(57)【要約】【課題】昇圧装置を小型化し、回路内での電力損失を減らし、大きな昇圧比を実現する。【解決手段】複数のコンデンサ１１ａ〜１１ｃに対し、第１の期間で、第１及び第２のスイッチング素子１５ａ，１５ｂで並列接続して入力電圧Ｖｉｎによる充電を行うとともに、第２の期間で、第３及び第４のスイッチング素子１５ｃ，１５ｄで直列接続して負荷２１に対し昇圧放電を行う。第１の期間と第２の期間とを、制御回路１８で調整し、大きな昇圧比を実現する。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
2006014545.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力電圧を昇圧して出力する昇圧装置であって、
複数のコンデンサと、
前記複数のコンデンサを並列接続と直列接続とに接続切り換えする接続切換手段と、
前記複数のコンデンサを前記接続切換手段で並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接続切換手段で直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
を備える昇圧装置。
【請求項２】
請求項１に記載の昇圧装置であって、
前記接続切換手段は、前記制御回路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と直列接続の状態とに切り換えるスイッチ手段である、昇圧装置。
【請求項３】
請求項２に記載の昇圧装置であって、
前記接続切換手段により直列接続の状態とされた前記複数のコンデンサの出力部分に直列に接続される一方、前記接続切換手段により並列接続の状態とされた前記複数のコンデンサと並列に接続される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、昇圧装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、入力電圧を昇圧する昇圧装置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しながら負荷の駆動を行う必要がある。
【０００５】
このような様々な状況に応じて、入力電圧Ｖｉｎを調整して負荷に駆動電圧を印加するものとして、一般に昇圧装置（昇圧回路）が使用される。この昇圧装置は、ジェネレータ等からの入力電圧Ｖｉｎの電気エネルギーをコイル（リアクタ）で増大させながらチョッパ制御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昇圧比を制御する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
チョッパ制御を利用した昇圧装置は、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昇圧比を制御するものであるが、この昇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、十分な昇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。
【０００７】
また、チョッパ制御を利用した昇圧装置では、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。
【０００８】
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、且つ大きな昇圧比を実現し得る昇圧装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決すべく、請求項１に記載の発明は、入力電圧を昇圧して出力する昇圧装置であって、複数のコンデンサと、前記複数のコンデンサを並列接続と直列接続とに接続切り換えする接続切換手段と、前記複数のコンデンサを前記接続切換手段で並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接続切換手段で直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。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の昇圧装置であって、前記接続切換手段は、前記制御回路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と直列接続の状態とに切り換えるスイッチ手段である。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の昇圧装置であって、前記接続切換手段により直列接続の状態とされた前記複数のコンデンサの出力部分に直列に接続される一方、前記接続切換手段により並列接続の状態とされた前記複数のコンデンサと並列に接続される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。
【発明の効果】
【００１２】
請求項１及び請求項２に記載の発明の昇圧装置は、入力電圧を、並列状態とされた複数のコンデンサのそれぞれに充電し、これらの複数のコンデンサを直列接続に切り換えて昇圧放電を行うので、コンデンサの個数により大まかな昇圧比を容易に調整できる。したがって、例えばＮ個のコンデンサを用いて入力電圧の約Ｎ倍の出力電圧を出力するなど、大きな昇圧比を容易に実現することができる。
【００１３】
また、チョッパ制御を利用した昇圧装置に比べて、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。
【００１４】
しかも、コンデンサの充電を利用して高い出力電圧を出力するので、チョッパ制御を利用した昇圧装置に比べて電力損失が小さくなる。
【００１５】
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、細かな昇圧調整を容易に行うことができる。
【００１６】
請求項３に記載の発明の昇圧装置は、出力用コンデンサが、第２の期間に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、出力電圧の急峻な変化を防止して安定した電圧出力を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
＜構成＞
図１は本発明の一の実施形態に係る昇圧装置（昇圧回路）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はその昇圧装置１を示す回路図である。
【００１８】
この昇圧装置１は、図１の如く、ジェネレータ５等から入力電圧Ｖｉｎが与えられた場合に、その入力電圧Ｖｉｎを昇圧して負荷２１に出力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を昇圧して約Ｎ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倍に昇圧する例について説明する。
【００１９】
具体的に、この昇圧装置１は、図２の如く、負荷２１の両端に接続される出力用コンデンサ７と、３個のコンデンサ（第１〜第３のコンデンサ）１１ａ〜１１ｃと、これらのコンデンサ１１ａ〜１１ｃの各一端を交流電圧である入力電圧Ｖｉｎに対して並列に接続するための３個のダイオード１３ａ〜１３ｃと、３個のコンデンサ１１ａ〜１１ｃのうちの第２のコンデンサ１１ｂ及び第３のコンデンサ１１ｃの各他端のそれぞれの並列的な接地をオンオフする第１及び第２のスイッチング素子（スイッチ手段）１５ａ，１５ｂと、第１のコンデンサ１１ａ及び第２のコンデンサ１１ｂの直列接続をオンオフする第３のスイッチング素子（スイッチ手段）１５ｃと、第２のコンデンサ１１ｂ及び第３のコンデンサ１１ｃの直列接続をオンオフする第４のスイッチング素子（スイッチ手段）１５ｄと、第３のコンデンサ１１ｃの一端と負荷２１との間に接続された出力ダイオード１７と、各スイッチング素子１５ａ〜１５ｄのオンオフにより各コンデンサ１１ａ〜１１ｃの並列接続時の充電時間と直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に出力する昇圧電圧を調整にするようになっている。
【００２０】
尚、図２においては、便宜上、制御回路１８が第２のスイッチング素子１５ｂ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、第２のスイッチング素子１５ｂだけでなく、他の各スイッチング素子１５ａ，１５ｃ，１５ｄにもゲート信号を出力するようになっている。
【００２１】
出力用コンデンサ７は、当該出力用コンデンサ７の充放電により、負荷２１に対して安定した駆動電圧を供給するためのものである。
【００２２】
第１〜第３のダイオード１３ａ〜１３ｃのアノードは、交流出力を行うジェネレータ５の一端に接続される。
【００２３】
第１のコンデンサ１１ａの一端は、第１のダイオード１３ａのカソードに接続され、第１のコンデンサ１１ａの他端は、ジェネレータ５の他端に接続される。
【００２４】
第２のコンデンサ１１ｂの一端は、第２のダイオード１３ｂのカソードに接続され、第２のコンデンサ１１ｂの他端は、第１のスイッチング素子１５ａのコレクタに接続される。
【００２５】
第３のコンデンサ１１ｃの一端は、第３のダイオード１３ｃのカソードに接続され、第３のコンデンサ１１ｃの他端は、第２のスイッチング素子１５ｂのコレクタに接続される。
【００２６】
第１〜第４のスイッチング素子１５ａ〜１５ｄは、コンデンサ１１ａ〜１１ｃを並列接続と直列接続とに接続切り替えする接続切換手段として機能する。
【００２７】
即ち、第１のスイッチング素子１５ａは制御回路１８からのゲート入力に応じてオンオフするｎｐｎ型トランジスタであり、コレクタが第２のコンデンサ１１ｂの他端に接続され、エミッタが交流出力を行うジェネレータ５の他端に接続される。
【００２８】
第２のスイッチング素子１５ｂも制御回路１８からのゲート入力に応じてオンオフするｎｐｎ型トランジスタであり、コレクタが第３のコンデンサ１１ｃの他端に接続され、エミッタが交流出力を行うジェネレータ５の他端に接続される。
【００２９】
第３のスイッチング素子１５ｃも制御回路１８からのゲート入力に応じてオンオフするｎｐｎ型トランジスタであり、コレクタが、第１のダイオード１３ａと第１のコンデンサ１１ａとの接続点に接続され、エミッタが、第２のコンデンサ１１ｂと第１のスイッチング素子１５ａとの接続点に接続される。
【００３０】
第４のスイッチング素子１５ｄも制御回路１８からのゲート入力に応じてオンオフするｎｐｎ型トランジスタであり、コレクタが、第２のダイオード１３ｂと第２のコンデンサ１１ｂとの接続点に接続され、エミッタが、第３のコンデンサ１１ｃと第２のスイッチング素子１５ｂとの接続点に接続される。
【００３１】
出力ダイオード１７は、アノードが、第３のダイオード１３ｃと第３のコンデンサ１１ｃとの接続点に接続され、カソードが、負荷２１及び出力用コンデンサ７に共に接続される。
【００３２】
かかる各コンデンサ１１ａ〜１１ｃ及び各ダイオード１３ａ〜１３ｃの接続関係により、例えば接地用の第１及び第２のスイッチング素子１５ａ，１５ｂがオンで且つ直列接続用の第３及び第４のスイッチング素子１５ｃ，１５ｄがオフのときには、ジェネレータ５の一端から各ダイオード１３ａ〜１３ｃを通じて他端に流れる電流に対して、３個のコンデンサ１１ａ〜１１ｃは互いに並列に接続されていることになる。尚、かかる並列接続の状態では、各コンデンサ１１ａ〜１１ｃに対して入力電圧Ｖｉｎがそれぞれ与えられて充電がなされ、負荷２１に対して比較的小さな駆動電圧が供給されることになる（図３中のＴ１参照：後述）。
【００３３】
また、接地用の第１及び第２のスイッチング素子１５ａ，１５ｂがオフで且つ直列接続用の第３及び第４のスイッチング素子１５ｃ，１５ｄがオンのときには、第１〜第３のコンデンサ１１ａ〜１１ｃは直列に接続され、この直列に接続されたコンデンサ１１ａ〜１１ｃが電池として機能して、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）。
【００３４】
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、並列接続時の充電時間（並列充電期間Ｔ１：第１の期間）と直列接続時の消費時間（直列放電期間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倍の安定した電圧を昇圧装置１から出力するものである。
【００３５】
＜動作＞
上記構成の昇圧装置１の動作を説明する。図３は接地用の第１及び第２のスイッチング素子１５ａ，１５ｂ、直列接続用の第３及び第４のスイッチング素子１５ｃ，１５ｄ、各コンデンサ１１ａ〜１１ｃから負荷２１に与えられる出力電圧及び負荷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）は接地用の第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（Ｂ）は直列接続用の第３及び第４のスイッチング素子１５ｃ，１５ｄのオンオフ状態、同図中の（Ｃ）は各コンデンサ１１ａ〜１１ｃから負荷２１に与えられる出力電圧、同図中の（Ｄ）は負荷２１に印加される出力電圧をそれぞれ示している。
【００３６】
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のように接地用の第１及び第２のスイッチング素子１５ａ，１５ｂ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）の如く、直列接続用の第３及び第４のスイッチング素子１５ｃ，１５ｄがオフとなる。
【００３７】
この期間Ｔ１において、３個のコンデンサ１１ａ〜１１ｃは、上流側において各ダイオード１３ａ〜１３ｃを通じてジェネレータ５の一端に接続され、下流側において接地用の第１及び第２のスイッチング素子１５ａ，１５ｂを通じてジェネレータ５の他端に接続されるため、ジェネレータ５の一端から与えられた入力電圧Ｖｉｎが、互いに並列接続された３個のコンデンサ１１ａ〜１１ｃに共通に印加されるとともに、当該入力電圧Ｖｉｎが、さらに出力ダイオード１７を通じて負荷２１及び当該負荷２１に並列に接続された出力用コンデンサ７に共通に与えられる。
【００３８】
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、次第に第３のダイオード１３ｃ及び出力ダイオード１７を通じた入力電圧Ｖｉｎに収束するため、負荷２１に出力される出力電圧は比較的小さくなる。
【００３９】
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、接地用の第１及び第２のスイッチング素子１５ａ，１５ｂがオフになって遮断状態になる。これと同時に、図３中の（Ｂ）の期間Ｔ２のように、直列接続用の第３及び第４のスイッチング素子１５ｃ，１５ｄがオンになって導通状態になる。
【００４０】
そうすると、３個のコンデンサ１１ａ〜１１ｃが直列接続された状態になり、期間Ｔ１における並列接続の状態に比べて、コンデンサ１１ａ〜１１ｃの個数（３個）分の昇圧が行われて、負荷２１に昇圧された電力を供給するとともに、出力コンデンサ７への充電が行われる。
【００４１】
ここで、負荷２１に出力される駆動電圧は、図３中の（Ｄ）のように、３個のコンデンサ１１ａ〜１１ｃが直列に接続されて放電されるとともに、出力用コンデンサ７に充電がなされる直列放電期間Ｔ２で高い電圧となる一方、３個のコンデンサ１１ａ〜１１ｃが並列に接続されて充電されるとともに出力用コンデンサ７から放電がなされる並列充電期間Ｔ１になると低下し始めることになる。
【００４２】
ただし、直列放電期間Ｔ２に比べて並列充分期間Ｔ１が短い場合は、直列放電期間Ｔ２の開始時点で充分な充電が行われないことから、負荷２１に対する出力電圧が全体的に低下する。図４は、この実施形態に係る昇圧装置において並列充電期間Ｔ１と直列放電期間Ｔ２を変化させた場合の負荷２１に印加される出力電圧の変化を示す図であって、同図（Ａ）は並列充電期間Ｔ１が直列放電期間Ｔ２より長い場合、同図（Ｂ）は並列充電期間Ｔ１が直列放電期間Ｔ２と同等である場合、同図（Ｃ）は並列充電期間Ｔ１が直列放電期間Ｔ２より短い場合をそれぞれ示している。図４（Ａ）〜（Ｃ）の通り、並列充電期間Ｔ１が直列放電期間Ｔ２より長い場合の方が、並列充電期間Ｔ１が直列放電期間Ｔ２より短い場合に比べて、負荷２１に印加される出力電圧が全体的に増大する。
【００４３】
そこで、制御回路１８での制御により、並列充電期間Ｔ１と直列放電期間Ｔ２とを制御することで、負荷２１に出力する昇圧電圧を調整することができる。具体的には、直列放電期間Ｔ２に対して並列充電期間Ｔ１を長くすれば、負荷２１に対する出力電圧を高くすることができ、入力電圧Ｖｉｎに対して約３倍の電圧を効率的に出力することができる。
【００４４】
以上のように、複数のコンデンサ１１ａ〜１１ｃを、スイッチング素子１５ａ〜１５ｄにより昇圧放電のための直列接続と、入力電圧Ｖｉｎによる充電のための並列接続とを切り換えることとし、この並列充電期間Ｔ１と直列放電期間Ｔ２とを制御して昇圧を行っているので、直列接続されるコンデンサ１１ａ〜１１ｃの個数により大まかな昇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倍の出力電圧を出力するなど、大きな昇圧比を容易に実現することができる。
【００４５】
また、チョッパ制御を利用した昇圧装置に比べて、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。
【００４６】
さらに、コンデンサ１１ａ〜１１ｃは、一般に電力損失が小さいことから、昇圧装置全体の電力損失を可及的に小さくできる。
【００４７】
また、制御回路１８により第１の期間（並列充電期間）Ｔ１と第２の期間（直列放電期間）Ｔ２とを調整することで、細かな昇圧調整を容易に行うことができる。
【００４８】
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、昇圧比を自由に設定でき、設計が容易な昇圧装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の一の実施形態に係る昇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昇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昇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。
【図４】本発明の一の実施形態に係る昇圧装置において並列充電期間と直列放電期間を変化させた場合の負荷に印加される出力電圧の変化を示す図である。
【符号の説明】
【００５０】
１  昇圧装置
７  出力用コンデンサ
１１ａ〜１１ｃ  コンデンサ
１３ａ〜１３ｃ  第１〜第３のダイオード
１５ａ，１５ｂ  接地用のスイッチング素子
１５ｃ，１５ｄ  直列接続用のスイッチング素子
１７  出力ダイオード
１８  制御回路
２１  負荷
【図１】
2006014545.tif 000003
【図２】
2006014545.tif 000004
【図３】
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【図４】
2006014545.tif 000006