を接続してある。絶縁型コンバータ２のトランス６０の二次巻線は４つのダイオード３６〜３９で構成されるブリッジダイオードの交流端子と接続し、ブリッジダイオードの直流端子はチョーク５２とコンデンサ１２で構成されるＬＣフィルタの入力に接続され、その出力がバッテリー５と接続してある。なおダイオード３６〜３９は整流素子の一例であり、他の整流素子を使ってもよい。またスイッチ素子２２〜２５として図４にＭＯＳＦＥＴを示しているが、他のスイッチ素子を使ってもよい。
【０００７】
この二つのコンバータを組み合わせることで、入力の力率をほぼ１に改善しつつ、交流入力から絶縁された電力をバッテリーに充電する事ができる充電装置を実現する事ができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平７−１２３７１０号公報
【特許文献２】特表２００２−５１４３７８号公報
【特許文献３】特開２００１−１０３６８５号公報
【特許文献４】特表２００２−５１４３７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、従来の充電装置には、静電容量の大きな電解コンデンサを必要とするという課題があった。その理由は、非絶縁型コンバータ１が５０Ｈｚまたは６０Ｈｚといった低周波数の交流商用電源系統から、直流電力を作り出しているためである。
【００１０】
既に述べたように、非絶縁型コンバータ１は入力電流波形を入力電圧波形と相似の波形とし、両者の位相を一致させる。したがって入力電流波形は正弦波となり、それを全波整流した波形の一部が電解コンデンサに充電される。このため電解コンデンサの充電電流には商用周波数の２倍の成分が多く含まれる。
【００１１】
このような電流で充電されても、商用周波数の２倍の成分が大きなリップル電圧として現れずに直流電圧を維持するには、電解コンデンサのインピーダンスはこの周波数帯において充分低い必要がある。コンデンサのインピーダンスｚは、ｆを周波数、Ｃを静電容量として、下記の数式１で表すことができる。
【数１】
2014053992.tif 000003
したがって、周波数ｆが小さい場合は静電容量Ｃを大きくする事によってインピーダンスｚを小さくしなければならない。これが非絶縁型コンバータ１で静電容量Ｃの大きなコンデンサが必要とされる理由である。
【００１２】
この大容量の電解コンデンサが大きな体積を占めるため、充電装置を小型化できないという課題が生じる。本発明は、以上のような従来の課題を解決した充電装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の内の第１の発明の充電装置は、交流電源を入力とする第一の非絶縁型コンバータと、前記第一の非絶縁型コンバータの出力を入力とする絶縁型コンバータと、前記絶縁型コンバータの出力に接続されたバッテリーと、を備えている。
【００１４】
このような第１の発明の充電装置において、第一の非絶縁型コンバータはチョークとスイッチ素子を有し、絶縁型コンバータはトランスと、複数の一次側スイッチ素子を有している。
また、第一の非絶縁型コンバータと絶縁型コンバータには交流電力を平滑する電解コンデンサが含まれておらず、絶縁型コンバータには電圧を調整する機能が含まれていない。
【００１５】
第２の発明の充電装置は、交流電源を入力とする第一の非絶縁型コンバータと、前記第一の非絶縁型コンバータの出力を入力とする絶縁型コンバータと、前記絶縁型コンバータの出力を入力とする第二の非絶縁型コンバータと、前記第二の非絶縁型コンバータの出力に接続されたバッテリーと、を備えている。
【００１６】
このような第２の発明の充電装置において、第一の非絶縁型コンバータはチョークとスイッチ素子を有し、絶縁型コンバータはトランスと、複数の一次側スイッチ素子を有し、第二の非絶縁型コンバータはコンデンサ、チョークとスイッチ素子を有している。
また、第一の非絶縁型コンバータと絶縁型コンバータと第二の非絶縁型コンバータには交流電力を平滑する電解コンデンサが含まれておらず、絶縁型コンバータには電圧を調整する機能が含まれていない。
【００１７】
第３の発明の充電装置は、第１、または第２の発明の充電装置において、前記絶縁型コンバータの全ての前記一次側スイッチ素子が同時にオフになる期間が存在しないようにしてある。
【００１８】
第４の発明の充電装置は、第１、または第２の発明の充電装置において、前記絶縁型コンバータの全ての前記一次側スイッチ素子がオフになる期間に、前記第一の非絶縁型コンバータの出力電流がゼロになるようにしてある。
【００１９】
第５の発明の充電装置は、第１、第２、第３、または第４の発明の充電装置において、前記第一の非絶縁型コンバータが、力率改善機能を持つ。
【００２０】
第６の発明の充電装置は、第５の発明の充電装置において、前記第一の非絶縁型コンバータが昇圧チョッパ型力率改善コンバータである。
【００２１】
第７の発明の充電装置は、第１、第２、第３、第４または第５の発明の充電装置において、前記絶縁型コンバータがフルブリッジコンバータである。
【００２２】
第８の発明の充電装置は、第７の発明の充電装置において、絶縁型コンバータにトランスの一次巻線と直列に接続されたコンデンサが含まれ、動作停止する際にコンデンサが特定の方向に連続的に充電される。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の充電装置によれば、次の四つの効果がある。
【００２４】
第１に、大きな体積を占める大容量の電解コンデンサが不要となるため、充電装置の小型化が可能になる。
第２に、電解コンデンサを予備充電する手段が不要となるため、充電装置の小型化が可能になる。従来の充電装置では、交流電源４を接続したときに、電解コンデンサに大電流が流れて部品が破損する事を防ぐために、図示しない予備充電手段が必要であった。本発明の充電装置には、そもそも電解コンデンサが存在しないため、それを予備充電する手段も存在しない。
【００２５】
第３に、絶縁型コンバータ２にトランスの一次巻線と直列に接続されたコンデンサ１３を追加する事で、非絶縁型コンバータ１の入出力電圧が昇圧条件を満足できない時でも、緊急停止する事ができる。
【００２６】
第４に、非絶縁型コンバータ３を挿入する事で、入力電圧やバッテリー電圧が大幅に変動した場合でも、非絶縁型コンバータ１の昇圧条件を満足する事ができ、入力電流波形の歪みを抑制する事ができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】図１は本発明の実施例１における充電装置を示す回路図である。
【図２】図２は本発明の実施例２における充電装置を示す回路図である。
【図３】図３は本発明の実施例２における充電装置の具体例を示す回路図である。
【図４】図４は従来の充電装置を示す回路図である。
【図５】図５は歪んだ入力電流の波形例である。
【図６】図６は本発明の実施例４における充電装置を示す回路図である。
【図７】図７は本発明の実施例４における充電装置の力率改善機能を持つコンバータとしての制御機能を説明するための回路図である。
【図８】図８は本発明の実施例５における充電装置を示す回路図である。
【図９】図９は本発明の実施例６を実現する駆動信号パターンの一例である。
【図１０】図１０は本発明の実施例７を実現する駆動信号パターンの一例である。
【図１１】図１１は本発明の実施例８における充電装置を示す回路図である。
【図１２】図１２は本発明の実施例９を示す回路図の一例である。
【図１３】図１３は本発明の実施例９を示す回路図の他の例である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
本発明を実施するための形態は、以下の好ましい実施例の説明を添付図面と照らし合わせて読むと、明らかである。但し、図面はもっぱら解説のためのものであって、本発明の範囲を限定するものではない。
【実施例１】
【００２９】
（実施例１の構成）
図１は、本発明の実施例１における充電装置を示す回路図である。
この充電装置は、交流電源４を入力とする非絶縁型コンバータ１と、非絶縁型コンバータ１の出力を入力とする絶縁型コンバータ２と、絶縁型コンバータ２の出力に接続されたバッテリー５と、を備えている。
非絶縁型コンバータ１はチョークとスイッチ素子を有し、絶縁型コンバータ２はトランスと、複数の一次側スイッチ素子を有している。
このような第１の発明の充電装置において、非絶縁型コンバータ１と絶縁型コンバータ２には交流電力を平滑する電解コンデンサが含まれておらず、絶縁型コンバータ２には電圧を調整する機能が含まれていない。
【００３０】
（実施例１の動作）
図１の充電装置の動作を説明する。
絶縁型コンバータ２の出力にはバッテリー５が接続されているので、出力電圧は直流である。また、絶縁型コンバータ２には、絶縁のためにトランスが含まれている。そして、絶縁型コンバータ２には電圧を調整する機能が含まれていない。電圧調整ができないので、絶縁型コンバータ２の入力には、出力電圧がトランスの巻数比で変換された直流電圧が現れる事になる。
【００３１】
したがって、非絶縁型コンバータ１には交流電力を平滑する電解コンデンサが含まれていないものの、その出力電圧は直流電圧になる。よって、交流電力を平滑する電解コンデンサが含まれる従来のコンバータと同じ電圧波形で、動作を成立させることができる。
【００３２】
（実施例１の効果）
本実施例１の充電装置によれば、交流電力を平滑する電解コンデンサが含まれていないにもかかわらず、非絶縁型コンバータ１は交流電力を平滑する電解コンデンサが含まれる従来の非絶縁型コンバータと同じ電圧波形で、動作を成立させることができる。これにより大きな体積を占める大容量の電解コンデンサが不要となるため、充電装置の小型化が可能になる。
【実施例２】
【００３３】
（実施例２の構成）
図２は、本発明の実施例２における充電装置を示す回路図であり、実施例１の充電装置を示す図１中の要素と共通の要素には共通の符号が付されている。
この充電装置は、交流電源４を入力とする第一の非絶縁型コンバータ１と、第一の非絶縁型コンバータ１の出力を入力とする絶縁型コンバータ２と、絶縁型コンバータ２の出力を入力とする第二の非絶縁型コンバータ３と、第二の非絶縁型コンバータ３の出力に接続されたバッテリー５と、を備えている。
第一の非絶縁型コンバータ１はチョークとスイッチ素子を有し、絶縁型コンバータ２はトランスと複数の一次側スイッチ素子を有し、第二の非絶縁型コンバータ３はコンデンサ、チョークとスイッチ素子を有している。
このような第２の発明の充電装置において、第一の非絶縁型コンバータ１と絶縁型コンバータ２と第二の非絶縁型コンバータ３には交流電力を平滑する電解コンデンサが含まれておらず、絶縁型コンバータ２には電圧を調整する機能が含まれていない。
【００３４】
（実施例２の動作）
実施例１に対する実施例２の相違点は、絶縁型コンバータ２とバッテリー５の間に第二の非絶縁型コンバータ３が追加されている事である。
一般に力率改善機能を持つコンバータには入力リップル電流が小さい特徴を持つ昇圧チョッパが利用されることが多いが、このタイプのコンバータには、出力電圧が入力電圧よりも高い状態が維持されないと、入力電流を制御する事ができなくなり、入力電流波形が歪む問題がある。歪んだ波形の一例を図５に示す。
【００３５】
このため非絶縁型コンバータ１が昇圧チョッパ型の力率改善コンバータである場合、充電装置の入力電圧が大幅に変動するか、またはバッテリー電圧が大幅に変動する場合に、実施例１の充電装置では非絶縁型コンバータ１の出力電圧が入力電圧よりも高い状態を維持するのが難しいために、入力電流波形が歪む問題が発生する場合がある。
【００３６】
この問題は非絶縁型コンバータ３を追加して、それに電圧を調整する機能を持たせることで解決できる。実施例２は絶縁型コンバータ２の出力電圧がバッテリー電圧で固定されず、非絶縁型コンバータ３によって調整可能なので、状況に応じて非絶縁型コンバータ１の出力電圧が入力電圧よりも高い状態を維持する事が可能である。
【００３７】
非絶縁型コンバータ３の具体例を図３に示す。実施例２の充電装置を示す図２中の要素と共通の要素には共通の符号が付されている。非絶縁型コンバータ３の入力にはコンデンサ１０が接続されており、コンデンサ１０と並列にスイッチ素子２０とダイオード３０の直列回路が接続されており、ダイオード３０のアノードがコンデンサ１０の一端に接続されている。ダイオード３０のカソードにはチョーク５０の一端が接続されており、チョーク５０の他端にはバッテリー５の一端が接続されている。バッテリー５の他端にはダイオード３０のアノードが接続される。
【００３８】
図３の構成の非絶縁型コンバータ３は、一般に降圧チョッパと呼ばれており、出力電圧が入力電圧以下となる事が知られている。つまりコンデンサ１０の電圧をＶｉｎ、バッテリー５の電圧をＶｏｕｔ、スイッチ素子２０のオン時間をＴｏｎ、スイッチ素子２０のオフ時間をＴｏｆｆとすると、チョーク５０の電流が連続である条件下の定常状態において、以下の関係が成立する。
【数２】
2014053992.tif 000004
したがってＴｏｎ、Ｔｏｆｆを調整する事で、絶縁型コンバータ２の出力電圧、すなわちコンデンサ１０の電圧Ｖｉｎをバッテリー５の電圧Ｖｏｕｔよりも高い電圧に調整する事が可能である。この電圧が絶縁型コンバータ２のトランスの巻数比で変換されて、絶縁型コンバータ２の入力電圧すなわち非絶縁型コンバータ１の出力電圧に現れるので、交流電源４の電圧が高く、バッテリー５の電圧が低い時でも、非絶縁型コンバータ１の出力電圧が入力電圧よりも高い状態を維持する事が可能となる。
【００３９】
（実施例２の効果）
本実施例２の充電装置によれば、実施例１の効果に加えて、充電装置の入力電圧が大幅に変動する場合や、バッテリー電圧が大幅に変動する場合でも、入力電流波形を歪ませずに制御する事ができる。
【実施例３】
【００４０】
（実施例３の構成）
実施例３の充電装置は、実施例１または実施例２の充電装置において、非絶縁型コンバータ１が、力率改善機能を持つようにしたことを特徴とする。
【００４１】
（実施例３の動作）
力率改善機能を持つコンバータは、一般に出力電圧を一定に保ちつつ、入力電流波形を入力電圧波形と相似の波形とし、両者の位相を一致させることで、入力の力率をほぼ１にする機能を持つコンバータである。本実施例の充電装置は実施例１の動作で説明したように、絶縁型コンバータ２が電圧を調整する機能を持たないことによって、バッテリーの直流電圧が巻数比変換されて非絶縁型コンバータ１の出力に現れるので、非絶縁型コンバータ１に出力電圧を一定に保つ機能を持たせる必要はなく、入力電流波形を入力電圧波形と相似の波形とし、両者の位相を一致させる機能があればよい。
【００４２】
ただし、それだけでは入力電流の目標値が定まらない問題がある。これは非絶縁型コンバータ１の出力電圧を一定に保つ代わりに、バッテリー５の充電電流を一定に保つことで解決できる。バッテリー５の充電電流は商用周波数の２倍の周波数成分を持つので、一定に保つのはバッテリー５の充電電流の平均値である。
具体例については、実施例４で詳細に述べる。
【００４３】
（実施例３の効果）
入力の力率をほぼ１にする事ができるため、設備容量を有効に活用する事ができる。
【実施例４】
【００４４】
（実施例４の構成）
実施例４の充電装置は、実施例３の充電装置において、非絶縁型コンバータ１が、昇圧チョッパ型力率改善コンバータであることを特徴とする。
図６は、本発明の実施例４における充電装置を示す回路図であり、従来の充電装置を示す図４中の要素と共通の要素には共通の符号が付されている。具体的には、４つのダイオード３１〜３４で構成したブリッジダイオードを有し、このブリッジダイオードの交流端子は交流電源４に接続し、アノード側の直流端子はスイッチ素子２１の一端に接続してあるとともに、絶縁型コンバータ２の一方の入力端子に接続してある。また、カソード側の直流端子はチョーク５１の一端に接続してある。チョーク５１の他端はスイッチ素子２１の他端に接続してあるとともに、ダイオード３５のアノードに接続してある。ダイオード３５のカソードは絶縁型コンバータ２の他方の入力端子に接続してあり、絶縁型コンバータ２の出力端子はバッテリー５に接続してある。なお、電解コンデンサ１１を持たない点が本発明の特徴である。ダイオード３１〜３５は整流素子の一例であり、他の整流素子を使ってもよい。
【００４５】
図７は、本発明の実施例４における充電装置の力率改善コンバータとしての制御機能を説明するための回路図であり、７０〜７９の要素が追加されている。具体的な構成については、動作説明と併せて説明する。
【００４６】
（実施例４の動作）
本発明の実施例４における充電装置は、バッテリー５の負側の端子と絶縁型コンバータ２の他方の出力端子との間に電流検出手段７７を設け、この電流検出手段７７で検出したバッテリー５の充電電流を、低域通過フィルタ７８に通してその平均値を求め、その値と目標充電電流算出手段７９との差分を誤差増幅手段７６で増幅する。そして誤差増幅手段７６で得られた誤差増幅信号と、非絶縁型コンバータ１を構成するブリッジダイオードのアノード側の直流端子とカソード側の直流端子との間に設けた電圧検出手段７０で検出した入力電圧を全波整流した波形とを、乗算手段７５で乗算する。乗算手段７５の出力と、ブリッジダイオードのアノード側の直流端子と絶縁型コンバータ２の他方の入力端子との間に設けた電流検出手段７２で検出した入力電流を全波整流した波形との差分を、誤差増幅手段７３で増幅し、得られた誤差増幅信号を変調手段７４に通してパルス電圧に変換した後に、駆動手段７１に与えてスイッチ素子２１を駆動する。
【００４７】
これにより、バッテリー５の充電電流の平均値を目標充電電流に合わせつつ、入力電流波形を入力電圧波形と相似の波形とし、両者の位相を一致させることが実現できる。
【００４８】
（実施例４の効果）
入力の力率をほぼ１にする事ができるため、設備容量を有効に活用する事ができる。
【実施例５】
【００４９】
（実施例５の構成）
実施例５の充電装置は、実施例１、実施例２、実施例３または実施例４の充電装置において、絶縁型コンバータ２がフルブリッジコンバータであることを特徴とする。
図８は、本発明の実施例５における充電装置を示す回路図であり、従来の充電装置を示す図４中の要素と共通の要素には共通の符号が付されている。
【００５０】
実施例５の充電装置の絶縁型コンバータ２は、トランス６０を介して、非絶縁型コンバータ１と接続する側を１次側とし、バッテリー５と接続する側を２次側とする。１次側は４つのスイッチ素子２２〜２５でフルブリッジ回路を構成してあり、フルブリッジ回路の交流端子にトランス６０の一次巻線を接続してある。絶縁型コンバータ２のトランス６０の二次巻線は４つのダイオード３６〜３９で構成してあるブリッジダイオードの交流端子と接続し、ブリッジダイオードの直流端子はバッテリー５と接続してある。なお、ダイオード３６〜３９は整流素子の一例であり、他の整流素子を使ってもよい。
【００５１】
（実施例５の動作）
一次側は一般的なフルブリッジコンバータであるが、本発明の絶縁型コンバータ２の要件である、電圧を調整する機能が含まれない事を実現する為に、ＬＣフィルタを構成するチョーク５２とコンデンサ１２を削除して、ダイオード３６〜３９で構成される整流回路の出力に、バッテリー５を接続している。
【００５２】
このためダイオード３６とダイオード３９、またはダイオード３７とダイオード３８が導通すると、トランス６０の二次巻線電圧とバッテリー５の電圧が等しくなる。したがってトランス６０の一次巻線電圧がトランス６０の巻数比で変換されたバッテリー電圧となり、襷掛けの関係にあるスイッチ素子２３とスイッチ素子２４、あるいは襷掛けの関係にあるスイッチ素子２２とスイッチ素子２５がともに導通する事によって、絶縁型コンバータ２の入力電圧がトランス６０の巻数比で変換されたバッテリー５の電圧となる。
【実施例６】
【００５３】
（実施例６の構成）
実施例６の充電装置は、絶縁型コンバータ２が、全ての一次側スイッチ素子が同時にオフになる期間が存在しないように動作することを特徴とする。絶縁型コンバータ２が、全ての一次側スイッチ素子が同時にオフになる期間が存在しないように動作する例として、本発明の実施例５における充電装置を示す図８の回路を使って説明する。実施例６の充電装置は、図９で示す駆動信号パターンで実現する事ができる。
【００５４】
（実施例６の動作）
実施例１、実施例２、実施例３、実施例４、または実施例５の充電装置には交流電力を平滑する電解コンデンサが含まれていないため、内部で一時的に電力を蓄積しておくことができない。したがって非絶縁型コンバータ１の出力電流がゼロでないときに絶縁型コンバータ２の全ての一次側スイッチ素子がオフになると、絶縁型コンバータ２の入力インピーダンスが高インピーダンスとなるために、絶縁型コンバータ２の入力電圧が高電圧となり、絶縁型コンバータ２の一次側スイッチ素子が破損する問題がある。
【００５５】
この問題に対する解決策は、絶縁型コンバータ２の全ての一次側スイッチ素子が同時にオフになる期間が存在しないように動作させることである。具体例を図９に示す。図９の駆動信号パターンには、（１）、（２）、（３）の三つの状態が存在する。ここで（１）はスイッチ素子２２〜２５が全てオンしている状態、（２）はスイッチ素子２２とスイッチ素子２５がオンしている状態、（３）はスイッチ素子２３とスイッチ素子２４がオンしている状態である。（１）は原理的には不要だが、タイミングのバラつきでスイッチ素子２２〜２５の全てがオフになる状態が生じる事を防ぐために入れている。
【００５６】
（実施例６の効果）
実施例１、実施例２、実施例３、実施例４、または実施例５の充電装置において、絶縁型コンバータ２を破損させることなく安全に動作させることができる。
【実施例７】
【００５７】
（実施例７の構成）
実施例７の充電装置は、絶縁型コンバータ２の全ての一次側スイッチ素子がオフになる期間に、非絶縁型コンバータ１の出力電流がゼロになる様にしてあることを特徴とする。絶縁型コンバータ２の全ての一次側スイッチ素子がオフになる期間に、非絶縁型コンバータ１の出力電流がゼロになる様に動作させる例として、本発明の実施例５における充電装置を示す図８の回路を使って説明する。実施例７の充電装置は、図１０で示す駆動信号パターンで実現する事ができる。
【００５８】
（実施例７の動作）
実施例６の説明で前述したように、実施例１、実施例２、実施例３、実施例４、または実施例５の充電装置には交流電力を平滑する電解コンデンサが含まれていないため、内部で一時的に電力を蓄積しておくことができない。したがって非絶縁型コンバータ１の出力電流がゼロでないときに絶縁型コンバータ２の全ての一次側スイッチ素子がオフになると、絶縁型コンバータ２の入力インピーダンスが高インピーダンスとなるために、絶縁型コンバータ２の入力電圧が高電圧となり、絶縁型コンバータ２の一次側スイッチ素子が破損する問題がある。
【００５９】
この問題に対する別の解決策は、絶縁型コンバータ２の全ての一次側スイッチ素子がオフになる期間に、非絶縁型コンバータ１の出力電流がゼロになる様に動作させることである。具体例を図１０に示す。スイッチ素子２２〜２５のオン、オフに着目すると、図１０の駆動信号パターンには、（１）、（２）の二つの状態が存在する。ここで（１）はスイッチ素子２２とスイッチ素子２５がオンしている状態、（２）はスイッチ素子２３とスイッチ素子２４がオンしている状態である。（１）と（２）が切替わる時、タイミングのバラつきでスイッチ素子２２〜２５の全てがオフになる状態が生じる可能性があるが、その状態が、スイッチ素子２１がオンの時、すなわち非絶縁型コンバータ１の出力電流がゼロになる時になる様に設定している。
【００６０】
（実施例７の効果）
実施例１、実施例２、実施例３、実施例４、または実施例５の充電装置において、絶縁型コンバータ２を破損させることなく安全に動作させることができる。
【００６１】
一般にスイッチ素子がオンオフする前に予め電流をゼロにする手法はゼロ電流スイッチングと呼ばれ、スイッチング損失がなくなる事による高効率化、電圧・電流が切り替わる時に発生する高周波の電圧・電流振動がなくなる事による低ノイズ化を実現する事が出来ることが知られている。
上記具体例では、非絶縁型コンバータ１の出力電流がゼロになる時にスイッチ素子２２〜２５をオンオフさせているので、ゼロ電流スイッチングを実現できている。
【実施例８】
【００６２】
（実施例８の構成）
実施例８の充電装置は、実施例５の充電装置において、絶縁型コンバータ２にトランス６０と直列に接続されたコンデンサ１３が含まれ、動作停止する際に前記コンデンサ１３が特定の方向に連続的に充電されるようにしてあることを特徴とする。
【００６３】
（実施例８の動作）
実施例２の説明で述べたように、非絶縁型コンバータ１が昇圧チョッパ型の力率改善コンバータで、充電装置の入力電圧が大幅に変動するか、またはバッテリー電圧が大幅に変動する場合に入力電流波形が歪む問題がある。歪むのは非絶縁型コンバータ１の出力電圧が入力電圧よりも高い状態が維持されないと、入力電流を制御する事ができなくなる事が原因である。入力電流を制御できないのは、非絶縁型コンバータ１のスイッチ素子２１をオンしても、オフしても非絶縁型コンバータ１のチョーク５１にエネルギーが蓄積される一方になり、放出できなくなるため、入力電流を減らすことができなくなるのが原因である。
【００６４】
入力電流を減らすことができなくなると、入力電流波形が歪むだけでなく、緊急停止できない問題も生じる。本発明の充電装置では、非絶縁型コンバータ１の出力電流がゼロでないときに絶縁型コンバータ２の全ての一次側スイッチ素子２２〜２５がオフになると、絶縁型コンバータ２の入力インピーダンスが高インピーダンスとなるために、絶縁型コンバータ２の入力電圧が高電圧となり、絶縁型コンバータ２の一次側スイッチ素子２２〜２５が破損する問題がある。そして、電力を一時的にためておく電解コンデンサを持たないので、非絶縁型コンバータ１に入力された電力は、直ちに出力される。したがって入力電流を減らすことができない状況では、非絶縁型コンバータ１の出力電流をゼロにすることができず、したがって絶縁型コンバータ２を停止する事が出来ない。
【００６５】
一方、充電装置の使用者が、充電中に無理やりケーブルを抜いたときにアークが発生することを抑制する為に、ケーブルが抜かれたことを検知した際は、極力短時間で入力電流をゼロにすることが、充電装置には求められる。ところが入力電流を減らすことができない状況では緊急停止ができないため、充電中に無理やりケーブルを抜いたときにアークが発生し、充電装置の使用者に不安を与える問題があった。
【００６６】
（実施例８の効果）
この問題は図１１に示すようにトランス６０の一次巻線に直列にコンデンサ１３を挿入し、緊急停止する時にスイッチ素子２１をオフさせつつスイッチ素子２３とスイッチ素子２４を、またはスイッチ素子２２とスイッチ素子２５を連続的にオンさせることで回避できる。
これはトランス６０の一次巻線に直列に挿入したコンデンサ１３に電圧を持たせることで、見かけのバッテリー電圧が真のバッテリー電圧＋コンデンサ電圧となる事を利用する方法である。これにより昇圧条件が満たされ、非絶縁型コンバータ１の入力電流を減らすことができる。
【００６７】
なお緊急停止以外の普段の動作では、スイッチ素子２３とスイッチ素子２４が連続的にオンするのではなく、スイッチ素子２３とスイッチ素子２４、スイッチ素子２２とスイッチ素子２５が交互にオンするため、コンデンサ１３は充放電を繰返し、大きな電圧を持つことはない。したがってコンデンサ１３が普段の動作の邪魔になる事はない。
【実施例９】
【００６８】
実施例５として、絶縁型コンバータ２がフルブリッジコンバータである例を挙げたが、他の回路方式を適用する事も可能である。
【００６９】
例えば、図１２の様に絶縁型コンバータ２を、プッシュプルコンバータにしても、これまでの説明と同じ効果が得られる。この実施例における絶縁型コンバータ２の一次側のスイッチ素子２４とスイッチ素子２５は、実施例６におけるスイッチ素子２４、スイッチ素子２５それぞれの駆動信号パターンを利用することができる。また、この実施例における非絶縁型コンバータ１のスイッチ素子２１と絶縁型コンバータ２の一次側のスイッチ素子２４とスイッチ素子２５は、実施例７におけるスイッチ素子２１、スイッチ素子２４、スイッチ素子２５のそれぞれの駆動信号パターンを利用することができる。
【００７０】
別の例として、図１３の様に絶縁型コンバータ２を、フォワードコンバータを二つ組み合わせたものにしても、これまでの説明と同じ効果が得られる。この実施例の場合も、プッシュプルコンバータを用いた実施例と同様に、絶縁型コンバータ２の一次側のスイッチ素子２４とスイッチ素子２５は、実施例６におけるスイッチ素子２４、スイッチ素子２５のそれぞれの駆動信号パターンを利用することができる。また、この実施例における非絶縁型コンバータ１のスイッチ素子２１と絶縁型コンバータ２の一次側のスイッチ素子２４とスイッチ素子２５は、実施例７におけるスイッチ素子２１、スイッチ素子２４、スイッチ素子２５のそれぞれの駆動信号パターンを利用することができる。
【００７１】
いずれの実施例においても、絶縁型コンバータ２の一次側スイッチ素子は偶数個であるが、本発明における一次側スイッチ素子は複数個有すれば偶数個に限定されない。例えば図１３においてフォワードコンバータを奇数個組み合わせれば、一次側スイッチ素子は奇数個となる。
【００７２】
なお、電解コンデンサを含まない力率改善コンバータとして、特許文献１のフライバックコンバータがある。これは一次側の回路にこそ電解コンデンサを含まないが、二次側の回路に電解コンデンサが必要になるものであり、本発明とは異なるものである。
【００７３】
またＰｏＬと呼ばれる非絶縁型のチョッパと、バスコンバータと呼ばれる絶縁型の無制御コンバータを組み合わせてシステムを構築する、中間バスアーキテクチャと呼ばれる技術が特許文献２で開示されているが、これは直流入力直流出力のシステムを対象としており、直流出力は非絶縁型のチョッパによって作り出される。本発明は交流入力の充電装置を対象としており、バッテリーの直流電圧を利用して、非絶縁型コンバータ１の出力を直流電圧とするもので、その点で特許文献２とは異なる。
【００７４】
特許文献３では電解コンデンサを持たない充電装置の技術が開示されているが、これは単一のコンバータからなるシステムである点で、本発明とは異なるものである。
【符号の説明】
【００７５】
１    非絶縁型コンバータ
２    絶縁型コンバータ
３    非絶縁型コンバータ
４    交流電源
５    バッテリー
１０  コンデンサ
１１  電解コンデンサ
１２  コンデンサ
１３  コンデンサ
２０  スイッチ素子
２１  スイッチ素子
２２  スイッチ素子
２３  スイッチ素子
２４  スイッチ素子
２５  スイッチ素子
３０  ダイオード
３１  ダイオード
３２  ダイオード
３３  ダイオード
３４  ダイオード
３５  ダイオード
３６  ダイオード
３７  ダイオード
３８  ダイオード
３９  ダイオード
５０  チョーク
５１  チョーク
５２  チョーク
６０  トランス
６１  トランス
７０  電圧検出手段
７１  駆動手段
７２  電流検出手段
７３  誤差増幅手段
７４  変調手段
７５  乗算手段
７６  誤差増幅手段
７７  電流検出手段
７８  低域通過フィルタ
７９  目標充電電流算出手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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