(57)【要約】【課題】降圧装置を小型化し、回路内での電力損失を減らし、大きな降圧比を実現する。【解決手段】  複数のコンデンサ１１ａ〜１１ｃ同士の間にダイオードを接続してコンデンサ１１ａ〜１１ｃを直列接続するとともに、コンデンサ１１ａ〜１１ｃを並列接続の状態に切り換えるスイッチング素子１５ａ，１５ｂ，１７ａ〜１７ｃを設ける。直列接続時には出力電圧が低くなり、並列接続時には出力電圧が高くなるため、直列接続の期間と並列接続の期間とを、制御回路１８で調整し、大きな降圧比を実現する。コイル（リアクタ）を使ってチョッパ制御するよりも小型化でき、回路内での電力損失を減らすことができる。【選択図】図２
2006014544.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力電圧を降圧して出力する降圧装置であって、
複数のコンデンサと、
前記複数のコンデンサを直列接続する直列接続手段と、
前記複数のコンデンサを並列接続する並列接続手段と、
前記複数のコンデンサを前記直列接続手段で直列接続して前記入力電圧による充電を行う第１の期間と、前記複数のコンデンサを前記並列接続手段で並列接続して放電出力する第２の期間とを交互に制御する制御手段と
を備える降圧装置。
【請求項２】
請求項１に記載の降圧装置であって、
前記直列接続手段は、コンデンサ同士の間に接続されるダイオードであり、
前記並列接続手段は、前記制御手段での制御により前記複数のコンデンサを並列接続の状態に切り換えるスイッチ手段である、降圧装置。
【請求項３】
請求項２に記載の降圧装置であって、
前記スイッチ手段を介して前記複数のコンデンサに接続された出力用コンデンサをさらに備え、
前記出力用コンデンサは、前記第２の期間に前記複数のコンデンサの放電電圧により充電されて、前記第１の期間に放電出力する、降圧装置。
【請求項４】
入力電圧を降圧して出力する降圧方法であって、
複数のコンデンサを直列接続して当該複数のコンデンサに前記入力電圧による充電を行う第１の期間と、前記複数のコンデンサを並列接続して放電出力する第２の期間とを交互に制御することを特徴とする降圧方法。
【請求項５】
入力電圧を降圧して出力する降圧回路であって、
複数のコンデンサと、
前記複数のコンデンサを直列接続する直列接続手段と、
前記複数のコンデンサを並列接続する並列接続手段と、
前記複数のコンデンサを前記直列接続手段で直列接続して前記入力電圧による充電を行う第１の期間と、前記複数のコンデンサを前記並列接続手段で並列接続して放電出力する第２の期間とを交互に制御する制御手段と
を備える降圧回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、入力電圧を降圧して出力する降圧装置、降圧方法及び降圧回路に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、電動モータは鉄道などの電車に用いられるだけでなく、自動車においてもその走行用に搭載されるようになっている。このような自動車における電動モータとしては、駆動電圧が２００〜３００Ｖ程度の直流電圧により、インバータを介して駆動される例がある。
【０００３】
その一方で、自動車に搭載される電動モータの駆動電圧は、自動車の加速力の向上を目指して高電圧に移行しており、５００Ｖを超える駆動電圧が必要とされるようになっている。
【０００４】
このため、駆動電圧としては、上述のように５００Ｖを超えるほどの高電圧と、放電速度の緩和のために充電池の容積の増加の両方を調整する必要がある。
【０００５】
また、自動車においては、坂道の下り時に電池を充電するといった回生機能も必要になる。
【０００６】
このような様々な状況に応じて、回生電圧を調整してバッテリ（負荷）に出力電圧を印加するものとして、一般に降圧装置（降圧回路）が使用される。この降圧装置は、ジェネレータからの発電電圧をチョッパ制御により降圧して電圧を出力するものであり、一定周期におけるパルスのオン時間とオフ時間の比によって降圧比を制御する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
一般に、チョッパ制御を利用した降圧装置は、上述の通り、一定周期におけるパルスのオン時間とオフ時間の比によって降圧比を制御するものであるが、この降圧比が大きくなると、電子回路の波形の立ちあがり時間及び立下り時間の応答性に限界があるため、十分な降圧比を確保することが困難となるだけでなく、波形の応答性が充分でない場合は、多大な電力損失が生じ得る。
【０００８】
また、従来のチョッパ制御を利用した降圧装置では、コイル（リアクタ）を使用することになるため大型化し、自動車の省スペース化に逆行する。
【０００９】
そこで、本発明の課題は、小型化でき、回路内での電力損失が小さく、且つ大きな降圧比を実現し得る降圧装置、降圧方法及び降圧回路を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決すべく、請求項１に記載の発明は、入力電圧を降圧して出力する降圧装置であって、複数のコンデンサと、前記複数のコンデンサを直列接続する直列接続手段と、前記複数のコンデンサを並列接続する並列接続手段と、前記複数のコンデンサを前記直列接続手段で直列接続して前記入力電圧による充電を行う第１の期間と、前記複数のコンデンサを前記並列接続手段で並列接続して放電出力する第２の期間とを交互に制御する制御手段とを備えるものである。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の降圧装置であって、前記直列接続手段は、コンデンサ同士の間に接続されるダイオードであり、前記並列接続手段は、前記制御手段での制御により前記複数のコンデンサを並列接続の状態に切り換えるスイッチ手段である。
【００１２】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の降圧装置であって、前記スイッチ手段を介して前記複数のコンデンサに接続された出力用コンデンサをさらに備え、前記出力用コンデンサは、前記第２の期間に前記複数のコンデンサの放電電圧により充電されて、前記第１の期間に放電出力するものである。
【００１３】
請求項４に記載の発明は、入力電圧を降圧して出力する降圧方法であって、複数のコンデンサを直列接続して当該複数のコンデンサに前記入力電圧による充電を行う第１の期間と、前記複数のコンデンサを並列接続して放電出力する第２の期間とを交互に制御するものである。
【００１４】
請求項５に記載の発明は、入力電圧を降圧して出力する降圧回路であって、複数のコンデンサと、前記複数のコンデンサを直列接続する直列接続手段と、前記複数のコンデンサを並列接続する並列接続手段と、前記複数のコンデンサを前記直列接続手段で直列接続して前記入力電圧による充電を行う第１の期間と、前記複数のコンデンサを前記並列接続手段で並列接続して放電出力する第２の期間とを交互に制御する制御手段とを備えるものである。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１、請求項２、請求項４及び請求項５に記載の発明の降圧装置は、入力電圧を、複数のコンデンサにより分圧して出力することで、コンデンサの個数により大まかな降圧比を容易に調整できるので、例えばＮ個のコンデンサを用いて入力電圧の約Ｎ分の１の出力電圧を出力するなど、大きな降圧比を容易に実現することができる。
【００１６】
また、チョッパ制御を利用した降圧装置に比べて、コイル（リアクタ）を使わないで済む分、小型化を実現することができる。
【００１７】
しかも、コンデンサの充電を利用して低い出力電圧を出力するので、チョッパ制御を利用した降圧装置に比べて電力損失が小さくなる。
【００１８】
そして、制御手段により第１の期間と第２の期間とを調整することで、細かな降圧調整を容易に行うことができる。
【００１９】
請求項３に記載の発明の降圧装置は、出力用コンデンサが、第２の期間に前記複数のコンデンサの放電電圧により充電されて、第１の期間に放電出力するので、出力電圧を安定化させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
＜構成＞
図１は本発明の一の実施形態に係る降圧装置（降圧回路）１が搭載された自動車の回生電圧の供給経路を簡略に示したブロック図、図２はその降圧装置１を示す回路図である。
【００２１】
この降圧装置１は、図１の如く、自動車の坂道の下り時等での走行において、ジェネレータ５から回生電圧が与えられた場合に、その回生電圧を降圧する際に使用されるものであって、図２の如く、入力電圧Ｖｉｎを降圧してＮ分の１倍（Ｎは、２以上の自然数）の電圧を得るようになっている。尚、この実施形態では、入力電圧Ｖｉｎを３分の１倍に降圧する例について説明している。
【００２２】
ここで、この実施形態において、ジェネレータ５として説明している要素は、例えば走行用モータを発電機として利用する場合の当該走行用モータであり、さらに負荷２１として説明している要素は、例えば回生時におけるバッテリである。ただし、この発明が適用される例としては、必ずしもこれに限られるものではない。
【００２３】
この降圧装置１は、図２の如く、電池として機能する３個のコンデンサ（第１〜第３のコンデンサ）１１ａ〜１１ｃと、第１のコンデンサ１１ａ及び第２のコンデンサ１１ｂを直列接続する第１のダイオード１３ａと、第２のコンデンサ１１ｂ及び第３のコンデンサ１１ｃを直列接続する第２のダイオード１３ｂと、上記の３個のコンデンサ１１ａ〜１１ｃを並列接続するためのスイッチング素子１５ａ，１５ｂ，１７ａ〜１７ｃと、スイッチング素子１５ａ，１５ｂ，１７ａ〜１７ｃのオンオフにより、直列接続時の充電時間と並列接続時の消費時間とを制御する制御回路（制御手段）１８とを備え、この制御回路１８での制御により、負荷２１に出力する降圧電圧を調整にするようになっている。
【００２４】
第１のコンデンサ１１ａの一端は、コレクタがジェネレータ５の一端に接続された充放電切換スイッチ（入力電圧充電トランジスタ：ｎｐｎ型トランジスタ）１９のエミッタに接続される。
【００２５】
第１のダイオード１３ａのアノードは、第１のコンデンサ１１ａの他端に接続される。
【００２６】
第２のコンデンサ１１ｂの一端は、第１のダイオード１３ａのカソードに接続される。
【００２７】
第２のダイオード１３ｂのアノードは、第２のコンデンサ１１ｂの他端に接続される。
【００２８】
第３のコンデンサ１１ｃは、第２のダイオード１３ｂのカソードとジェネレータ５の他端の間に接続される。
【００２９】
かかる各コンデンサ１１ａ〜１１ｃ及び各ダイオード１３ａ，１３ｂの接続関係により、３個のコンデンサ１１ａ〜１１ｃは、充放電切換スイッチ１９がオンとなり且つ各スイッチング素子１５ａ，１５ｂ，１７ａ〜１７ｃがオフの時に、ジェネレータ５の一端から他端に流れる電流に対して直列に接続されていることになる。即ち、各ダイオード１３ａ，１３ｂは、コンデンサ１１ａ〜１１ｃを直列接続する直列接続手段として機能する。尚、かかる直列接続の状態では、各コンデンサ１１ａ〜１１ｃに対して充電がなされ、負荷２１に対しては、出力用コンデンサ７からの放電により比較的小さな出力電圧が供給されることになる（図３中のＴ１参照：後述）。
【００３０】
第１のスイッチング素子１５ａは、例えばｎｐｎ型トランジスタが使用され、そのコレクタがジェネレータ５の他端に接続され、そのエミッタが第１のコンデンサ１１ａと第１のダイオード１３ａとの接続点に接続される。
【００３１】
第２のスイッチング素子１５ｂも、例えばｎｐｎ型トランジスタが使用され、そのコレクタがジェネレータ５の他端に接続され、そのエミッタが第２のコンデンサ１１ｂと第２のダイオード１３ｂとの接続点に接続される。
【００３２】
第３のスイッチング素子１７ａも、例えばｎｐｎ型トランジスタが使用され、そのコレクタが充放電切換スイッチ１９と第１のコンデンサ１１ａとの接続点に接続され、そのエミッタが負荷２１に接続される。
【００３３】
第４のスイッチング素子１７ｂも、例えばｎｐｎ型トランジスタが使用され、そのコレクタが第１のダイオード１３ａと第２のコンデンサ１１ｂとの接続点に接続され、そのエミッタが負荷２１に接続される。
【００３４】
第５のスイッチング素子１７ｃも、例えばｎｐｎ型トランジスタが使用され、そのコレクタが第２のダイオード１３ｂと第３のコンデンサ１１ｃとの接続点に接続され、そのエミッタが負荷２１に接続される。
【００３５】
ここで、充放電切換スイッチ１９及び各スイッチング素子１５ａ，１５ｂ，１７ａ〜１７ｃは、制御回路１８からのゲート信号によりオンオフするようになっている。尚、図２においては、便宜上、制御回路１８が充放電切換スイッチ１９のみにゲート信号を出力するように示しているが、実際には、充放電切換スイッチ１９だけでなく、各スイッチング素子１５ａ，１５ｂ，１７ａ〜１７ｃにもゲート信号を出力するようになっている。
【００３６】
ここで、これらのスイッチング素子１５ａ，１５ｂ，１７ａ〜１７ｃがオンとなり、且つ充放電切換スイッチ１９がオフになると、第１〜第３のコンデンサ１１ａ〜１１ｃは互いに並列接続され、負荷２１に対して比較的高い電圧を供給することになる（図３中のＴ２参照：後述）。即ち、スイッチング素子１５ａ，１５ｂ，１７ａ〜１７ｃは、コンデンサ１１ａ〜１１ｃを並列接続する並列接続手段として機能する。
【００３７】
制御回路１８は、例えばＲＯＭ及びＲＡＭを備えたマイクロコンピュータチップ等が使用され、直列接続時の充電時間（直列充電期間Ｔ１：第１の期間）と並列接続時の消費時間（並列放電期間Ｔ２：第２の期間）とを調整することで、入力電圧Ｖｉｎに対して約３分の１倍の電圧を降圧装置１から出力するものである。
【００３８】
尚、図２中の符号７は、負荷２１に並列に接続された出力用コンデンサを示しており、この出力用コンデンサ７の充放電により、負荷２１に対して安定した出力電圧を供給するためのものである。
【００３９】
＜動作＞
上記構成の降圧装置１の動作を説明する。図３は充放電切換スイッチ１９、第１〜第５のスイッチング素子１５ａ，１５ｂ，１７ａ〜１７ｃ及び負荷２１に対する出力電圧を示すタイミングチャートであり、図３中の（Ａ）は充放電切換スイッチ１９のオンオフ状態、同図中の（Ｂ）は第１及び第２のスイッチング素子１５ａ，１５ｂのオンオフ状態、同図中の（Ｃ）は第３〜第５のスイッチング素子１７ａ〜１７ｃのオンオフ状態、同図中の（Ｄ）は負荷２１に与えられる出力電圧をそれぞれ示している。
【００４０】
まず、コンデンサ１１ａ〜１１ｃの充電時には、図３中の（Ａ）において、期間Ｔ１のように充放電切換スイッチ１９がオンとなって導通状態になる。また、その期間Ｔ１においては、図３中の（Ｂ）（Ｃ）の如く、各スイッチング素子１５ａ，１５ｂ，１７ａ〜１７ｃがオフとなる。
【００４１】
この期間Ｔ１において、３個のコンデンサ１１ａ〜１１ｃは、第１のダイオード１３ａ及び第２のダイオード１３ｂを通じて直列接続の状態であるため、ジェネレータ５の一端から与えられた入力電圧Ｖｉｎが、互いに直列接続された３個のコンデンサ１１ａ〜１１ｃに印加される。
【００４２】
この期間Ｔ１においては、入力電圧Ｖｉｎにより３個のコンデンサ１１ａ〜１１ｃが同時に充電される一方、図３中の（Ｄ）の如く、負荷２１への給電は出力用コンデンサ７からの放電により行われるため、負荷２１に出力される出力電圧は比較的小さくなる。
【００４３】
次に、コンデンサ１１ａ〜１１ｃの放電時においては、図３中の（Ａ）の期間Ｔ２のように、充放電切換スイッチ１９がオフとなって遮断状態になる。これと同時に、図３中の（Ｂ）（Ｃ）の期間Ｔ２のように、５個のスイッチング素子１５ａ，１５ｂ，１７ａ〜１７ｃがオンになって導通状態になる。
【００４４】
そうすると、３個のコンデンサ１１ａ〜１１ｃが互いに並列接続になり、負荷２１に電力を供給するとともに、コンデンサ７への充電が行われる。
【００４５】
ここで、負荷２１に出力される出力電圧は、図３中の（Ｄ）のように、負荷２１への給電が、３個のコンデンサ１１ａ〜１１ｃからの放電によりなされる期間（出力用コンデンサ７に充電している期間）Ｔ２で高い電圧となる一方、出力用コンデンサ７からの放電によりなされる期間（３個のコンデンサ１１ａ〜１１ｃが直列に接続されて充電されている期間）Ｔ１になるとそこから低下し始めることになる。
【００４６】
そこで、この直列充電期間Ｔ１と、並列放電期間Ｔ２とを変化させる制御を行うことにより、負荷２１に対する出力電圧を一定にすることができる。
【００４７】
具体的には、直列充電期間Ｔ１を長く、並列放電期間Ｔ２を短くすれば、負荷２１に対する出力電圧を高くすることができる。
【００４８】
かかる直列充電期間Ｔ１と並列放電期間Ｔ２を制御回路１８で調整することにより、入力電圧Ｖｉｎに対して約３分の１倍の電圧を容易に出力することができる。
【００４９】
尚、出力電流を大きくするためには、直列充電期間Ｔ１で、３個のコンデンサ１１ａ〜１１ｃに多くの電気を蓄えるようにすればよい。
【００５０】
以上のように、入力電圧Ｖｉｎを、複数のコンデンサ１１ａ〜１１ｃにより分圧して出力することで、コンデンサ１１ａ〜１１ｃの個数により大まかな降圧比を容易に調整でき、例えばＮ個のコンデンサを用いて入力電圧の約Ｎ分の１の出力電圧を出力するなど、大きな降圧比を容易に実現することができる。
【００５１】
また、チョッパ制御を利用した降圧装置に比べて、コイル（リアクタ）を使わないで済む分、小型化を実現することができる。
【００５２】
さらに、制御手段により第１の期間と第２の期間とを調整することで、細かな降圧調整を容易に行うことができる。
【００５３】
さらにまた、コンデンサ１１ａ〜１１ｃは、一般に電力損失が小さいことから、降圧装置全体の電力損失を可及的に小さくできる。
【００５４】
尚、上記実施形態では、３個のコンデンサ１１ａ〜１１ｃを用いて、入力電圧Ｖｉｎの約３分の１倍の電圧を出力する例について説明したが、Ｎ個（ただし、Ｎは２または４以上の整数）のコンデンサを使用して、入力電圧Ｖｉｎの約Ｎ分の１倍の電圧を出力するようにしてもよい。このように、Ｎ個のコンデンサにより、約Ｎ分の１倍の電圧を容易に得ることができるので、使用されるコンデンサの個数を設定するだけで、降圧比を自由に設定でき、設計が容易な降圧装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の一の実施形態に係る降圧装置が自動車に適用された状態を示すブロック図である。
【図２】本発明の一の実施形態に係る降圧装置を示す回路図である。
【図３】本発明の一の実施形態に係る降圧装置の各部の動作及び出力電圧を示すタイミングチャートである。
【符号の説明】
【００５６】
１  降圧装置
７  出力用コンデンサ
１１ａ〜１１ｃ  コンデンサ
１３ａ，１３ｂ  ダイオード
１５ａ，１５ｂ，１７ａ〜１７ｃ  スイッチング素子
１８  制御回路
１９  充放電切換スイッチ
２１  負荷
【図１】
2006014544.tif 000003
【図２】
2006014544.tif 000004
【図３】
2006014544.tif 000005