(57)【要約】  【課題】出力電流が大きな領域を含む広い出力電流範囲にわたって所定電圧を維持した電力供給が可能な電源装置を提供すること。  【解決手段】エンジン１で駆動される発電機２の出力をＡＣ−ＤＣ変換部３で整流する。ＡＣ−ＤＣ変換部３の出力を、昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータからなるＤＣ−ＤＣ変換部５で昇圧するとともに電圧調整し、さらにインバータからなる電力変換部４で所定周波数のＡＣ出力に変換する。ＤＣ−ＤＣ変換部５は、電力変換部４の入力電圧を所定電圧に維持するようにスイッチング駆動される。発電機２は、例えば多極型の磁石発電機で構成される。  【選択図】図２
2006067780.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流発電機と該交流発電機の出力を整流する整流回路と該整流回路の直流出力を所定周波数および所定出力電圧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、
前記直流出力をスイッチング動作によって前記インバータの出力電圧維持に必要な所定電圧に昇圧調整して前記インバータに供給する昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータを設けたことを特徴とする電源装置。
【請求項２】
前記昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータは、前記インバータの出力電流の増加に伴う前記整流回路の直流出力の低下を補完するように昇圧動作して前記インバータの入力側電圧を所定電圧値に維持す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】
前記交流発電機は、多極型の磁石発電機で構成されることを特徴とする請求項１または２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発生された直流出力をインバータで交流電力に変換して出力す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。
【０００３】
図５は、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１により駆動される発電機２、ＡＣ−ＤＣ変換（整流）を行うＡＣ−ＤＣ変換部３、ＤＣ−ＡＣ変換を行う電力変換部４を備える。ＡＣ−ＤＣ変換部３は整流回路兼用のサイリスタ式レギュレータからなり、電力変換部３はインバータからなる。
【０００４】
発電機２の出力は、ＡＣ−ＤＣ変換部３によってＡＣ−ＤＣ変換されると共に電圧調整される。ＡＣ−ＤＣ変換部３の出力は、電力変換部４でＤＣ−ＡＣ変換される。例えば、発電機２の出力電圧はＡＣ４００Ｖであり、ＡＣ−ＤＣ変換部３はＡＣ４００Ｖを整流および電圧調整して、電力変換部４がＡＣ２４０Ｖを出力するのに十分な入力側電圧ＤＣ３４０Ｖ（≒２４０√２Ｖ）を出力する。電力変換部４はＡＣ２４０Ｖを出力する。このような電源装置は特許文献１、２に記載されている。
【特許文献１】特許第２５４０３０５号公報
【特許文献２】特開２００１−３０９６６６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は、ＡＣ−ＤＣ変換部３を構成する整流回路兼用のサイリスタ式レギュレータによって整流と電力変換部４に対する入力電圧の調整を同時に行うものであるため、合理的に構成されているといえる。しかしながら、電源装置の効率が発電機自体の運転効率に大きく影響されてしまうという課題がある。
【０００６】
例えば、電力変換部４を構成するインバータが出力電圧Ｖ１を出力するとすると、その入力には√２×Ｖ１以上の直流電圧が与えられる必要があるが、通常の発電機は、出力電流の増加に伴って出力電圧が低下するという特性を有するため、出力電流が大きくなると発電機から電力変換部４が必要とする直流電圧が得られなってしまう。したがって、出力電流が大きな領域では電力変換部４から負荷へ与えられる出力電圧が不足してしまう。
【０００７】
これを防ぐには発電機を高出力のものにすればよいが、特に、発電機として多極型の磁石発電機を使用する場合には、高負荷領域での出力電流増加に伴う出力電圧の低下が大きいため、ピークパワー時に前述の√２×Ｖ１以上の直流電圧を確保するためには著しく高電圧仕様の発電機を使用する必要があり、かつ高耐圧の素子が必要となる。
【０００８】
また、出力電流が小さくなって発電機の出力電圧が上昇したときには、電力変換部の入力電圧が過大にならないように、ＡＣ−ＤＣ変換部３（サイリスタ式レギュレータ）のサイリスタを所定期間オフするが、サイリスタがオフする所定期間の出力は捨てられることになるため、電源装置の効率が大きく低下することになる。
本発明の目的は、上記課題を解決し、出力電流が大きな領域を含む広い出力電流範囲にわたって高効率の動作が可能な電源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】
前記した課題を解決するために、本発明は、交流発電機と該交流発電機の出力を整流する整流回路と該整流回路の直流出力を所定周波数および所定出力電圧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、前記直流出力をスイッチング動作によって前記インバータの出力電圧維持に必要な所定電圧に昇圧調整して前記インバータに供給する昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータを設けたことを第１の特徴としている。
【００１０】
また、本発明は、前記昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータは、前記インバータの出力電流の増加に伴う前記整流回路の直流出力の低下を補完するように昇圧動作して前記インバータの入力側電圧を所定電圧値に維持することを第２の特徴としている。
【００１１】
さらに、本発明は、前記交流発電機が、多極型の磁石発電機で構成されることを第３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、整流回路の直流出力を昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータで昇圧してインバータに与えるようにしたので、出力電流が大きな領域であってもインバータが必要とする入力電圧を確保でき、広い出力電流範囲にわたって負荷への所定電圧を維持した電力供給が可能になる。したがって、整流回路の直流出力が比較的低電圧であっても安定した電力供給が可能になる。
【００１３】
また、発電機と整流回路により直流出力が生成され、発電機のＡＣ出力をＤＣ出力に変換するＡＣ−ＤＣ変換部が整流回路と昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータに分けて構成される、つまり整流回路の出力電圧が昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータで昇圧されるので、発電機の出力電圧は低くてよい。したがって、発電機自体を高耐圧仕様とする必要がなくなる。また、整流回路に高耐圧素子を使用する必要がなくなり、高耐圧素子として必要なのは昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータの制御素子のみであるので、低価格化を図ることができる。
【００１４】
また、第２の特徴によれば、昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータを、インバータの出力電流の増加に伴う整流回路の直流出力の低下を補完するように昇圧動作させて、インバータの入力側電圧を所定電圧値に維持するようにしたので、出力電流に合わせた電力供給が可能になる。
【００１５】
さらに、第３の特徴によれば、交流発電機として多極型の磁石発電機が使用される場合であっても、出力電流が大きな領域を含む広い出力電流範囲にわたって高効率の動作が可能になる。
【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。
【００１７】
エンジン１により駆動される発電機２は、例えば３相の多極磁石発電機からなる。ＡＣ−ＤＣ変換部３は、ブリッジ接続された整流素子を有し、発電機２の出力を整流する整流回路として機能する。ＤＣ−ＤＣ変換部５は、昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータからなり、ＡＣ−ＤＣ変換部３の出力電圧を昇圧するとともに電圧調整して次段の電力変換部５に与える。電力変換部４はインバータからなり、ＤＣ−ＤＣ変換部５の出力を所定周波数の交流電力に変換して出力する。
【００１８】
電力変換部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所定の直流電圧以上であることが必要であり、ＤＣ−ＤＣ変換部５は、ＡＣ−ＤＣ変換部３の出力電圧を昇圧して電力変換部４の入力側が必要とする直流電圧を出力する。
【００１９】
例えば、発電機２の出力電圧はＡＣ１８０Ｖであり、ＡＣ−ＤＣ変換部は、ＡＣ１８０Ｖを３相全波整流してそのピーク値のＤＣ２５０Ｖを出力する。ＤＣ−ＤＣ変換部５はＤＣ２５０Ｖを３４０Ｖに昇圧し、電力変換部４はＡＣ２４０Ｖを出力する。
【００２０】
図２は、本発明に係る電源装置の具体的回路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】
発電機２は３相の出力巻線２−１を有する。ＡＣ−ＤＣ変換部３は、整流素子３−１〜３−６を有し、発電機２の出力を３相全波整流する。このように、本発明ではＡＣ−ＤＣ変換部３を整流素子（ダイオード）のみで構成でき、サイリスタを用いる必要はない。
【００２２】
ＤＣ−ＤＣ変換部５は、ＭＯＳＦＥＴ５−１、チョークコイル５−２、コンデンサ５−３、５−４、整流素子５−５を有する。このＤＣ−ＤＣ変換部５は、ＭＯＳＦＥＴ５−１がオンすると、チョークコイル５−２にエネルギを貯え、貯えたエネルギをＭＯＳＦＥＴ５−１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。
【００２３】
電圧検出部１０はＤＣ−ＤＣ変換部５の出力電圧を検出する。これにより検出された電圧に従って制御部１１はドライバ１２を制御し、ＤＣ−ＤＣ変換部５の出力電圧が所定値に維持されるように、ＭＯＳＦＥＴ５−１のオン期間をＰＷＭ変調する。制御部１１は、また、ＤＣ−ＤＣ変換部５の出力電圧に従って後述する電力変換部４のドライバ１２を制御する。
【００２４】
電力変換部４は、４つのＭＯＳＦＥＴ４−１〜４−４がブリッジ接続されて構成されたインバータからなる。ドライバ１２は、周知のように、ＭＯＳＦＥＴ４−１と４−４のペア、４−２と４−３のペアを交互にオン、オフすることインバータを駆動する。また、制御部１１はドライバ１２を制御し、所定の電力供給が行われるようにＭＯＳＦＥＴ４−１〜４−４のオン期間をＰＷＭ変調する。
【００２５】
図３は、本発明と従来技術の違いを示すために、本発明で使用し得る発電機の特性（ａ）と従来技術で使用されている発電機の特性（ｂ）を示す。同図において、特性Ａは発電機の発生電圧と電流との関係を示し、特性Ｂは発電機の出力と電流との関係を示す。なお、発生電圧および出力は、ＡＣ−ＤＣ変換器の出力側での値、すなわち電力変換部の入力側での値を表している。
【００２６】
本発明では、ＡＣ−ＤＣ変換部３の出力電圧をＤＣ−ＤＣ変換部５で昇圧して電力変換部４の入力電圧とするため、昇圧後のＤＣ電圧が電力変換部４の出力ＡＣ電圧の√２倍以上あればよいので、発電機２の出力電圧は低くてよい。したがって、発電機２やＡＣ−ＤＣ変換部３を構成する整流素子３−１〜３−６を高耐圧仕様にする必要はない。
【００２７】
また、発電機の出力電圧が電力変換部４の入力電圧に満たない電圧領域でも負荷への所定電圧を維持した電力供給が可能であり、したがって、発電機を高電圧領域に至らない領域で運転し、その出力をそのまま利用することができるので、広い出力電流範囲にわたって安定に所定電圧を維持した電力供給が可能になる。しかも、電圧調整のために一部出力を捨てる必要はなくなるので、電源装置の効率を高めることができる。
【００２８】
これに対して、従来技術では、発電機の出力電圧が出力ＡＣ電圧の√２倍以下に低下する領域での運転を行うことができない。また、発電機の高効率電圧領域での出力をそのまま使用せず、電力変換部４の入力電圧が３４０Ｖになるように、その出力をＡＣ−ＤＣ変換部３で部分的に捨てているため、電源装置の効率がその分低下する。
【００２９】
図４は、本発明に係る電源装置の実施形態を具体的に示す回路図であり、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２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。
【００３０】
発電機２は、エンジン（図示せず）に連結される。発電機２の出力側に接続されるＡＣ−ＤＣ変換部３は、ブリッジ接続された整流素子３−１〜３−６を有し、発電機２の出力を整流する。また、ＡＣ−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。ＡＣ−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。
【００３１】
ＡＣ−ＤＣ変換部３の出力側に接続されるＤＣ−ＤＣ変換部５と電力変換部４は、図２と同じであるので説明を省略する。
【００３２】
ＡＣ−ＤＣ変換部３とＤＣ−ＤＣ変換部５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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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８、９は、出力平滑用コンデンサである。
【００３８】
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。
【００３９】
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（ＡＣ−ＤＣ変換部）３に与えられる。駆動用インバータ３は、このＤＣ電圧を３相のＡＣ電圧に変換して発電機２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ＭＯＳＦＥＴ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）２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。
【００４０】
エンジンが始動すると、発電機２はエンジンにより駆動されて出力を発生する。発電機２の出力は、ＡＣ−ＤＣ変換部（駆動用インバータ）３で整流される。このとき、駆動用インバータを構成するＭＯＳＦＥＴは駆動されず、発電機２の出力は、ＡＣ−ＤＣ変換部３の整流素子３−１〜３−６で全波整流される。ＡＣ−ＤＣ変換部３の出力は、ＤＣ−ＤＣ変換部５で昇圧されとともに電圧調整される。ＤＣ電圧の調整は、例えばＭＯＳＦＥＴ５−１をＰＷＭ変調することにより行われる。ＤＣ−ＤＣ変換部５の出力は、さらに電力変換部４で所定周波数のＡＣ出力に変換されて出力される。
【００４１】
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ＡＣ−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２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。
【００４２】
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。
【００４３】
本発明は、発電機とＡＣ−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。
【００４４】
以上、実施形態を説明したが、本発明は、種々に変形可能である。例えば、昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータと共に降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータを設け、両者を使い分けることにより、ただ１つの直流電源から２００Ｖ系と１００Ｖ系などといった電圧値の異なる系統に電力を供給することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【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】本発明に係る電源装置の具体的回路例を示す回路図である。
【図３】本発明と従来技術の違いを説明するための説明図である。
【図４】本発明に係る電源装置の実施形態を具体的に示す回路図である。
【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】
【００４６】
１・・・エンジン、２・・・発電機、２−１・・・出力巻線、３・・・ＡＣ−ＤＣ変換部（駆動用インバータ）、３−１〜３−６，５−５・・・整流素子、４・・・電力変換部、４−１〜４−４，５−１・・・ＭＯＳＦＥＴ、５・・・ＤＣ−ＤＣ変換部、５−２・・・コイル、５−３，５−４，８，９・・・コンデンサ、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、１０・・・電圧検出部、１１・・・制御部、１２，１３・・・ドライバ１
【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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