(57)【要約】  【課題】単相３線式出力を取り出し可能な電源装置において、発電機の出力能力を最大限利用することができると共に、部品点数を大幅に削減できるようにすること。  【解決手段】発電機１の出力をＤＣ変換部２で整流する。ＤＣ変換部２の出力をＤＣ−ＤＣ変換部３で電圧調整し、さらにＤＣ−ＡＣ変換部４で所定周波数のＡＣ出力に変換する。ＤＣ−ＡＣ変換部４は、ＤＣ−ＤＣ変換部３から出力される直流電圧の中点を形成するための中点変換部４−１、インバータ４−２、フィルタ４−３を備え、単相３線式出力を出力ライン５−１〜５−５に出力する。  【選択図】図２
2006020470.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源出力を所定周波数の交流電力に変換して出力するインバータを備える電源装置において、
前記直流電源出力をスイッチングして所定電圧に調整して前記インバータに供給するＤＣ−ＤＣコンバータを設けると共に、
前記ＤＣ−ＤＣコンバータの出力側に、前記ＤＣ−ＤＣコンバータから出力される直流電圧の中点を形成するための中点変換手段を設けたこと特徴とする電源装置。
【請求項２】
前記中点変換手段は、前記ＤＣ−ＤＣコンバータから出力される直流電圧の１／２の中点を形成するためにスイッチング駆動されるスイッチング回路で構成されることを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
【請求項３】
前記スイッチング回路は、互いに直列接続された一組のスイッチング素子で構成され、前記一組のスイッチング素子は交互にスイッチング駆動されることを特徴とする請求項２に記載の電源装置。
【請求項４】
前記ＤＣ−ＤＣコンバータは、昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電源装置に関し、特に、エンジンで駆動される発電機などを電力源として、単相３線式出力を取り出すことができる電源装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
エンジン駆動式発電機などの発電装置は、携帯用から非常用までさまざまな用途の電源装置として普及している。このような電源装置は、小規模に構成可能であるという特徴を有するが、さらに、さまざまな負荷に対応できるように単相３線式出力の取り出しが可能であるという要求も高まっている。
【０００３】
図５は、単相３線式出力の取り出しが可能な、従来の電源装置の機能ブロック図である。同図に示すように、電源装置は、エンジンにより駆動される発電機１を備える。発電機１の固定子には２系統の出力巻線１−１、１−１′がそれぞれ独立して巻装される。出力巻線１−１、１−１′の出力はそれぞれ、整流回路からなるＤＣ変換部２、２′で整流され、さらにＤＣ−ＤＣコンバータからなるＤＣ−ＤＣ変換部３、３′で電圧調整されてＤＣ−ＡＣ変換部４、４′に与えられる。ＤＣ変換部とＤＣ−ＤＣコンバータはまとめられて、整流回路兼用のサイリスタ式レギュレータとして構成されることもある。ＤＣ−ＡＣ変換部４、４′はそれぞれインバータを含み、ＤＣ−ＤＣ変換部３、３′のＤＣ出力をＤＣ−ＡＣ変換して所定周波数のＡＣ出力を出力する。
【０００４】
ＤＣ−ＡＣ変換部４、４′の出力側においてそれぞれのライン５−１、５−２、５−３、５−４の片側ライン５−２と５−３が共通ライン５−５として結合される。単相３線式出力として、共通ライン５−５とライン間５−１または５−５と５−４間からＡＣ１００Ｖを取り出すことができ、ライン５−１と５−４間からＡＣ２００Ｖを取り出すことができる。このような電源装置は特許文献１に記載されている。
【特許文献１】特開２０００−２０９８７２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記従来の電源装置によれば、携帯型あるいは可搬型の小型発電機を用いて単相３線式出力を容易に取り出すことができる。しかしながら、この電源装置では、２系統の出力巻線を独立して設け、また、その出力をそれぞれ個別にＤＣ変換、ＤＣ−ＤＣ変換およびＤＣ−ＡＣ変換した後に結合しているため、共通ラインと他のライン間の片側の１出力、例えばＡＣ１００Ｖのみが使用される場合、取り出し得る最大出力は、発電機の全出力能力の半分程度に制限されてしまうことになる。
【０００６】
また、発電機の出力巻線からＤＣ−ＡＣ変換部に至る出力回路が２系統必要であるため、インバータを初めとして多くの回路部品の点数が増加し、部品点数の増加によるコスト増加、回路構成の複雑化が避けられない。
【０００７】
本発明の目的は、上記課題を解決し、単相３線式出力を取り出し可能な電源装置において、発電機の出力能力を最大限利用することができると共に、部品点数を大幅に削減できるようにすることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記した課題を解決するために、本発明は、直流電源出力を所定周波数の交流電力に変換して出力するインバータを備える電源装置において、前記直流電源出力をスイッチングして所定電圧に調整して前記インバータに供給するＤＣ−ＤＣコンバータを設けると共に、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの出力側に、前記ＤＣ−ＤＣコンバータから出力される直流電圧の中点を形成するための中点変換手段を設けたことを第１の特徴としている。
【０００９】
また、本発明は、前記中点変換手段が、前記ＤＣ−ＤＣコンバータから出力される直流電圧の１／２の中点を形成するためにスイッチング駆動されるスイッチング回路で構成されることを第２の特徴としている。
【００１０】
また、本発明は、前記スイッチング回路が、互いに直列接続された一組のスイッチング素子で構成され、前記一組のスイッチング素子は交互にスイッチング駆動されることを第３の特徴としている。
【００１１】
さらに、本発明は、前記ＤＣ−ＤＣコンバータが、昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータであることを第４の特徴としている。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の第１の特徴によれば、共通ラインと他のライン間の片側の１出力が使用される場合でも、発電機の全出力能力に見合う最大出力を取り出すことが可能になる。また、発電機の出力巻線からインバータに至る出力回路を１系統として構成することができるため、部品点数を大幅に削減することが可能になる。
【００１３】
また、第２の特徴によれば、スイッチング回路のスイッチング動作を利用して、ＤＣ−ＤＣコンバータから出力される直流電圧の１／２の中点を形成するようにしているため、中点を簡単に形成することができる。
【００１４】
また、第３の特徴によれば、スイッチング回路を互いに直列接続された一組のスイッチング素子で構成し、それらのスイッチング素子を交互にスイッチング駆動して、ＤＣ−ＤＣコンバータから出力される直流電圧の１／２の中点を形成するようにしているため、中点を簡単に形成することができる。なお、一組のスイッチング素子は、出力される平均電圧が実質的に１／２になるように交互にスイッチング駆動すればよく、インバータの駆動に同期させる必要はなく、その駆動は容易である。もちろん、インバータの駆動に同期させてもよい。
【００１５】
さらに、第４の特徴によれば、インバータの出力側から単相３線式出力を取り出すために、その入力側に与えなければならない電圧をＤＣ−ＤＣコンバータで容易かつ十分に形成することができるので、発電機や整流回路を高電圧仕様にする必要がなくなる。また、必要に応じて、高電圧・低電流、低電圧・大電流の仕様を選ぶことも可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、図面を参照して本発明を詳細に説明する。図１は、本発明に係る電源装置を示す機能ブロック図である。図１において図５と同一または同等部分には同じ番号を付してある。図１において、発電機１は、例えば３相の多極磁石発電機からなる。発電機１は、固定子に巻装された１系統の出力巻線１−１を備える。
【００１７】
ＤＣ変換部２は、ブリッジ接続された整流素子を有し、発電機１の出力を整流する整流回路として機能する。ＤＣ−ＤＣ変換部３は、ＤＣ−ＤＣコンバータからなり、ＤＣ変換部２の出力電圧を調整して次段のＤＣ−ＡＣ変換部４に与える。
【００１８】
ＤＣ−ＡＣ変換部４の入力電圧は、その出力側に規定のＡＣ電圧ピーク値が得られるように単相３線式の出力電圧以上であることが必要であり、ＤＣ−ＤＣ変換部３は、ＤＣ変換部２の出力電圧を調整してＤＣ−ＡＣ変換部４の入力側が必要とする電圧を出力する。発電機１やＤＣ変換部２を高電圧仕様にする必要をなくすという点からは、ＤＣ−ＤＣ変換部３を構成するＤＣ−ＤＣコンバータは、昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータであるのがよい。
【００１９】
ＤＣ−ＡＣ変換部４は、ＤＣ−ＤＣ変換部３の出力を所定周波数のＡＣ電力に変換して出力する。ＤＣ−ＡＣ変換部４は、ＤＣ−ＤＣコンバータ３から出力されるＤＣ電圧の中点を形成するための中点変換部、インバータ、およびフィルタからなる。ＤＣ−ＡＣ変換部４の出力側から単相３線式出力、例えばライン５−５と５−１間および５−５と５−４間からＡＣ１００Ｖを取り出すことができ、ライン５−１と５−４間からＡＣ２００Ｖを取り出すことができる。
【００２０】
図２は、ＤＣ−ＤＣ変換部３とＤＣ−ＡＣ変換部４の具体例を示す回路図である。なお、図１と同一あるいは同等部分には同じ番号を付してある。
【００２１】
ＤＣ−ＤＣ変換部３は、コンデンサＣ１、Ｃ２、チョークコイルＬ１、ＭＯＳＦＥＴ３−１およびダイオードＤ１を有する。このＤＣ−ＤＣ変換部３は、ＭＯＳＦＥＴ３−１がオンすると、チョークコイルＬ１にエネルギを貯え、貯えたエネルギをＭＯＳＦＥＴ３−１がオフしたときに出力側に放出することで昇圧を行う昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータとして機能する。ＭＯＳＦＥＴ３−１のオン期間をＰＷＭ変調することで出力のＤＣ電圧が調整される。ＤＣ変換部２が、例えばＤＣ２００Ｖを出力するとき、ＤＣ−ＤＣ変換部３は、ライン５−１と５−４間からＡＣ２００Ｖを取り出すために必要となるＤＣ−ＡＣ変換部４の十分な入力として、ＤＣ３２０Ｖを出力する。
【００２２】
ＤＣ−ＡＣ変換部４は、ＤＣ−ＤＣ変換部３から出力される直流電圧の中点を形成するための中点変換部４−１、インバータ４−２、およびフィルタ４−３からなる。
【００２３】
中点変換部４−１は、ＤＣ−ＤＣ変換部３の出力ライン間に直列接続された一組のＭＯＳＦＥＴ４−１−１、４−１−２で構成され、両者の接続点から中点を形成するための出力ラインが導出される。ＭＯＳＦＥＴ４−１−１、４−１−２を、例えばデューティ比１／２で交互にオン駆動し、出力の実質的な平均電圧を１／２にすれば、ＤＣ−ＤＣ変換部３の出力電圧の１／２の中点を形成することができる。
【００２４】
インバータ４−２は、４つのＭＯＳＦＥＴ４−２−１〜４−２−４をブリッジ接続して構成される。この駆動は、周知のように、ＭＯＳＦＥＴ４−２−１と４−２−４のペア、４−２−２と４−２−３のペアを交互にオン、オフすることで行われる。
【００２５】
フィルタ４−３はコンデンサＣ３、Ｃ４とコイルＬ２〜Ｌ４からなり、中点変換部４−１とインバータ４−２の出力側に接続される。フィルタ４−３は中点変換部４−１とインバータ４−２による出力を平滑し、単相３線式出力を出力する。例えばライン５−５と５−１間および５−５と５−４間にＡＣ１００Ｖを出力し、ライン５−１と５−４間にＡＣ２００Ｖを出力する。
【００２６】
図３は、以上の動作を示すタイムチャートである。図３（ａ）、（ｂ）に示すように、インバータ４−２のＭＯＳＦＥＴ４−２−１と４−２−４のペア、４−２−２と４−２−３のペアを交互にオン、オフさせ、そのオン期間をＰＷＭ変調すると、出力ライン５−１と５−４間に、図３（ｃ）に示すような、ＡＣ２００Ｖを出力させることができる。
【００２７】
また、図３（ｄ）、（ｅ）に示すように、中点変換部４−１のＭＯＳＦＥＴ４−１−１、４−１−２をデューティ比１／２で交互にオン、オフさせると、出力ライン５−５をＡＣ２００Ｖの中点にすることができる。従って、出力ライン５−５と５−１間および５−５と５−４間にＡＣ１００Ｖを出力させることができる。なお、ＭＯＳＦＥＴ４−１−１、４−１−２のオン、オフは、インバータ４−２の動作周期に同期させる必要はなく、両者のオン、オフによる出力の平均電圧が実質的に１／２になるように駆動すれば、出力ライン５−５に中点を形成することができる。
【００２８】
図４は、本発明に係る電源装置の具体的回路の一例を示す回路図であり、図２と同一あるいは同等部分には同じ番号を付してある。３相発電機１は、エンジンに連結され、エンジンにより駆動されるエンジン駆動式発電機であり、ここでは、エンジン始動用電動機として動作することもできる電動機兼用発電機としている。
【００２９】
発電機１は、エンジン（図示せず）に連結される。発電機１の出力側は、ＤＣ変換部２に接続される。ＤＣ変換部２は、ブリッジ接続された整流素子を有し、発電機１の出力を整流する。また、ＤＣ変換部２の各整流素子にはＭＯＳＦＥＴなどのスイッチング素子２−１〜２−６が並列接続されており、これらのスイッチング素子は、そのオン、オフによりＤＣ電圧を３相のＡＣ電圧に変換して発電機１に印加する駆動用インバータを構成している。ＤＣ変換部３の整流素子は、ＭＯＳＦＥＴのスイッチング素子の寄生ダイオードでよく、別途接続した接合ダイオードでもよい。
【００３０】
ＤＣ変換部２の出力側は、ＤＣ−ＤＣ変換部３に接続される。ＤＣ−ＤＣ変換部３の出力側は、ＤＣ−ＡＣ変換部４に接続される。ＤＣ−ＤＣ変換部３とＤ−ＡＣ変換部４は、図２と同じであるので説明を省略する。
【００３１】
ＤＣ変換部２とＤＣ−ＤＣ変換部３の接続点は、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ６の二次側に接続され、ＤＣ−ＤＣコンバータ６の一次側は、例えばバッテリ（１２Ｖ）からなるバッテリ７に接続される。
【００３２】
双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ６は、バッテリ７とＤＣ変換部２の出力との間で双方向に電力を融通するものであり、一次側の低圧側巻線６−１−１と二次側の高圧側巻線６−１−２を備えるトランス６−１含む。この双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ６の昇圧比は、低圧側巻線６−１−１と高圧側巻線６−１−２の巻線比により決定される。
【００３３】
低圧側スイッチング部６−２は、低圧側巻線６−１−１側に挿入され、高圧側スイッチング部６−３は、高圧側巻線６−１−２側に挿入される。低圧側スイッチング部６−２は、例えば、４つのＭＯＳＦＥＴ６−２−１〜６−２−４をブリッジ接続して構成され、高圧側スイッチング部６−３も同様に４つのＭＯＳＦＥＴ６−３−１〜６−３−４で構成される。
【００３４】
低圧側スイッチング部６−２および高圧側スイッチング部６−３の各ＭＯＳＦＥＴ６−２−１〜６−２−４、６−３−１〜６−３−４にはダイオードなどの整流素子が並列接続される。これらの整流素子もＭＯＳＦＥＴの寄生ダイオードでよく、別途接続した接合ダイオードでもよい。並列接続された整流素子を合わせれば、低圧側スイッチング部６−２および高圧側スイッチング部６−３はそれぞれ、スイッチング・ＤＣ変換部と考えることができる。
【００３５】
トランス６−１の高圧側巻線６−１−２側にはＬＣ共振回路６−４が挿入される。ＬＣ共振回路６−４は、低圧側スイッチング部６−２および高圧側スイッチング部６−３の少なくとも一方が駆動されたときに流れる電流を正弦波状にし、スイッチング損失を低減し、また、大電流によるＭＯＳＦＥＴ破壊を招かないように機能する。これは、正弦波状の電流の零クロス点付近でＭＯＳＦＥＴをオン、オフさせることができるからである。なお、ＬＣ共振回路６−４は、二次側ではなく一次側に設けてもよい。
【００３６】
低圧側スイッチング部６−２のＭＯＳＦＥＴ６−２−１〜６−２−４および高圧側スイッチング部６−３のＭＯＳＦＥＴ６−３−１〜６−３−４は、ＣＰＵなどからなる制御回路（図示せず）によりスイッチング制御される。なお、一次側および二次側に接続されているコンデンサＣ５、Ｃ６は、出力平滑用コンデンサである。
【００３７】
次に、図４の動作を説明する。双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ６が自動的に双方向で電力変換を行うように、その低圧側スイッチング部６−２と高圧側スイッチング部６−３とを完全同期で、すなわち同一の駆動信号で駆動する。この駆動は、周知のように、低圧側スイッチング部６−２においてはＭＯＳＦＥＴ６−２−１と６−２−４のペア、ＭＯＳＦＥＴ６−２−２と６−２−３のペアを交互にオン、オフし、高圧側スイッチング部６−３においてはＭＯＳＦＥＴ６−３−１と６−３−４のペア、ＭＯＳＦＥＴ６−３−２と６−３−３のペアを交互にオン、オフすることで行われる。
【００３８】
エンジンの始動時には、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ６の一次側から二次側への電力変換が行われ、これにより昇圧されたバッテリ７のＤＣ電圧が駆動用インバータ（ＤＣ変換部）２に与えられる。駆動用インバータ２は、このＤＣ電圧を３相のＡＣ電圧に変換して発電機１に印加し、これをエンジン始動用電動機として起動する。この起動は、駆動用インバータのＭＯＳＦＥＴ２−１〜２−６を周知のようにＰＷＭ駆動することにより行われる。この際、発電機（電動機）１の動きに従って逆起電圧で電流分配が変化することを利用して位相判別し、センサレスで同期駆動することができる。
【００３９】
エンジンが始動すると、発電機１はエンジンにより駆動されて出力を発生する。発電機１の出力は、ＤＣ変換部（駆動用インバータ）２で整流される。このとき、駆動用インバータを構成するＭＯＳＦＥＴ２−１〜２−６は駆動されず、発電機１の出力は、ＤＣ変換部２の整流素子で全波整流される。ＤＣ変換部２の出力は、ＤＣ−ＤＣ変換部３で平滑・調整される。ＤＣ電圧の調整は、例えばＭＯＳＦＥＴをＰＷＭ変調することにより行われる。ＤＣ−ＤＣ変換部３の出力は、さらにＤＣ−ＡＣ変換部４で所定周波数のＡＣ出力に変換される。ＤＣ−ＡＣ変換部４は、図２を参照して説明したように、単相３線式出力を出力する。
【００４０】
このときバッテリ７の残容量が少なければ、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ６は二次側より一次側への電力変換を行い、降圧されたＤＣ変換部２の出力でバッテリ７が充電される。また、過負荷状態になって発電機１の出力では負荷に対応しきれなくなると、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ６を通してバッテリ７からも電力が供給されるように電力変換が行われる。
【００４１】
このように双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ６は、トランス６−１の巻線比による一次側と二次側の相対電圧差に従い一次側と二次側とで自動的に電力のやり取りを行い、相互に電力を融通する。
【００４２】
本発明は、発電機とＤＣ変換部（整流回路）とからなる直流電源の場合だけでなく、燃料電池などの直流電源の場合にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明に係る電源装置を示す機能ブロック図である。
【図２】ＤＣ−ＤＣ変換部とＤＣ−ＡＣ変換部の具体例を示す回路図である。
【図３】図２の動作を示すタイムチャートである。
【図４】本発明に係る電源装置の具体的回路の一例を示す回路図である。
【図５】従来の電源装置の機能ブロック図である。
【符号の説明】
【００４４】
１・・・発電機、１−１，１−１′・・・出力巻線、２，２′・・・ＤＣ変換部（駆動用インバータ）、２−１〜２−６，３−１，４−１−１，４−１−２，４−２−１〜４−２−４，６−２−１〜６−２−４，６−３−１〜６−３−４・・・ＭＯＳＦＥＴ、３，３′・・・ＤＣ−ＤＣ変換部、４，４′・・・ＤＣ−ＡＣ変換部、４−１・・・中点変換部、４−２・・・インバータ、４−３・・・フィルタ、５−１〜５−５・・・出力ライン、６・・・双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ、６−１・・・トランス、６−１−１・・・低圧側巻線、６−１−２・・・高圧側巻線、６−２・・・低圧側スイッチング部、６−３・・・高圧側スイッチング部、６−４・・・ＬＣ共振回路、７・・・バッテリ、Ｃ１〜Ｃ６・・・コンデンサ、Ｌ１〜Ｌ４・・・コイル、Ｄ１・・・ダイオード
【図１】
2006020470.tif 000003
【図２】
2006020470.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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