(57)【要約】【課題】バックアップ時の消費電力が小さく、バッテリ電源の放電に伴う不具合を生じさせることなく電子機器に電源の供給が電力変換器を提供する。【解決手段】スイッチ素子Ｑと、低電圧側ＬＶに流れる電流を平滑化するコンデンサＣ及び直流リアクトルＬと、低電圧側ＬＶの電流を還流するダイオードＤとを具える。スイッチ素子Ｑは、通常変換時、非線形動作を行い、バックアップ時、線形動作を行う。本発明変換器は、変換動作の際の消費電力が従来と比較して小さく、通常変換時及びバックアップ時の双方において電力の供給が可能である。【選択図】　図３
2004112943.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スイッチ素子のオン／オフにより高電圧側からの入力電圧を低電圧に変換する電力変換器であって、
前記スイッチ素子は、線形動作及び非線形動作を行う素子であることを特徴とする電力変換器。
【請求項２】
スイッチ素子は、半導体からなることを特徴する請求項１に記載の電力変換器。
【請求項３】
スイッチ素子は、ワイドバンドギャップ半導体からなることを特徴とする請求項１に記載の電力変換器。
【請求項４】
スイッチ素子は、スイッチ素子の制御端子に電圧が入力されないときにスイッチが導通する素子であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の電力変換器。
【請求項５】
変換器内部には、変換器の出力電圧を一定に保持するための固定負荷を具えることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の電力変換器。
【請求項６】
変換器内部には、変換器の出力電圧を一定に保持するための可変負荷を具えることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の電力変換器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高電圧から低電圧に電圧値を変換する電力変換器に関するものである。特に、通常変換時だけでなく、バックアップ時の電圧供給が可能な電力変換器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、自動車には、オーディオやヘッドライトなどの電装品（電子機器）が搭載されている。これら電装品は、通常、１３．２Ｖ系（消費電流１００Ａ程度）であり、その電力は、自動車の発電機に接続されたバッテリ電源により賄う。現行のガソリン自動車の多くは、１３．２Ｖのバッテリ電源が用いられており、電子機器にバッテリ電源を直接接続することができる。しかし、近年、バッテリ電源の高電圧化が進み、特に、ＨＥＶ（ハイブリッドカー）やＥＶ（電気自動車）では、１００Ｖ〜５００Ｖ程度のバッテリ電源を使用している。そこで、１３．２Ｖの低電圧に変換するために、通常、図７に示す非絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータが用いられる。
【０００３】
図７に示す非絶縁型コンバータ（直流チョッパ型コンバータ）は、高電圧側ＨＶに接続されたスイッチ素子Ｑのオン／オフの期間の比率によって変圧するもので、通常、一定間隔でオン／オフを繰り返す（例えば、非特許文献１参照）。スイッチ素子Ｑがオンのとき、高電圧側ＨＶに接続された発電機から低電圧側ＬＶに接続された電装品に電圧を通過させる。このとき、２次側に接続された直流リアクトルＬ及びコンデンサＣにより平滑化にされて低電圧が生成される。スイッチ素子Ｑがオフのとき、高電圧側ＨＶからの電圧を遮断し、ダイオードＤを介して還流する。
【０００４】
【非特許文献１】
戸川治朗著「実用電源回路設計ハンドブック」　ＣＱ出版社　１９８８年５月２０日発刊　第９２ページ
【０００５】
このコンバータにおいてスイッチ素子は、非線形動作のみを行う、即ち、過渡期を除いてオン又はオフの状態のみを取る。そのため、自動車を使用しない場合などで電圧変換を行わない場合（通常、スイッチ素子の制御端子に電圧（信号）が何も加えられない状態）では、スイッチ素子がオフとなり、低電圧側に電圧が発生しない。従って、スイッチ素子の２次側（低電圧側）の電圧は、高電圧と０Ｖの矩形波となる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
近年、車載電子機器の高機能化が進み、電子機器内部にメモリ機能を有するものが急増しつつある。これらメモリ内容のバックアップのために、自動車を使用しない場合（エンジンを停止させて発電機も停止させた状態）にも、非常に微少ではあるが電子機器に電力を供給する必要がある。しかし、上記コンバータでは、自動車の非使用時などの電圧変換を行わない場合、低電圧側に電圧が供給されないため、１３．２Ｖ系の電子機器を動作させるバックアップ用のＤＣ／ＤＣコンバータを別途設けることが考えられる。
【０００７】
ここで、ＤＣ／ＤＣコンバータは、スイッチ電源などによりバッテリ電源を降圧させて１３．２Ｖを生成する際、スイッチ回路やＰＷＭ（パルス幅変調）制御ＩＣなどが電力を消費する。自動車が走行している際、即ち、エンジンが動作しており発電機も動作している自動車の使用時は、バッテリ電源によりコンバータに電力を供給することができる。しかし、従来のコンバータでは、消費電力が大きいため、エンジンが停止して発電機も停止している自動車の非使用時にバッテリ電源からコンバータの電力を得ると、この電力消費によりバッテリ電源が放電され、放電が進むと、エンジン始動や走行に支障をきたしたり、過放電によりバッテリが損傷するなどの問題がある。
【０００８】
そのため、従来は、通常、電子機器の専用バッテリを設置して、専用バッテリから電子機器にバックアップ用の電源を供給している。しかし、この構成では、モータ駆動用と別個に電子機器用のバッテリを設置しなければならず、スペース的にも重量的にも無駄が多いという問題がある。
【０００９】
そこで、本発明の主目的は、バックアップ時の消費電力が小さく、バッテリ電源の放電に伴う不具合を生じさせることなく電子機器に電源の供給が可能な電力変換器を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、供給電流によって異なる二つの動作を行うスイッチ素子を用いることで上記目的を達成する。
【００１１】
即ち、本発明は、スイッチ素子のオン／オフにより高電圧側からの入力電圧を低電圧に変換する電力変換器であって、前記スイッチ素子は、線形動作及び非線形動作を行う素子であることを特徴とする。
【００１２】
本発明は、自動車の使用時などでエンジンが動作しており発電機も動作している通常変換時と、自動車の非使用時などでエンジンが停止しており発電機も停止しているバックアップ時とにおいて、スイッチ素子の異なる二つの動作モードを使い分けるものである。具体的には、低電圧側の消費電流が大きい（高電圧側からの供給電流が大きい）ときに非線形動作を行い、低電圧側の消費電流が小さいときに線形動作を行うスイッチ素子を用いることを規定する。このようなスイッチ素子を用いることで、消費電力を小さくすることができ、バッテリ電源の過放電を抑制し、放電による不具合を低減する。また、このようなスイッチ素子を用いることで、別途バックアップ用のバッテリを設ける必要もない。以下、本発明をより詳しく説明する。
【００１３】
本発明においてスイッチ素子は、供給電流により線形動作及び非線形動作を行う素子であればよく、特に、半導体からなるものが好ましい。半導体からなるスイッチ素子を用いると、通常変換時及びバックアップ時共に電力変換の際の損失を低減することができる。半導体からなるスイッチ素子としては、例えば、ＪＦＥＴ（接合形電界効果トランジスタ）、ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）、バイポーラトランジスタ、サイリスタ、ＧＴＯ（ゲートターンオフサイリスタ）、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）などが挙げられる。特に、ワイドバンドギャップ半導体からなるスイッチ素子を用いると、従来よく用いられているＳｉ系半導体からなるスイッチ素子よりも、より低損失で高速動作ができて好ましい。
【００１４】
従来のＤＣ／ＤＣコンバータのスイッチ素子は、上記のように非線形動作を行うことから、スイッチ素子の制御端子に電圧（信号）が入力されないときに非導通する（オフとなる）、いわゆるノーマリオフ（ノーマリオープン）のデバイスがよく使われる。このノーマリオフタイプのスイッチ素子を用いる場合、低電圧側にバックアップ電圧を供給するときにゲートの電圧を一定値に保持すればよいが、ゲートに加える電圧を生成する必要があり、バックアップ時の消費電力が増大してしまう。そこで、スイッチ素子は、スイッチ素子の制御端子に信号が入力されないときにスイッチが導通する（オンとなる）、いわゆるノーマリオン（ノーマリクローズ）タイプの素子を用いることが好ましい。ノーマリオンタイプのスイッチ素子は、バックアップ時に電力供給のための制御信号の生成をより小さな消費電力で容易に行うことができる。
【００１５】
バックアップ電力が必要とされる電子機器の接続数を増減すると、電子機器への供給電流が変動するが、この変動に対しても安定した電力（電圧）を電子機器に供給することが望まれる。従って、供給電流の変動を抑制することが好ましい。そこで、本発明では、更に、変換器内部に変換器の出力電圧を一定に保持するための固定負荷を設ける。そして、必要とされるバックアップ電流値（出力電流）を予め算出しておき、この電流値に応じて変換器内部に固定負荷をダミーとして設けておき、供給電流を一定に保つことで出力電圧を一定にする。
【００１６】
また、バックアップ電力を必要とする電子機器の消費電流は、温度変化などによる電子部品の特性変動などにより変動する恐れがある。そこで、本発明は、更に、変換器内部に変換器の出力電圧を一定に保持するための可変負荷を具える。可変負荷は、負荷の値を動的に変化させることが可能なものであればよい。また、電圧変化を認識できるように電圧計を具えることが好ましい。そして、電圧計により電圧の変化をモニタして、消費電流の変化により可変負荷の値を調節する、即ち、可変負荷の大小を動的に制御することで出力電圧を一定値にし、バックアップ時、電子機器の消費電流が動的に増減しても、安定した電力（電圧）を供給することが可能となる。このような変動負荷は、単独で設けてもよいが、上記固定負荷と合わせて設けてもよい。固定負荷で大まかな調整を行い、可動負荷で微調整を行うという構成とすれば、より幅広い適用が可能である。
【００１７】
なお、今後、ＨＥＶやＦＣＥＶ（燃料電池自動車）の普及につれて、自動車用のバッテリの高電圧化が進んでくることが予想されるが、電子機器は、特に、安全性の観点から継続して１３．２Ｖでの動作となる可能性がある。本発明変換器は、１３．２Ｖ系の電子機器にはもちろん、他の電圧系にも適用可能である。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
＜基本構成＞
図１は、本発明変換器の基本構成を示す回路図であって、図２（Ａ）は、通常変換時の電圧の波形図、（Ｂ）は、バックアップ時の電圧の波形図である。本発明変換器は、スイッチ素子Ｑのオン／オフにより高電圧側ＨＶからの入力電圧を低電圧に変換するもので、スイッチ素子Ｑとして、線形動作及び非線形動作を行うデバイスを用いる。即ち、スイッチ素子Ｑは、オフの場合でも、低電圧側ＬＶに微量の電流が流れる特性を有するリレーを用いる。なお、本発明変換器は、図１に示すようにトランスを介在させていない非絶縁型コンバータである。
【００１９】
この構成により、低電圧側ＬＶの消費電流が大きい（高電圧側ＨＶからの供給電流が大きい）通常変換時、図２（Ａ）に示すようにスイッチ素子Ｑがオフ（ｏｆｆ）のとき、低電圧側ＬＶの電圧はほぼ０にまで落ち、オン（ｏｎ）のとき、低電圧側ＬＶは、一定の電圧値をとる。逆に、低電圧側ＬＶの消費電流が小さいバックアップ時、図２（Ｂ）に示すようにスイッチ素子Ｑがオフ（ｏｆｆ）及びオン（ｏｎ）のとき、低電圧側ＬＶは、それぞれ異なる一定の電圧値をとる。このようにスイッチ素子Ｑは、通常変換時非線形の素子として用い、バックアップ時、電流によって電圧成分が決まる、即ち、抵抗成分の非線形の素子として用いる。このようなスイッチ素子を用いた本発明変換器は、変換動作の際の消費電力が従来と比較して小さく、例えば自動車に用いると、バックアップ時にバッテリ電源が放電して不具合が生じることがない。また、本発明変換器は、通常変換時及びバックアップ時の双方において電力の供給が可能であるため、電子機器の専用バッテリを具える必要もない。
【００２０】
＜実施例１＞
図３は、本発明変換器の一例を示す回路図である。この変換器は、基本的構成は、図７に示す非絶縁型コンバータと同様である。即ち、スイッチ素子Ｑと、低電圧側ＬＶに流れる電流を平滑化するコンデンサＣ及び直流リアクトルＬと、低電圧側ＬＶの電流を還流するダイオードＤとを具える。本発明の特徴とするところはスイッチ素子Ｑであり、通常変換時、非線形動作を行い、バックアップ時、線形動作を行うものを用いる。本例では、ノーマリオンのデバイス、より具体的には、ｎ形チャンネルノーマリオンタイプのＪＦＥＴで、ワイドバンドギャップ半導体からなるものを用いた。なお、スイッチ素子Ｑのゲートｇを駆動する素子としてバイポーラトランジスタＢＴ１、ＢＴ２を具える。
【００２１】
この回路において、通常変換時（電圧変換が動作している状態）からバックアップ時（通常の電圧変換が停止している状態）に遷移する際の動作を説明する。
【００２２】
電圧変換の動作が停止状態になると、スイッチ素子ＱのゲートＧに接続された二つのバイポーラトランジスタＢＴ１、ＢＴ２は共にオフ状態となり、スイッチ素子Ｑのゲートｇの電圧は、ＧＮＤと等しくなる。このとき、低電圧側ＬＶ（スイッチ素子Ｑのソースｓ側）の電圧は、コンデンサＣへの電荷蓄積分によりＧＮＤレベルより高い状態であるので、ノーマリオンタイプのスイッチ素子Ｑは、オフとなる。スイッチ素子Ｑがオフとなった状態で低電圧側ＬＶの電子機器などに負荷電流を供給し続けると、低電圧側ＬＶ（ソースｓ側）の電圧が低下していき、スイッチ素子Ｑのソースｓとゲートｇ間の電位差が０となる。すると、ノーマリオンタイプのスイッチ素子Ｑは、再度オンする。スイッチ素子Ｑがオンするとソースｓに対するゲートｇの電圧が低いため、スイッチ素子Ｑは、再度オフする。これらの動作を繰り返して、出力電圧は、出力電流値により決まる一定値に収束する。
【００２３】
図４は、ソースとゲート間に流れる電流ＩＤとソースとゲート間の電圧ＶＧＳとの関係を模式的に示すグラフである。本例で用いたノーマリオンタイプのＪＦＥＴの場合、ソースの電圧とゲートの電圧が等しい時に電流ＩＤが最大となり、ゲートの電圧を下げていってソースとゲート間の電圧ＶＧＳが一定値以上となった時にＩＤ＝０となる。現行の自動車に搭載されている電子機器のバックアップ電流（ソースとゲート間に流れる電流ＩＤ）は、車種によりほぼ一定値をとるため、電流ＩＤを流した際のソースとゲート間の電圧ＶＧＳが所望の値となるようなスイッチ素子を用いるとよい。本例では、電流ＩＤがＩ１の場合、電圧ＶＧＳがＶ１となるようにノーマリオンタイプのＮ形チャンネルＪＦＥＴを作製した。このようなスイッチ素子Ｑを用いることで、本発明変換器は、図３に示す回路においてゲートｇを駆動するバイポーラトランジスタＢＴ１、ＢＴ２がオフ状態のときにも所望するバックアップ電圧を得ることができる。
【００２４】
次に通常変換時の動作について説明する。自動車を使用している場合、バッテリ電源の電圧を低電圧に変換して低電圧側の電子機器に送る。このとき、車載の電子機器は通常の動作を行うため、低電圧側の消費電流は、バックアップ時よりも大きくなる。従って、スイッチ素子Ｑがオフしている期間のソースｓとゲートｇ間の電圧ＶＧＳは小さくなり、ソースｓの電圧は、ほぼＧＮＤレベルとなる。スイッチ素子がオンのときには、ソースｓの電圧は、ドレインｄの電圧（入力電圧）と等しくなる。従って、通常変換時は、従来の非絶縁型コンバータ（直流チョッパ型コンバータ）のスイッチングが可能となる。
【００２５】
＜実施例２＞
図５は、変換器内部に固定負荷を具える本発明変換器の回路図である。この変換器は、基本的構成は実施例１と同様であり、スイッチ素子Ｑと、低電圧側ＬＶに流れる電流を平滑化するコンデンサＣ及び直流リアクトルＬと、低電圧側ＬＶの電流を還流するダイオードＤとを具える。また、実施例１と同様にスイッチ素子Ｑは、ｎ形チャンネルノーマリオンタイプのＪＦＥＴで、ワイドバンドギャップ半導体からなるものを用い、スイッチ素子Ｑのゲートｇを駆動する素子としてバイポーラトランジスタＢＴ１、ＢＴ２を具える。本例の特徴とするところは、低電圧側に必要なバックアップ電流量に応じた固定負荷ｌｆを具える点である。
【００２６】
この変換器は、電子機器の追加や削除などでバックアップ電流が大きく変わる場合に対して、予め必要なバックアップ電流量に応じて固定負荷ｌｆを設けておくものである。従って、電流量に応じて固定負荷ｌｆを調節することで、出力電圧を一定値に保持することができ、安定した電力を電子機器に供給することが可能である。
【００２７】
＜実施例３＞
図６は、変換器内部に可変負荷を具える本発明変換器の回路図である。この変換器も、基本的構成は実施例１と同様であり、スイッチ素子Ｑと、低電圧側ＬＶに流れる負荷電流を平滑化するコンデンサＣ及び直流リアクトルＬと、低電圧側ＬＶの電流を還流するダイオードＤとを具える。実施例１と同様に、スイッチ素子Ｑは、ｎ形チャンネルノーマリオンタイプのＪＦＥＴで、ワイドバンドギャップ半導体からなるものを用い、スイッチ素子Ｑのゲートｇを駆動する素子としてバイポーラトランジスタＢＴ１、ＢＴ２を具える。本例の特徴とするところは、低電圧側に必要なバックアップ電流量に応じて動的に変化可能な可変負荷ｌｖを具える点である。
【００２８】
バックアップ電流は、通常、ほぼ一定であり変動することは稀である。しかし、図４に示すグラフにおいてＶＧＳ−ＩＤ特性の傾きが緩やかな部分（図４において破線円で囲む部分）となるようにスイッチ素子が用いられることが好ましい。ＶＧＳ−ＩＤ特性の傾きが緩やかな部分では、電流変動に対する電圧の変動を一定値以下に抑えることができる。そこで、本例では、バックアップ電流を検出して、電流の変動に応じて電圧を一定に保持するべく、可変負荷ｌｖを調節する。本例においてバックアップ電流の検出は、電圧の変化をモニタすることにより行えばよい。例えば、検出用抵抗Ｒｓを回路に別途設け、この抵抗Ｒｓの両側の電圧を電圧計Ｍにより測定する方法が挙げられる。或いは、リアクトルＬの抵抗成分による電圧降下を電圧計Ｍにより測定する方法が挙げられる。また、電流量により可変負荷を変化させるための制御回路を別途設けた。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように本発明変換器によれば、低電圧側への供給電力が大きくなる通常変換時と供給電力が小さくなるバックアップ時の双方において、スイッチ素子の異なる二つの動作モードを使い分けることで、１つのスイッチ素子にて通常電力とバックアップ電力とを供給することができるという優れた効果を奏し得る。また、本発明に具えるスイッチ素子は、電圧変換の際の消費電力が従来と比較して小さい。従って、本発明変換器を用いることで、別途バックアップの専用バッテリを設ける必要がなく、バックアップ時にバッテリ電源の放電を少なくし、放電に伴う不具合の発生を抑制する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明変換器の基本構成を示す回路図であって、非絶縁型のものを示す。
【図２】（Ａ）は、通常変換時の電圧の波形図、（Ｂ）は、バックアップ時の電圧の波形図である。
【図３】本発明変換器の一例を示す回路図である。
【図４】ソースとゲート間に流れる電流ＩＤとソースとゲート間の電圧ＶＧＳとの関係を模式的に示すグラフである。
【図５】変換器内部に固定負荷を具える本発明変換器の回路図である。
【図６】変換器内部に可変負荷を具える本発明変換器の回路図である。
【図７】従来の非絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータを示す回路図である。
【符号の説明】
Ｑ、Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４　スイッチ素子
Ｄ、Ｄ１、Ｄ２　ダイオード
Ｌ　リアクトル　Ｃ　コンデンサ　ＴＲ　トランス　ＧＮＤ　グランド
ＨＶ　高電圧側　ＬＶ　低電圧側　ＢＴ１、ＢＴ２　バイポーラトランジスタ
ｇ　ゲート　ｓ　ソース　ｄ　ドレイン
ｌｆ　固定負荷　ｌｖ　可変負荷
Ｒｓ　検出用抵抗　Ｍ　電圧計
【図１】
2004112943.tif 000003
【図２】
2004112943.tif 000004
【図３】
2004112943.tif 000005
【図４】
2004112943.tif 000006
【図５】
2004112943.tif 000007
【図６】
2004112943.tif 000008
【図７】
2004112943.tif 000009