(57)【要約】【課題】バックアップ用のバッテリを充放電することができると共に、個別電源コンバータの入力電圧とバックアップ用バッテリの放電電圧とが異なる場合であっても、簡素な回路構成で個別電源コンバータを駆動することができる電源装置を提供する。【解決手段】本発明に係る電源装置は、商用電源を直流に変換するＡＣ／ＤＣ変換部と、充放電可能なバッテリと、入力端が前記ＡＣ／ＤＣ変換部に接続され、出力端が前記バッテリに接続され、前記入力端から入力される前記ＡＣ／ＤＣ変換部の出力電圧を降圧して前記バッテリを充電し、前記バッテリの放電電圧を昇圧して前記入力端に出力する双方向昇降圧コンバータと、前記双方向昇降圧コンバータの前記入力端に接続され、前記ＡＣ／ＤＣ変換部の出力又は昇圧された前記バッテリの放電出力から複数の直流電力を生成する複数の降圧コンバータと、を備えたことを特徴とする。【選択図】  図２
2007097252.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
商用電源を直流に変換するＡＣ／ＤＣ変換部と、
充放電可能なバッテリと、
入力端が前記ＡＣ／ＤＣ変換部に接続され、出力端が前記バッテリに接続され、前記入力端から入力される前記ＡＣ／ＤＣ変換部の出力電圧を降圧して前記バッテリを充電し、前記バッテリの放電電圧を昇圧して前記入力端に出力する双方向昇降圧コンバータと、
前記双方向昇降圧コンバータの前記入力端に接続され、前記ＡＣ／ＤＣ変換部の出力又は昇圧された前記バッテリの放電出力から複数の直流電力を生成する複数の降圧コンバータと、
を備えたことを特徴とする電源装置。
【請求項２】
前記双方向昇降圧コンバータは、
入力端子、出力端子、および制御端子を有し、前記入力端子が前記双方向昇降圧コンバータの前記入力端に接続される第１のスイッチング素子と、
一端が前記第１のスイッチング素子の前記出力端子に接続され、他端が前記双方向昇降圧コンバータの前記出力端に接続されるインダクタと、
入力端子、出力端子、および制御端子を有し、その入力端子が前記第１のスイッチング素子の前記出力端子に接続され、その出力端子が接地される第２のスイッチング素子と、
前記双方向昇降圧コンバータの前記入力端の電圧を検出する入力端電圧検出部と、
前記バッテリの充電電流を検出する充電電流検出部と、
前記第１のスイッチング素子の制御端子に入力し前記第１のスイッチング素子をスイッチングする第１のスイッチングパルスと、前記第１のスイッチングパルスと反転同期したパルスであり、前記第２のスイッチング素子の制御端子に入力し前記第２のスイッチング素子をスイッチングする第２のスイッチングパルスとを生成する制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記入力端電圧検出部で検出される前記入力端の電圧が所定の電圧よりも高い場合には、前記入力端の電圧を降圧して前記出力端に出力する前記第１および第２のスイッチングパルスを生成し、
前記入力端電圧検出部で検出される前記入力端の電圧が所定の電圧よりも低い場合には、前記出力端の電圧を昇圧して前記入力端に出力する前記第１および第２のスイッチングパルスを生成する、
ことを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
【請求項３】
前記制御部は、
前記入力端電圧検出部で検出される前記入力端の電圧が所定の電圧よりも高い場合には、前記充電電流検出部で検出される充電電流が一定となるような前記第１および第２のスイッチングパルスを生成して前記バッテリを充電し、
前記入力端電圧検出部で検出される前記入力端の電圧が所定の電圧よりも低い場合には、前記入力端電圧検出部で検出される前記入力端の電圧が一定となるような前記第１および第２のスイッチングパルスを生成して前記バッテリの放電電圧を昇圧する、
ことを特徴とする請求項２に記載の電源装置。
【請求項４】
前記双方向昇降圧コンバータの出力端に、前記出力端の電圧を検出する出力端電圧検出部をさらに備え、
前記制御部は、
前記出力端電圧検出部で検出される前記バッテリの充電電圧が所定の電圧を超えた場合、前記充電電圧が一定となるような前記第１および第２のスイッチングパルスを生成する、
ことを特徴とする請求項２に記載の電源装置。
【請求項５】
入力端と出力端を有し、前記出力端に接続されるバッテリを充放電可能な双方向昇降圧コンバータにおいて、
入力端子、出力端子、および制御端子を有し、前記入力端子が前記双方向昇降圧コンバータの前記入力端に接続される第１のスイッチング素子と、
一端が前記第１のスイッチング素子の前記出力端子に接続され、他端が前記双方向昇降圧コンバータの前記出力端に接続されるインダクタと、
入力端子、出力端子、および制御端子を有し、その入力端子が前記第１のスイッチング素子の前記出力端子に接続され、その出力端子が接地される第２のスイッチング素子と、
前記双方向昇降圧コンバータの前記入力端の電圧を検出する入力端電圧検出部と、
前記バッテリの充電電流を検出する充電電流検出部と、
前記第１のスイッチング素子の制御端子に入力し前記第１のスイッチング素子をスイッチングする第１のスイッチングパルスと、前記第１のスイッチングパルスと反転同期したパルスであり、前記第２のスイッチング素子の制御端子に入力し前記第２のスイッチング素子をスイッチングする第２のスイッチングパルスとを生成する制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記入力端電圧検出部で検出される前記入力端の電圧が所定の電圧よりも高い場合には、前記入力端の電圧を降圧して前記出力端に出力する前記第１および第２のスイッチングパルスを生成し、
前記入力端電圧検出部で検出される前記入力端の電圧が所定の電圧よりも低い場合には、前記出力端の電圧を昇圧して前記入力端に出力する前記第１および第２のスイッチングパルスを生成する、
ことを特徴とする双方向昇降圧コンバータ。
【請求項６】
前記制御部は、
前記入力端電圧検出部で検出される前記入力端の電圧が所定の電圧よりも高い場合には、前記充電電流検出部で検出される充電電流が一定となるような前記第１および第２のスイッチングパルスを生成して前記バッテリを充電し、
前記入力端電圧検出部で検出される前記入力端の電圧が所定の電圧よりも低い場合には、前記入力端電圧検出部で検出される前記入力端の電圧が一定となるような前記第１および第２のスイッチングパルスを生成して前記バッテリの放電電圧を昇圧する、
ことを特徴とする請求項５に記載の双方向昇降圧コンバータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電源装置およびその双方向昇降圧コンバータに係り、特に、バックアップ用バッテリを充放電可能な電源装置およびその双方向昇降圧コンバータに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、例えば医療機器用の電源等においては、停電時の対策として充放電可能なバッテリを組み込んだ形態のものが多く用いられている。これらの電源では、通常時には商用電源から各種電源電圧を生成すると共にバッテリに充電を行い、停電時にはバッテリの電力で各種電源電圧を生成する形態としている。この形態によって、停電時においても医療機器等の動作の中断を回避し、患者への治療の継続を可能としている。
【０００３】
図６は、このような形態の電源１００の構成例を示す図である。
【０００４】
電源１００は、商用電源との絶縁を確保しつつ例えば３０Ｖの直流電源に変換するＡＣ／ＤＣ変換部１０１と、公称電圧が例えば１２Ｖの充放電可能なバッテリ１０３と、バッテリ１０３の充電に必要な電圧制御・電流制御を行う降圧コンバータ１０２とを備えて構成されている。また、機器に必要となる各種電源電圧を生成する複数の個別電源コンバータとして、例えば、３．３Ｖ電源１０４、１５Ｖ電源１０５、２４Ｖ電源１０６を備えている。
【０００５】
これらの個別電源コンバータは、通常時には商用電源を基にするＡＣ／ＤＣ変換部１０１からの直流電源を変換して各種電源電圧を生成している。
【０００６】
また、停電時には、これらの個別電源コンバータはバッテリ１０３からの電力に基づいて各種電源電圧を生成する。この場合、バッテリ１０３の出力電圧が個別電源コンバータの電圧よりも十分高ければバッテリ１０３の出力を降圧コンバータによって降圧することによって個別電源コンバータの電圧を生成することができる。例えば、バッテリ１０３の出力電圧範囲が１０Ｖから１６Ｖであるような場合に、３．３Ｖ電源１０４はバッテリ１０３を降圧コンバータで生成することができる。
【０００７】
一方、個別電源コンバータの出力電圧がバッテリ１０３の出力電圧に対して同程度、例えば１５Ｖ、の場合には、バッテリ１０３の出力は変動する（例えば、１０Ｖから１６Ｖの範囲で変動する）ため、１５Ｖに対して高くなったり低くなったりする。このような場合には、１５Ｖ電源１０５として、昇圧と降圧の双方が可能なSEPIC（Single  Ended  Primary  Inductance  Converter）コンバータと呼ばれる昇降圧コンバータを設いる形態が一般的である。
【０００８】
また、個別電源コンバータの出力電圧がバッテリ１０３の出力電圧よりも高い場合、例えば２４Ｖであるような場合には、通常時にＡＣ／ＤＣ変換部１０１からの出力電圧は２４Ｖよりも高く、停電時にバッテリからの出力電圧は２４Ｖよりも低くなる。このため、２４Ｖ電源１０６としては、やはり昇圧と降圧の双方が可能なSEPIC（Single  Ended  Primary  Inductance  Converter）コンバータと呼ばれる昇降圧コンバータを用いることになる。
【０００９】
この他、図７に示したように、個別電源コンバータの電圧を総てカバーするような高い電圧、例えば３０Ｖ、に昇圧する昇圧コンバータ１３０を設け、個別電源コンバータを総て降圧コンバータで構成する形態も一般的に行われている。
【００１０】
他方、降圧コンバータ、昇圧コンバータ、或いは昇降圧コンバータ自体も従来から各種形態のものが開発されてきている（例えば、非特許文献１等参照）。
【非特許文献１】原田耕介他著、「スイッチングコンバータの基礎」、株式会社コロナ社、１９９２年２月２５日、ｐ．２４−４０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上述したように、停電時の電源用としてバッテリを有する形態の電源においては、通常時の電圧（ＡＣ／ＣＤ変換部１０１の出力電圧）と停電時の電圧（バッテリ１０３の出力電圧）とが異なるため、SEPICコンバータのような昇降圧コンバータを個別電源コンバータとして用いるか、別個の昇圧用コンバータを設ける必要がある。
【００１２】
SEPICコンバータは、チョークコイルを２つ必要とし回路構成も降圧コンバータに比べて複雑となる。このため、個別電源コンバータが大型化しコストアップともなる。
【００１３】
また、別個の昇圧用コンバータを用いる形態も、回路規模の増加やコストアップとなる他、全体として電源効率の低下ともなる。
【００１４】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、バックアップ用のバッテリを充放電することができると共に、個別電源コンバータの出力電圧よりもバックアップ用バッテリの放電電圧が低い場合、或いは同程度の場合であっても、簡素な回路構成で個別電源コンバータを駆動することができる電源装置およびその双方向昇降圧コンバータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明に係る電源装置は、上記課題を解決するため、請求項１に記載したように、商用電源を直流に変換するＡＣ／ＤＣ変換部と、充放電可能なバッテリと、入力端が前記ＡＣ／ＤＣ変換部に接続され、出力端が前記バッテリに接続され、前記入力端から入力される前記ＡＣ／ＤＣ変換部の出力電圧を降圧して前記バッテリを充電し、前記バッテリの放電電圧を昇圧して前記入力端に出力する双方向昇降圧コンバータと、前記双方向昇降圧コンバータの前記入力端に接続され、前記ＡＣ／ＤＣ変換部の出力又は昇圧された前記バッテリの放電出力から複数の直流電力を生成する複数の降圧コンバータと、を備えたことを特徴とする。
【００１６】
また、本発明に係る双方向昇降圧コンバータは、上記課題を解決するため、請求項５に記載したように、入力端と出力端を有し、前記出力端に接続されるバッテリを充放電可能な双方向昇降圧コンバータにおいて、入力端子、出力端子、および制御端子を有し、前記入力端子が前記双方向昇降圧コンバータの前記入力端に接続される第１のスイッチング素子と、一端が前記第１のスイッチング素子の前記出力端子に接続され、他端が前記双方向昇降圧コンバータの前記出力端に接続されるインダクタと、入力端子、出力端子、および制御端子を有し、その入力端子が前記第１のスイッチング素子の前記出力端子に接続され、その出力端子が接地される第２のスイッチング素子と、前記双方向昇降圧コンバータの前記入力端の電圧を検出する入力端電圧検出部と、前記バッテリの充電電流を検出する充電電流検出部と、前記第１のスイッチング素子の制御端子に入力し前記第１のスイッチング素子をスイッチングする第１のスイッチングパルスと、前記第１のスイッチングパルスと反転同期したパルスであり、前記第２のスイッチング素子の制御端子に入力し前記第２のスイッチング素子をスイッチングする第２のスイッチングパルスとを生成する制御部と、を備え、前記制御部は、前記入力端電圧検出部で検出される前記入力端の電圧が所定の電圧よりも高い場合には、前記入力端の電圧を降圧して前記出力端に出力する前記第１および第２のスイッチングパルスを生成し、前記入力端電圧検出部で検出される前記入力端の電圧が所定の電圧よりも低い場合には、前記出力端の電圧を昇圧して前記入力端に出力する前記第１および第２のスイッチングパルスを生成する、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係る電源装置およびその双方向昇降圧コンバータによれば、バックアップ用のバッテリを充放電することができると共に、個別電源コンバータの出力電圧よりもバックアップ用バッテリの放電電圧が低い場合、或いは同程度の場合であっても、簡素な回路構成で個別電源コンバータを駆動することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明に係る電源装置および双方向昇降圧コンバータの実施形態に付いて、添付図面を参照して説明する。
【００１９】
（１）電源装置の構成
図１は、本発明の一実施形態に係る電源装置１の構成例を示す図である。
【００２０】
電源装置１は、商用電源との絶縁を確保しつつ例えば３０Ｖの直流電源に変換するＡＣ／ＤＣ変換部１０と、公称電圧が例えば１２Ｖの充放電可能なバッテリ３と、入力端がＡＣ／ＤＣ変換部１０に又、出力端がバッテリ３に接続され、入力端から入力されるＡＣ／ＤＣ変換部１０の出力電圧を降圧してバッテリ３を充電すると共に、バッテリ３の放電電圧を昇圧して入力端に出力する双方向昇降圧コンバータ２とを備えて構成されている。
【００２１】
また、電源装置１は、双方向昇降圧コンバータ２の前記入力端に接続される降圧コンバータ群４を備えている。降圧コンバータ群４は複数の降圧コンバータから構成され、ＡＣ／ＤＣ変換部１０の出力、或いは昇圧されたバッテリ３の放電出力から複数の直流電力を生成する。
【００２２】
降圧コンバータ群４を構成する降圧コンバータの種類や数は特に限定するものではないが、例えば、３．３Ｖ電源４１、１５Ｖ電源４２、２４Ｖ電源４３等を有している。
【００２３】
通常時（商用電源が使用可能時）には、各降圧コンバータ４１、４２、４３等は、ＡＣ／ＤＣ変換部１０の出力電圧３０Ｖをそれぞれ降圧し、３．３Ｖ、１５Ｖ、２４Ｖ等の直流電圧を生成して機器の各構成品に直流電源を供給する。
【００２４】
また、通常時には、双方向昇降圧コンバータ２は降圧コンバータとして動作し、３０Ｖから降圧した電圧でバッテリ３を充電する。
【００２５】
他方、停電時等のように商用電源が使用不可となった場合には、後述するように、双方向昇降圧コンバータ２は降圧コンバータから昇圧コンバータに自動的に動作を切換える。即ち、双方向昇降圧コンバータ２の出力端に印加されるバッテリ３の放電電圧、例えば１０Ｖないし１６Ｖの電圧を双方向昇降圧コンバータ２の出力端において一定の高電圧、例えば３０Ｖになるように昇圧する。
【００２６】
この結果、停電時等のように商用電源が使用不可となった場合であっても、ＡＣ／ＤＣ変換部１０の出力電圧と同等の電圧を通常時と何ら異なることなく降圧コンバータ群４に供給することが可能となり、機器の各構成品に対して直流電源の供給を継続することができる。
【００２７】
（２）双方向昇降圧コンバータの構成
図２は、電源装置１が備える双方向昇降圧コンバータ２の細部構成例を示す図である。
【００２８】
双方向昇降圧コンバータ２は、入力端子ａ１、出力端子ｂ１、および制御端子ｃ１を有し、入力端子ａ１が双方向昇降圧コンバータ２の入力端２５に接続される第１のスイッチング素子Ｓ１と、一端が第１のスイッチング素子Ｓ１の出力端子ｂ１に接続され、他端が双方向昇降圧コンバータ２の出力端２６に接続されるインダクタＬと、入力端子ａ２、出力端子ｂ２、および制御端子ｃ２を有し、その入力端子ａ２が第１のスイッチング素子Ｓ１の出力端子ｂ１に接続され、その出力端子ｂ２が接地される（接地端子Ｇ１に接続される）第２のスイッチング素子Ｓ２を備えて構成されている。第１のスイッチング素子Ｓ１、第２のスイッチング素子Ｓ２は、例えばＦＥＴ等の半導体スイッチング素子で構成されるものである。
【００２９】
また、双方向昇降圧コンバータ２は、入力端２５と接地端子Ｇ１とに並列接続され、入力端２５の電圧を検出する入力端電圧検出部２１と、接地端子Ｇ１と接地端子Ｇ２との間に直列接続され、バッテリ３の充電電流を検出する充電電流検出部２２とを備えている。出力端２６と接地端子Ｇ２とに並列接続され、出力端２６の電圧を検出する出力端電圧検出部２３をさらに備える形態としてもよい。
【００３０】
入力端電圧検出部２１、出力端電圧検出部２３は、例えば入力端２５、２６と接地端子Ｇ１、Ｇ２との間に設けられる分圧抵抗器で構成されるものである。また、充電電流検出部２２は、接地端子Ｇ１、Ｇ２間に直列に設けられる抵抗器の電位差を検出して電流値に換算するものである。
【００３１】
この他、双方向昇降圧コンバータ２の入力端２５と接地端子Ｇ１との間に並列に平滑用キャパシタＣ１を有し、出力端２６と接地端子Ｇ２との間にも並列に平滑用キャパシタＣ２を有している。
【００３２】
なお、平滑用キャパシタＣ１、Ｃ２は、ＡＣ／ＤＣ変換部１０やバッテリ３が平滑用キャパシタを内蔵している場合には省略する形態とすることもできる。
【００３３】
また、双方向昇降圧コンバータ２は、第１のスイッチング素子Ｓ１に供給する第１のスイッチングパルスと、第２のスイッチング素子Ｓ２に供給する第２のスイッチングパルスを生成する制御部５を有している。
【００３４】
第１のスイッチングパルスと第２のスイッチングパルスとは、互いに反転同期の関係にあるパルスである。第１のスイッチングパルス、或いは第２のスイッチングパルスのデューティ比（パルス幅とパルス周期との比）を制御することによって、後述するように、入力端２５から出力端２６への降圧比を制御することができる。
【００３５】
また、同様に第１のスイッチングパルス、或いは第２のスイッチングパルスのデューティ比を制御することによって、出力端２６から入力端２５への昇圧比を制御することもできる。
【００３６】
図３は、制御部５の細部構成例を示した図である。
【００３７】
制御部５は、双方向昇降圧コンバータ２の出力端２６側の出力電流（バッテリ３の充電電流）や出力電圧（バッテリ３の充電電圧）をモニタし、充電電流や充電電圧が所定の値となるように制御する順方向制御部と、バッテリの放電電圧を昇圧し双方向昇降圧コンバータ２の入力端２５において所定の電圧が得られるように制御する逆方向制御部と、順方向と逆方向の双方の制御に関係する共通制御部とを有している。
【００３８】
順方向制御部は、充電電流検出部２２で検出される充電電流と基準電流Ir outとの誤差を検出する電流エラー検出部５３と、出力端電圧検出部２３で検出される出力端２６の電圧と基準電圧Vr outとの誤差を検出する電圧エラー検出部５５と、比較器５６とを備えて構成されている。
【００３９】
逆方向制御部は、入力端電圧検出部２１で検出される入力端２５の電圧と基準電圧Vr inとの誤差を検出する電圧エラー検出部５０と、比較器５２とを備えて構成されている。
【００４０】
共通制御部は、スイッチングパルス生成の基となる三角波を発生する三角波発生部５７と、選択部５８と、スイッチング素子ドライバ５９を備えて構成されている。
【００４１】
比較器５６は、三角波と電流エラー検出部５３、或いは電圧エラー検出部５５の出力値を比較することによって、デューティ比が変化するパルス列信号を生成するものである。
【００４２】
同様に、比較器５２は、三角波と電圧エラー検出部５０の出力値とを比較することによってデューティ比が変化するパルス列信号を生成するものである。
【００４３】
選択部５８は、入力端２５の電圧に応じて、比較器５６から出力されるパルス列信号と、比較器５２から出力されるパルス列信号の何れかを選択し、スイッチング素子ドライバ５９に出力する。
【００４４】
具体的には、入力端２５の電圧が所定値よりも高いときには、商用電源が使用可能な通常時であると判断し、充電電流或いは充電電圧を一定に制御するため、比較器５６から出力されるパルス列信号を選択する。他方、入力端２５の電圧が所定値よりも低いときには、商用電源が停電等で使用不可であると判断し、バッテリ３からの放電電圧を双方向昇降圧コンバータ２の入力端２５で一定に制御するため、比較器５０から出力されるパルス列信号を選択する。
【００４５】
選択部５８で選択されたパルス列信号は、スイッチング素子ドライバ５９に入力され、ここで第１のスイッチング素子Ｓ１をドライブするための第１のスイッチングパルスと、第２のスイッチング素子Ｓ２をドライブするための第２のスイッチングパルスとを生成する。ここで、第１のスイッチングパルスと第２のスイッチングパルスとは同期反転の関係にあるパルス信号である。即ち、互いに同期した同一のパルス周期を有し、パルスのオン期間とオフ期間が互いに反転したパルス信号である。
【００４６】
（３）双方向昇降圧コンバータの動作
上記のように構成された双方向昇降圧コンバータ２の動作について説明する。最初に双方向昇降圧コンバータ２の順方向の降圧動作（バッテリ３の充電動作）について説明する。
【００４７】
まず、双方向昇降圧コンバータ２の入力端２５の電圧をモニタし、この電圧が所定の値以上の場合には、商用電源が使用可能であると判断し、商用電源を用いてバッテリ３の充電制御を行う。
【００４８】
バッテリ３の充電制御では、選択部５８において、比較器５６から出力されるパルス列信号を選択する。
【００４９】
バッテリ３の充電制御は、２つのフェーズで行われることが多い。第１のフェーズは、バッテリ３が空に近い状態から充電を開始する場合である。この場合はバッテリ３に対して充電電流が一定となるように充電制御を行う。第１のフェーズでは、バッテリ３の充電電圧は充電を開始した直後はゼロに近い状態であり、充電に伴って徐々に定格電圧に近づいていく。充電電流一定の制御では、双方向昇降圧コンバータ２の充電電流検出部２２で検出される充電電流が基準電流Ir outとなるように制御される。
【００５０】
バッテリ３の充電に伴ってバッテリ３の電圧は徐々に増加してゆき、バッテリ３の定格電圧に近づいてくる。バッテリ３の電圧が定格電圧に達した後は、バッテリ３の電圧が一定となるように電圧一定制御を行う第２のフェーズに入る。第２のフェーズでは、双方向昇降圧コンバータ２の出力端電圧検出部２３で検出されるバッテリ３の出力端２６の電圧と基準電圧Vr outとが等しくなるように制御される。
【００５１】
第１、第２のいずれのフェーズにおいても、制御量としては、第１のスイッチング素子Ｓ１、および第２のスイッチング素子Ｓ２に印加されるパルス信号のデューティ比を用いている。デューティ比を制御することで充電電流、或いは充電電圧を一定とする制御を行っている。
【００５２】
ところで、本実施形態では、ＡＣ／ＤＣ変換部１０の出力電圧は、バッテリ３の定格電圧に比べて高く設定されている。ＡＣ／ＤＣ変換部１０の出力電圧は、例えば３０Ｖであり、バッテリ３の定格電圧は、例えば１２Ｖである。したがって、バッテリ３の充電制御においては、第１、第２のいずれのフェーズであっても双方向昇降圧コンバータ２を降圧コンバータとして機能させることになる。
【００５３】
図４は、双方向昇降圧コンバータ２を降圧コンバータとして動作させる場合の動作原理を説明する図である。
【００５４】
図４（ｃ）は、第１のスイッチング素子Ｓ１に印加されるパルス信号の波形例を示す図であり、オンの期間（ｔｏｎ）は第１のスイッチング素子Ｓ１が閉じられ、オフの期間（ｔｏｆｆ）は第１のスイッチング素子Ｓ１は開かれる。
【００５５】
図４（ｄ）は、第２のスイッチング素子Ｓ２に印加されるパルス信号の波形例を示す図であり、図４（ｃ）のパルス信号とは、反転同期の関係にある。図４（ｄ）のオンの期間は第２のスイッチング素子Ｓ２が閉じられ、オフの期間は第２のスイッチング素子Ｓ２は開かれる。
【００５６】
双方向昇降圧コンバータ２を降圧コンバータとしてのみ機能させる場合には、第２のスイッチング素子Ｓ２をダイオード（アノード接地）と置換する形態も可能であるが、本実施形態ではダイオードの代わりに第２のスイッチング素子Ｓ２を用いる同期整流型の降圧コンバータの形態としている。同期整流型とすることで変換効率の改善が可能となる他、後述するように、双方向昇降圧コンバータ２を双方向性の昇降圧コンバータと機能させることが可能となる。
【００５７】
第１のスイッチング素子Ｓ１がオン、第２のスイッチング素子Ｓ２がオフの期間は、図４（ａ）に示したように、ＡＣ／ＤＣ変換部１０から双方向昇降圧コンバータ２のインダクタＬを通ってバッテリ３に電流Ｉonが流れる（図４（ｅ）参照）。
【００５８】
他方、第１のスイッチング素子Ｓ１がオフ、第２のスイッチング素子Ｓ２がオンの期間には、インダクタＬは、インダクタＬに蓄積されたエネルギーを放出し、第１のスイッチング素子Ｓ１がオンのときと同じ電流を流そうとする。この結果、インダクタＬ、バッテリ３、第２のスイッチング素子Ｓ２によって構成されるループに電流Ｉoffが電流Ｉonと同じ方向に流れることになる（図４（ｆ）参照）。
【００５９】
結局、バッテリ３には、第１のスイッチング素子Ｓ１がオンの期間にもオフの期間にも継続的に電流Ｉoff＋Ｉonが流れることになり（図４（ｇ）参照）、バッテリ３を充電することができる。
【００６０】
また、図４（ａ）、（ｂ）に示した降圧コンバータの構成では、入力端２５の電圧ｖ１と、出力端２６の電圧ｖ２の間には、（１）式で示す関係が近似的に成立すること知られている。
【００６１】
［数１］
ｖ２  ≒  （ｔｏｎ）／（ｔｏｎ＋ｔｏｆｆ）・ｖ１  ＝  Ｄ・ｖ１  ……（１）
ここで、ｔｏｎ、ｔｏｆｆ、およびＤは、第１のスイッチング素子Ｓ１に印加されるパルス信号のオン期間、オフ期間、およびデューティ比をそれぞれ表す。
【００６２】
Ｄは１以下の値であるから、（１）式は、出力端２６の電圧ｖ２は、入力端２５の電圧ｖ１よりも低くなる、即ち降圧動作となることを意味している。
【００６３】
なお、図４（ａ）、（ｂ）には、出力端電圧検出部２３を省略して図示しているが、出力端電圧検出部２３を付加した形態であってもよい。
【００６４】
また、図４（ａ）、（ｂ）の入力側に符号“Ｒ”で示した負荷は、図１、２における降圧コンバータ群４を模式的に示したものであり、ＡＣ／ＤＣ変換部１０は、バッテリ３を充電している最中も並行して降圧コンバータ群に電力を供給している。
【００６５】
次に、双方向昇降圧コンバータ２の逆方向の昇圧動作（バッテリ３の放電動作）について説明する。
【００６６】
双方向昇降圧コンバータ２の入力端２５の電圧をモニタし、この電圧が所定の値以下となった場合には、停電等の原因によって商用電源が使用不可の状態になったと判断し、バッテリ３の電力を降圧コンバータ群４に供給するための制御を行う。
【００６７】
この目的のため、バッテリ３の電力を昇圧し、双方向昇降圧コンバータ２の出力端２６から入力端２５に向けて逆方向に供給する。また、バッテリ３の放電電圧は一般に放電時間と共に変動するため、双方向昇降圧コンバータ２の入力端２５の電圧をモニタし、入力端２５の電圧が一定となるように電圧制御を行う必要がある。
【００６８】
このため、バッテリ３の放電動作では、入力端電圧部２１で検出される電圧に基づいてデューティ比が制御されるパルス列信号を選択すべく、選択部５８において、比較器５０からの出力を選択する。この結果、入力端２５の電圧は、基準電圧Ｖｒinと同じ電圧となるように昇圧制御される。
【００６９】
具体的には、バッテリ３の放電電圧が、例えば１０Ｖから１６Ｖの範囲で変動する場合であっても、基準電圧Ｖｒinを、例えば３０Ｖに設定することで、双方向昇降圧コンバータ２の入力端２５の電圧を３０Ｖに昇圧することができる。
【００７０】
図５は、双方向昇降圧コンバータ２を昇圧コンバータとして動作させる場合の動作原理を説明する図である。
【００７１】
図５（ｃ）は、第１のスイッチング素子Ｓ１に印加されるパルス信号の波形例を示す図であり、オンの期間（ｔｏｎ）は第１のスイッチング素子Ｓ１が閉じられ、オフの期間（ｔｏｆｆ）は第１のスイッチング素子Ｓ１は開かれる。
【００７２】
図５（ｄ）は、第２のスイッチング素子Ｓ２に印加されるパルス信号の波形例を示す図であり、図５（ｃ）のパルス信号とは、反転同期の関係にある。図５（ｄ）のオンの期間は第２のスイッチング素子Ｓ２が閉じられ、オフの期間は第２のスイッチング素子Ｓ２は開かれる。
【００７３】
なお、図５（ｃ）、（ｄ）と図４（ｃ）、（ｄ）とは、昇圧比と降圧比が逆数の関係にある場合には、図に例示したようにほぼ同一のパルス波形となる。
【００７４】
双方向昇降圧コンバータ２を昇圧コンバータとしてのみ機能させる場合には、第１のスイッチング素子Ｓ１をダイオード（アノード側がインダクタＬに接続）と置換する形態も可能であるが、本実施形態ではダイオードの代わりに第１のスイッチング素子Ｓ１を用いる同期整流型の昇圧コンバータの形態としている。同期整流型とすることで変換効率の改善が可能となる他、前述したように降圧コンバータとして機能させることも可能となり、入力端２５から出力端２６に向けての順方向動作では降圧動作が、また、出力端２６から入力端２５にむけての逆方向動作では昇圧動作が可能となる。
【００７５】
第１のスイッチング素子Ｓ１がオン、第２のスイッチング素子Ｓ２がオフの期間は、図５（ａ）に示したように、バッテリ３から双方向昇降圧コンバータ２のインダクタＬを通って負荷Ｒに電流Ｉonが流れる（図５（ｅ）参照）。負荷Ｒは、図４と同様に降圧コンバータ群４を模式的に示したものである。
【００７６】
他方、第１のスイッチング素子Ｓ１がオフ、第２のスイッチング素子Ｓ２がオンの期間には、図５（ｂ）に示したように、インダクタＬ、バッテリ３、第２のスイッチング素子Ｓ２によって構成されるループに電流Ｉoffが電流Ｉonと同じ方向に流れる。この期間にインダクタＬに蓄積されたエネルギーが次に第１のスイッチング素子Ｓ１がオンとなったときに負荷Ｒにも供給されることになる。
【００７７】
また、第１のスイッチング素子Ｓ１がオフの期間（図５（ｂ）の期間）、負荷Ｒには、キャパシタＣ１に蓄積されたエネルギーが平滑電流Ｉｃとして流れる（図５（ｆ）参照）。結局、負荷Ｒには、第１のスイッチング素子Ｓ１がオンの期間にもオフの期間にも継続的に電流Ｉoff＋Ｉｃが流れることになり（図５（ｇ）参照）、負荷Ｒに電力を供給することができる。
【００７８】
また、図５（ａ）、（ｂ）に示した昇圧コンバータの構成では、入力端２５の電圧ｖ１と、出力端２６の電圧ｖ２との間には、（２）式で示す関係が近似的に成立することが知られている。
【００７９】
［数２］
ｖ１  ≒  （ｔｏｎ＋ｔｏｆｆ）／（ｔｏｎ）・ｖ２＝  （１／Ｄ）・ｖ２  ……（２）
ここで、ｔｏｎ、ｔｏｆｆ、およびＤは、第１のスイッチング素子Ｓ１に印加されるパルス信号のオン期間、オフ期間、およびデューティ比をそれぞれ表す。
【００８０】
Ｄは１以下の値であるから、（２）式は、入力端２５の電圧ｖ１は、出力端２６の電圧ｖ２よりも高くなる、即ち昇圧動作となることを意味している。
【００８１】
上述したように、本実施形態に係る双方向昇降圧コンバータ２によれば、入力端２５から出力端２６の順方向では降圧動作が、また、出力端２６から入力端２５の逆方向では昇圧動作が可能な双方向性のコンバータを、２つのスイッチング素子Ｓ１、Ｓ２と、１つのインダクタＬと、２つのキャパシタＣ１、Ｃ２を有する簡素な構成で実現することができる。
【００８２】
また、係る双方向昇降圧コンバータ２を電源装置１に組み込むことで、商用電源を使用可能な通常時にはバッテリ３の充電動作を行い、停電時にはバッテリ３の電力を昇圧して降圧コンバータ群４にそのまま継続して電力を供給することができる。
【００８３】
なお、本発明は上記の実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせても良い。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１】本発明の一実施形態に係る電源装置の構成例を示す図。
【図２】電源装置が備える双方向昇降圧コンバータの細部構成例を示す図。
【図３】双方向昇降圧コンバータが有する制御部の細部構成例を示す図。
【図４】双方向昇降圧コンバータの降圧動作の概念を説明する図。
【図５】双方向昇降圧コンバータの昇圧動作の概念を説明する図。
【図６】従来の電源装置の構成例を示す第１の図。
【図７】従来の電源装置の構成例を示す第２の図。
【符号の説明】
【００８５】
１  電源装置
２  双方向昇降圧コンバータ
３  バッテリ
４  降圧コンバータ群
５  制御部
１０  ＡＣ／ＤＣ変換部
２１  入力端電圧検出部
２２  充電電流検出部
２３  出力端電圧検出部
２５  入力端
２６  出力端
５０  電圧エラー検出部
５２  比較器
５３  電流エラー検出部
５５  電圧エラー検出部
５６  比較器
５７  三角波発生部
５８  選択部
５９  スイッチング素子ドライバ
Ｓ１  第１のスイッチング素子
Ｓ２  第２のスイッチング素子
Ｌ  インダクタ
Ｃ１  平滑用キャパシタ（入力側）
Ｃ２  平滑用キャパシタ（出力側）
【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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【図６】
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【図７】
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