(57)【要約】【課題】  スイッチング素子の保護とエネルギ損失の低減の両立を可能とした充電用回路を提供する。【解決手段】  充電時間と共に電流値が低下するように、外部電源からの出力を制御して蓄電池に充電を行う充電用回路であって、外部電源からの直流出力をON/OFFして電力を制御する電力用半導体スイッチング素子と、電力用半導体スイッチング素子と並列に接続したスナバ回路と、スナバ回路に直列に接続するスナバ回路切り離しスイッチと、蓄電池に接続するラインの電流値を測定する電流センサ部と、電流センサ部の出力に基づいて、スナバ回路切り離しスイッチをON/OFFする制御回路とを有し、制御回路は、充電開始時にはスナバ回路切り離しスイッチをONしてスナバ回路を接続し、制御回路は、充電時間と共に電流値が所定の電流値まで低下した場合には、スナバ回路切り離しスイッチをOFFしてスナバ回路を切り離すことを特徴とする。【選択図】  図１
2014036552.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
充電時間と共に電流値が低下するように、外部電源からの出力を制御して蓄電池に充電を行う充電用回路であって、
前記外部電源からの直流出力をON/OFFして電力を制御する電力用半導体スイッチング素子と、
前記電力用半導体スイッチング素子と並列に接続したスナバ回路と、
前記スナバ回路に直列に接続するスナバ回路切り離しスイッチと、
前記蓄電池に接続するラインの電流値を測定する電流センサ部と、
前記電流センサ部の出力に基づいて、前記スナバ回路切り離しスイッチをON/OFFする制御回路と、
を有し
前記制御回路は、充電開始時には前記スナバ回路切り離しスイッチをONして前記スナバ回路を接続し、
前記制御回路は、充電時間と共に電流値が所定の電流値まで低下した場合には、前記スナバ回路切り離しスイッチをOFFして前記スナバ回路を切り離す、ことを特徴とする充電用回路。
【請求項２】
前記所定の電流値は、スナバ回路を接続した場合とそうでない場合の前記充電用回路の充電効率の差が所定の値以上となる電流値であることを特徴とする請求項１に記載の充電用回路。
【請求項３】
前記充電用回路の充電効率の差が所定の値以上となる電流値は下記の数式により求められることを特徴とする請求項２に記載の充電用回路
【数７】
2014036552.tif 000009
ここで、Idcは充電回路への入力電流、Δηはスナバ回路の有無による充電効率の差、CsはコンデンサCsの容量、Vdcは整流器の出力電圧、tfはスイッチング時間、fはスイッチング周波数である。
【請求項４】
前記所定の電流値は、前記充電用回路の充電効率が所定の値以下となる電流値であることを特徴とする請求項１に記載の充電用回路。
【請求項５】
前記所定の電流値は、電力用半導体スイッチング素子が安全に動作する電流値であることを特徴とする請求項１に記載の充電用回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、充電用回路に関し、特に、スナバ回路にスイッチを接続してスナバ回路の接続及び切り離しを可能とすることにより、スイッチング素子の保護とエネルギ損失の低減の両立を可能とした充電用回路に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電力用半導体スイッチング素子を保護するためにスナバ回路が用いられている。一般的なスナバ回路はキャパシタＣＳ、抵抗ＲＳおよびダイオードＤＳにより構成され、保護対象となるスイッチング素子等の素子に対し並列に接続される。ここで、スイッチング素子等を保護するためには、キャパシタンスＣＳが大きいほど好ましい。
【０００３】
しかしながら、キャパシタンスＣＳが大きいほど、回路としての効率が低下しエネルギ損失が増加する。容量の大きい壊れにくいスイッチング素子を使用することでスナバ回路を省略することも考えられるが、このようなスイッチング素子は高価でありコスト的には容量の小さいスイッチング素子を用いることが好ましい。そこで、スイッチング素子等を破壊させず、なおかつ、エネルギ損失の少ないスナバ回路が求められている。
【０００４】
このような課題に対応する技術として、スナバ動作電圧設定器１４を備え、電力用半導体スイッチング素子１のターンオフ時に、当該電力用半導体スイッチング素子１の素子電圧が直流電源電圧よりも低い設定電圧値を超えると動作を開始（オン）して、スイッチ６を閉じて電力用半導体スイッチング素子１と並列にスナバ回路５を接続する構成とした回路が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
特許文献１に記載の技術によれば、電力用半導体スイッチング素子１のターンオフ時に、素子電圧が上記設定電圧値を超えた時点でスナバ回路５が動作を開始することにより、ターンオフ時の急峻な電圧変化（ｄｖ／ｄｔ）を、素子電圧値の上記設定電圧値以上の範囲で抑制することができ、電力用半導体スイッチング素子１の破壊耐量を維持することができ、なおかつ、上記設定電圧値まで素子電圧を上げていることにより、電力用半導体スイッチング素子１内部のｎ-ドリフト層に蓄積されているキャリアが、その素子電圧上昇と共にある程度排出されるため、スナバ動作開始後に発生する素子電流のテール電流を低減することができ、電力用半導体スイッチング素子１のスイッチング損失を大幅に低減することができるとされる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開2002-95156号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１の技術では、電力用半導体スイッチング素子の電圧が設定電圧値を超えた時点でスナバ回路に動作を開始させるため、通電電流の大きさに関係なく、スナバ回路においてある程度の損失が生じる。特に、二次電池の充電回路に適用した場合、通電電流が小さい充電後期においても損失が生じるという課題がある。
【０００８】
本発明は、このような従来の問題を解決するためになされたもので、スナバ回路の接続及び切り離しを可能とすることにより、スイッチング素子の保護とエネルギ損失の低減の両立を可能とした充電用回路を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、充電時間と共に電流値が低下するように、外部電源からの出力を制御して蓄電池に充電を行う充電用回路であって、外部電源からの直流出力をON/OFFして電力を制御する電力用半導体スイッチング素子と、電力用半導体スイッチング素子と並列に接続したスナバ回路と、スナバ回路に直列に接続するスナバ回路切り離しスイッチと、蓄電池に接続するラインの電流値を測定する電流センサ部と、電流センサ部の出力に基づいて、スナバ回路切り離しスイッチをON/OFFする制御回路とを有し、制御回路は、充電開始時にはスナバ回路切り離しスイッチをONしてスナバ回路を接続し、制御回路は、充電時間と共に電流値が所定の電流値まで低下した場合には、スナバ回路切り離しスイッチをOFFしてスナバ回路を切り離すことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、電力用半導体スイッチング素子の保護とエネルギ損失の低減が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本実施形態の充電用回路の全体構成を示す図である。
【図２】充電効率と入力電流との関係を示す図である。
【図３】本実施形態のIGBTが安全に動作する電流値によってスナバ回路を切り替える条件を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態である充電用回路について、図を参照して詳細に説明をする。
【００１３】
図１は、本実施形態の充電用回路の全体構成を示す図である。図に示すように交流電源Aからの交流は整流回路Bにより直流へと変換され、DC-DCコンバータ１００によって、所定の電圧値あるいは電流値に変換され、二次電池Cへの充電が行われる。
【００１４】
本実施形態のDC-DCコンバータ１００は、整流回路Bからの直流出力を平滑化する平滑コンデンサC1（１０７）と、整流回路Bからの直流出力をON/OFFして電力を調整するIGBT１０６（電力用半導体スイッチング素子）と、IGBT１０６からの出力を平滑化する、ダイオードD１０８、リアクトルL１０９、コンデンサC2（１１０）を有する。
【００１５】
また、本実施形態のDC-DCコンバータ１００には、スナバ回路１０１とSW１０２とが直列に、かつ、IGBT１０６と並列に接続する。SW102は、機械的スイッチや半導体スイッチを用いることができる。スナバ回路１０１は、抵抗RsとコンデンサCsとダイオードDsを含んで構成される。
【００１６】
さらに、本実施形態のDC-DCコンバータ１００には、制御回路１０３が設けられ、電流センサ部CT１０４は二次電池Cに接続するラインの電流値を測定して制御回路１０３に送信し入力され、電圧センサ部１０５は絶縁アンプを含み、二次電池Cに接続するラインの電圧値を測定して制御回路１０３に送信する。
【００１７】
また、制御回路１０３は、電流センサ部CT１０４及び電圧センサ部１０５からの入力に基づいて所定の処理を行い、IGBT１０６に制御信号を送信し、さらに、SW１０２へSW開閉の信号を送信してスナバ回路１０１の接続・切り離しを行う。
【００１８】
次に、本実施形態のスナバ回路の動作を説明する。本実施形態では、充電時に制御回路１０３に取り込む二次電池Cの充電電流の値に設定値を設け，所定の条件が満たされたところで、SW１０２によりスナバ回路１０１の切り離しを行う。
【００１９】
本発明者らの知見によれば、充電効率はスナバ回路１０１を用いない方が高い。ただし、スナバ回路１０１を用いない場合にはIGBTが損傷するおそれがある。また、充電用回路の充電電流が大きい時には充電効率の差は小さく、充電電流が小さい時には充電効率の差が大きいことが判明した。
【００２０】
したがって、スナバ回路１０１を使用せずに電流容量に余裕のあるIGBTを用いた方が最も効率が高いといえる。ただし、IGBTの容量が大きいとIGBTそのものの効率低下及び高コストの要因になるため、適切な容量のIGBTを用いてIGBTそのものによる効率低下を防ぐとともに低コスト化を図り、一方、IGBTの損傷を防ぐため、スナバ回路１０１を用いることが好ましい。
【００２１】
本実施形態では、充電初期の充電電流が大きい時はスナバ回路１０１を接続しておき、充電後期の充電電流が小さい時はスナバ回路１０１を外す、という使い方を行うことにより、充電時の効率や、安全性や、充電用回路の低コスト化の最適なバランスを実現している。
【００２２】
図２は、充電用回路の充電効率と充電用電流値の関係を示した図である。図に示すように、充電効率ηはスナバ回路を用いない方が高い。また、充電用回路の充電電流が大きい時（例えば、図の5A以上の場合）には、スナバ回路の有無による充電効率ηの差は小さく、充電電流が小さい時（例えば、図の5A以下の場合）には充電効率ηの差が大きくなる。
【００２３】
したがって、充電効率ηの差が大きくなる所定の電流値で、スナバ回路を切り離すことにより、スイッチング素子の保護とエネルギ損失の低減の両立を可能とできる。
【００２４】
充電効率ηの差Δηから電流値Idcを求める理論式の導き方を以下に示す。
【００２５】
【数１】
2014036552.tif 000003
【００２６】
ここで、Δηはスナバ回路の有無による充電効率の差、ηNおよびηSは、それぞれ、スナバ回路がない場合およびある場合の充電効率、Piは充電回路への入力電力、WSおよびWNは、それぞれ、スナバ回路がない場合およびある場合の損失、ΔWはスナバ回路の有無による損失の差である。
【００２７】
また，ΔWを求めると以下の式(2)のようになる。
【００２８】
【数２】
2014036552.tif 000004
【００２９】
ここで、Woff＋Sはスナバ回路がある場合のターンオフ損失とスナバ回路での損失の和、Woffはスナバ回路がない場合のターンオフ損失である。さらに、Vdcは整流器の出力電圧、Idcは充電回路への入力電流、tfはスイッチング時間、γvは半導体スイッチング素子のターンオフ時に電流がゼロとなる時の電圧のVdcに対する比、fはスイッチング周波数である。
【００３０】
ここで、下記式を式(2)に代入すると式(3)が導かれる。
【００３１】
【数３】
2014036552.tif 000005
【００３２】
【数４】
2014036552.tif 000006
【００３３】
よってΔηは式(1)，(3)より次の式(4)のようになる。
【００３４】
【数５】
2014036552.tif 000007
【００３５】
式(4)を変形しIdcを求める式にすると
【００３６】
【数６】
2014036552.tif 000008
【００３７】
すなわち，Cs，Vdc，f，tf，については，使用する回路や素子で決まる定数であり，装置の設計段階で決まるものである。使用する人がどの程度の効率の差（Δη）がでたらスナバ回路を切り離すかを決めれば，電流が何Aとなったときにスナバ回路を切り離せばよいかを上式から求めることができる。充電効率の差Δηの値については、対象とする電池の特性、充電の速度、半導体スイッチング素子の特性を考慮し、充電開始から充電完了までの過程において効率の向上が見込める値とする。
【００３８】
また、単純に充電効率ηが、所定の値（例えば95％）より小さくなる電流値でスナバ回路を切り離してもよい。
【００３９】
また、IGBTが安全に動作する電流値によってスナバ回路を切り替えてもよい。図３に示すように、充電開始時t1では大電流が流れる為、スナバ回路を入れ充電を行い、IGBTが安全に動作する電流値I´に達した際、スナバ回路を切り離し、充電を行ってもよい。この場合、充電電流は実線のように切り替わり、安全性と効率を両立することが可能とある。
【００４０】
以上説明したように、本実施形態の充電用回路によれば、電力用半導体スイッチング素子の保護とエネルギ損失の低減が可能となる。
【符号の説明】
【００４１】
１００：DC-DCコンバータ（充電用回路）
１０１：スナバ回路
１０２：SW
１０３：制御回路
１０４：電流センサ部CT
１０５：電圧センサ部
１０６：IGBT
１０７：平滑コンデンサC1
１０８：ダイオードD
１０９：リアクトルL
【図１】
2014036552.tif 000010
【図２】
2014036552.tif 000011
【図３】
2014036552.tif 000012