(57)【要約】【課題】双方向スイッチング電源装置の電圧範囲を広くする。【解決手段】第１の直流電源１と、第２の直流電源２と、第１の直流電源に直列に接続された１次巻線３ａと第２の直流電源に直列に接続された２次巻線３ｂを有するトランス３と、１次巻線に直列に挿入された第１のスイッチ素子４と第１の整流平滑回路からなる並列回路と、２次巻線３ｂに直列挿入された第２のスイッチ素子５と第２の整流平滑回路からなる並列回路と、第１のスイッチ素子の発振を制御する第１の発振制御回路８と、第２のスイッチ素子の発振を制御する第２の発振制御回路９を備えた双方向スイッチング電源装置において、第１のスイッチ素子４と第２のスイッチ素子５はいずれもオフのときは双方向共に電流を流さない性質を持ち、第１の整流平滑回路と第２の整流平滑回路の少なくても一方が倍電圧整流平滑回路として働く。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の直流電源と第２の直流電源とその１次巻線が前記第１の直流電源に直列に接続されその２次巻線が前記第２の直流電源に直列に接続されたトランスと前記第１の直流電源に直列に挿入された第１のスイッチ素子と第１の整流平滑回路からなる並列回路と前記第２の直流電源に直列に挿入された第２のスイッチ素子と第２の整流平滑回路からなる並列回路と前記第１のスイッチ素子の発振を制御する第１の発振制御回路と前記第２のスイッチ素子の発振を制御する第２の発振制御回路を備え前記第１の直流電源と前記第２の直流電源の間で互いに電力の供給と受給ができる双方向スイッチング電源装置において、前記第１のスイッチ素子は第１の発振制御回路の信号がオフのときはいずれの方向にも電流を流さない性質を持ち、前記第２のスイッチ素子は第２の発振制御回路の信号がオフのときはいずれの方向にも電流を流さない性質を持ち、前記第１の整流平滑回路と前記第２の整流平滑回路の少なくても一方が倍電圧整流平滑回路であることを特徴とする双方向スイッチング電源装置。
【請求項２】
前記第１の整流平滑回路が、前記１次巻線の前記第１のスイッチ素子が接続された端子に一方の端子が接続された第１のダイオードと、前記第１のダイオードの他方の端子と前記第１の直流電源の前記第１のスイッチ素子が接続された端子との間に接続された第１のリアクトルと、前記第１のリアクトルの前記第１のダイオード側端子と前記１次巻線の前記第１のスイッチ素子が接続された端子と反対側の端子との間に接続された第２のダイオードからなり、かつ前記第２のスイッチ素子に同期してオン・オフする第３のスイッチ素子と前記１次巻線に電磁的に結合している３次巻線からなる直列回路を前記第１のダイオードに直列に挿入したことを特徴とする請求項１記載の双方向スイッチング電源装置。
【請求項３】
前記第１のリアクトルの前記第１の直流電源側に第３のダイオードを直列に挿入し、前記第１のリアクトルの前記第３のダイオード側端子と前記１次巻線の前記第１のスイッチ素子が接続された端子と反対側の端子との間に前記第２のスイッチ素子と同期してオン・オフする第４のスイッチ素子を接続したことを特徴とする請求項２記載の双方向スイッチング電源装置。
【請求項４】
前記第１のスイッチ素子の前記１次巻線側端子と前記第１のダイオードの前記第１のリアクトル側端子との間に第１のコンデンサを接続し、前記第１のリアクトルに直列に第４のダイオードを挿入したことを特徴とする請求項２記載の双方向スイッチング電源装置。
【請求項５】
前記第１のスイッチ素子の前記１次巻線側端子と前記第１のダイオードの前記第１のリアクトル側端子との間に第２のコンデンサを接続したことを特徴とする請求項３記載の双方向スイッチング電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、スイッチング電源装置に関し、特に双方向スイッチング電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】  特許文献１によって提供されている双方向スイッチング電源装置を図６に示す。図６は特許文献１に示されている図２の主要部分を抽出したものであり、回路図の符号も同じ番号を用いている。【０００３】  図６において、Ｃ１０の電力をバッテリ４に供給する場合は、スイッチ素子Ｓ１とＳ２を交互にオン・オフさせて巻線ｎ１にスイッチング電流を流し、巻線ｎ３とｎ４に生じる電圧をダイオードＤ５とＤ６を介してバッテリ４に加える。抵抗１６に流れる電流が一定になるようにＳ１とＳ２のオンデューティを制御する。【０００４】  バッテリ４の電力をＣ１０側に供給する場合はスイッチ素子Ｓ３とＳ４を交互にオン・オフさせて巻線ｎ３とｎ４にスイッチング電流を流し、巻線ｎ１に生じる電圧をダイオードＤ１とＤ２を介してＣ１とＣ２に交互に充電する。【０００５】  仮に巻線ｎ１とｎ３とｎ４がいずれも１０ターンで、Ｃ１０の電圧が１００Ｖと仮定すると、Ｃ１とＣ２には５０Ｖずつ分圧されるので巻線ｎ１とｎ３とｎ４のいずれも５０Ｖ未満の電圧しか生じず、従ってバッテリの電圧は５０Ｖ未満になる。そして、バッテリ４からＣ１０を充電する場合も、巻線ｎ１とｎ３とｎ４のいずれも５０Ｖ未満の電圧しか生じず、Ｃ１０の電圧も１００Ｖ未満になる。【０００６】  そこで、バッテリ４からＣ１０を充電する場合は、ｓｗ１を切り替えて巻数をｎ１からｎ１＋ｎ２にすることで１００Ｖを越す電圧を得ることを可能にしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】  特開２００１−３７２２６号公報（図２）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】  ｓｗ１はリレー１つで構成できるが、スイッチング電流が流れる線路にメカニカルの接点を持つ回路を挿入するのは信頼性上好ましくない。しかし、半導体素子によって構成すると双方向ともオフにできる回路を２つ必要とするので重い回路になる。【０００９】  更に、図６において、リアクトル１２を双方向でリアクトルの働きを兼ねさせているのでサージが発生する。そして、双方向共にハードスイッチコンバータであるためノイズが大きい。【００１０】  本発明は上に示した従来方式の双方向スイッチング電源装置の短所を改善することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】  上の課題を解決するために請求項１記載の発明は、第１の直流電源と、第２の直流電源と、１次巻線が第１の直流電源に直列に接続され２次巻線が第２の直流電源に直列に接続されたトランスと、第１の直流電源に直列に挿入された第１のスイッチ素子と第１の整流平滑回路からなる並列回路と、第２の直流電源に直列に挿入された第２のスイッチ素子と第２の整流平滑回路からなる並列回路と、第１のスイッチ素子の発振を制御する第１の発振制御回路と、第２のスイッチ素子の発振を制御する第２の発振制御回路を備え、第１の直流電源と第２の直流電源の間で互いに電力のやりとりができる双方向スイッチング電源装置において、第１のスイッチ素子はオフのときはどちらの方向にも電流を流さない性質を持ち、第２のスイッチ素子はオフのときはどちらの方向にも電流を流さない性質を持ち、第１の整流平滑回路と第２の整流平滑回路の少なくても一方が倍電圧整流平滑回路であることを特徴とする。【００１２】  請求項２記載の発明は、請求項１記載の双方向スイッチング電源装置において、第１の整流平滑回路を、１次巻線の第１のスイッチ素子が接続された端子に第１のダイオードの一端を接続し、別の一端を第１のリアクトルを介して第１の直流電源の第１のスイッチ素子が接続された端子に接続し、第１のダイオードと第１のリアクトルの接続点と１次巻線の第１のスイッチ素子が接続された端子と反対側の端子の間に第２のダイオードを接続して構成し、かつ第２のスイッチ素子に同期してオン・オフする第３のスイッチ素子と１次巻線に電磁的に結合している３次巻線からなる直列回路を第１のダイオードに直列に挿入したことを特徴とする。【００１３】  請求項３記載の発明は、請求項２記載の双方向スイッチング電源装置において、第１のリアクトルの第１の直流電源側に第３のダイオードを直列に挿入し、第１のリアクトルと第３のダイオードの接続点と１次巻線の第１のスイッチ素子が接続された端子と反対側の端子の間に第２のスイッチ素子と同期してオン・オフする第４のスイッチ素子を接続したことを特徴とする。【００１４】  請求項４記載の発明は、請求項２記載の双方向スイッチング電源装置において、第１のスイッチ素子の１次巻線側端子と第１のダイオードの第１のリアクトル側端子との間に第１のコンデンサを接続し、第１のリアクトルに直列に第４のダイオードを挿入したことを特徴とする。【００１５】  請求項５記載の発明は、請求項３記載の双方向スイッチング電源装置において、第１のスイッチ素子の１次巻線側端子と第１のダイオードの第１のリアクトル側端子との間に第２のコンデンサを接続したことを特徴とする。【００１６】  第１の直流電源が第２の直流電源に電力を送る場合は第１のスイッチ素子がオン・オフして１次巻線に高周波電流を流し、２次巻線に生じる電圧を第２の整流平滑回路が直流電圧に変換する。このとき第２のスイッチ素子は双方向共にオフ状態であるため２次巻線に生じる電圧に影響を与えることはない。また、第２の直流電源から第１の直流電源に電力を送る場合は第２のスイッチ素子がオン・オフして２次巻線に高周波電流を流し、１次巻線に生じる電圧を第１の整流平滑回路が直流電圧に変換する。このとき第１のスイッチ素子は双方向共にオン・オフ状態であるため１次巻線に生じる電圧に影響を与えることはない。【００１７】  請求項１記載の発明では第１の整流平滑回路と第２の整流平滑回路の少なくても一方が倍電圧整流平滑回路を構成しているので、仮に１次巻線と２次巻線の巻数比を１：１としておいても、一方の直流電源が他方の直流電源に送ることができる電圧をより高くすることが可能になり、従って、電力の供給受給を反転する際にスイッチで巻数比を変える必要がない。【００１８】  請求項２記載の発明では３次巻線を１次巻線に直列に挿入することにより、第２の直流電源から第１の直流電源に電力を送るときに電圧をより高くすることが可能になる。【００１９】  請求項３記載の発明では、更に第３のダイオードと第４のスイッチ素子を付加して昇圧することで電圧をより容易に高くすることが可能になる。【００２０】  請求項４記載の発明では、第１のコンデンサに第１のスイッチ素子がターンオフしたときに生じるサージ電圧を吸収させ、そのエネルギーを第１のスイッチ素子が次にオンするときに第１のリアクトルに流すことにより半波電流共振を作りだし、第１のコンデンサに反転した電圧を充電することで第１のスイッチ素子が再びオフするときにゼロボルトスイッチとなるようにソフトスイッチ化した。【００２１】  請求項５記載の発明では第２のコンデンサがソフトスイッチ化している。
【発明の効果】
【００２２】  本発明では、第１の直流電源と第２の直流電源の各々の電圧範囲を広くとることができるので、電力が余ったときに電池を充電し、不足したときに放電させて補うという用途をはじめとして応用分野が広い。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】請求項１記載の発明の実施例を示す回路図である。
【図２】請求項２記載の発明の実施例を示す回路図である。
【図３】請求項３記載の発明の実施例を示す回路図である。
【図４】請求項４記載の発明の実施例を示す回路図である。
【図５】請求項５記載の発明の実施例を示す回路図である。
【図６】従来方式の１例を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】  本発明を実施するための最良の形態を実施例の図面を参照して説明する。
【実施例１】
【００２５】  図１は請求項１記載の発明の実施例を示す回路図である。図において、１は第１の直流電源、２は第２の直流電源、３はトランス、３ａは１次巻線、３ｂは２次巻線、４は第１のスイッチ素子、５は第２のスイッチ素子、８は第１の発振制御回路、９は第２の発振制御回路である。第１の整流平滑回路はダイオード１０，１１とコンデンサ１２とリアクトル１３から構成されており、第２の整流平滑回路はダイオード１４，１５とコンデンサ１６とリアクトル１７から構成されている。また、巻線の巻始めをドットマークで示したように、１次巻線と２次巻線はフォワードカップリングになっている。【００２６】  今、第１と第２の直流電源の電圧がいずれも５０Ｖで、１次と２次巻数比を１：１とすると、第１のスイッチ素子４がオンすると１次巻線３ａと２次巻線３ｂに各々５０Ｖが発生するが、第２の直流電源である電池の電圧をオーバしないので充電電流は流れないが、第１のスイッチ素子４がいったんオフすると巻線に生じるフライバック電圧がダイオード１５を介してコンデンサ１６を充電するので再びオンになるとコンデンサ１６の電圧分だけ電池電圧より高くなり充電電流が流れる。図１の実施例ではリアクトル１７を挿入しているので、コンデンサ１６のエネルギはリアクトル１７との間で半波電流共振をおこして直流電源２を充電している。【００２７】  電力のやりとりが逆方向になった場合も動作原理は同じ。【００２８】  図２は請求項２記載の発明の実施例を示す回路図である。図において、第２の直流電源２から第１の直流電源１に電力を送る場合、第２のスイッチ素子５のオン・オフに同期して第３のスイッチ素子２４がオン・オフするので１次巻線３ａと３次巻線３ｃの合計した巻数に相当する電圧が整流平滑されて第１の直流電源１に充電される。すなわち、１次巻線３ａと２次巻線３ｂの巻数比による制限を受けることがなく、第１の直流電源１と第２の直流電源２の各々の電圧範囲を広く選ぶことができる。【００２９】  図３は請求項３記載の発明の実施例を示す回路図である。図において、第２の直流電源２から第１の直流電源１に電力を送る場合、第２のスイッチ素子５のオン・オフに同期して第３のスイッチ素子２４と第４のスイッチ素子２７がオン・オフする。オン期間に１次巻線３ａと３次巻線３ｃの合計した巻数に相当する電圧が第１のリアクトル２０に加わり励磁エネルギとして蓄積され、オフ期間に第１の直流電源１に向かって放出される。放出されるときの電圧は１次巻線３ａと２次巻線３ｂの巻数比の制限を受けることがなく、第１の直流電源１と第２の直流電源２の各々の電圧範囲を広く選ぶことができる。【００３０】  図４は請求項４記載の発明の実施例を示す回路図である。図において、第１の直流電源１から第２の直流電源２に電力を送っているとき、第１のスイッチ素子４がターンオフしたときにトランス３の１次巻線３ａと２次巻線３ｂの間に存在するリーケージインダクタンスに生じる電流が第２のダイオード１９を通り第１のコンデンサ３０を充電する。第１のコンデンサ３０の左側が＋になる電圧が充電される。【００３１】  次に第１のスイッチ素子４がターンオンすると、第１のコンデンサ３０の電荷は第１のリアクトル２０���第４のダイオード２９と第１のスイッチ素子４と第１のコンデンサ３０が作る環状回路を流れる。この環状回路は第４のダイオード２９が一方向にのみ電流を流すので半波電流共振をおこし、第１のコンデンサ３０にはもともと充電されていた電圧が正負反転して充電される。第１のスイッチ素子４が再びターンオフしたときは第１のコンデンサ３０に充電されている電圧によってスイッチ素子両端の電圧がゼロボルトから立ち上がるのでスイッチングロスが小さくなる。またそのことから第１のコンデンサ３０の容量を大きくしてもロスの増加が抑えられるので、容量を増やすことができ、ノイズが軽減される。【００３２】  整流平滑回路の構成部品の１つである第１のリアクトル２０をソフトスイッチ化の部品としても利用している。【００３３】  図４は第１のスイッチ素子４がオン・オフするときのソフトスイッチ化の応用例であるが、第２のスイッチ素子５がオン・オフする場合も同様の方法でソフトスイッチ化が可能である。【００３４】  図５は請求項５記載の発明の実施例を示す回路図である。図において、第２のコンデンサ３１の働きは上述の図４における第１のコンデンサ３０と同じである。【００３５】  図１ないし図５において、スイッチ素子４及び５がＭＯＳＦＥＴとダイオードの組合せになっているが、バイポーラトランジスタとダイオードの組合せやＩＧＢＴとダイオードの組合せでも、２つのＭＯＳＦＥＴを向かい合わせにして構成してもよい。
【産業上の利用の可能性】
【００３６】  スイッチ素子がオフの間は双方向共に電流が流れないようにダイオードを加えた。従来方式と比較すると、そのダイオードが２点、またリアクトルも１点多くなっている。しかし、耐久性やノイズでメリットがあり、利用範囲は広い。
【符号の説明】
【００３７】１  第１の直流電源
２  第２の直流電源
３  トランス
３ａ  １次巻線
３ｂ  ２次巻線
３ｃ  ３次巻線
４  第１のスイッチ素子
４ａ  ＭＯＳＦＥＴ
４ｂ  ダイオード
５  第２のスイッチ素子
５ａ  ＭＯＳＦＥＴ
５ｂ  ダイオード
８  第１の発振制御回路
９  第２の発振制御回路
１０，１１，１４，１５  ダイオード
１２，１６  コンデンサ
１３，１７  リアクトル
１８  第１のダイオード
１９  第２のダイオード
２０  第１のリアクトル
２１  ダイオード
２２  ダイオード
２３  第２のリアクトル
２４  第３のスイッチ素子
２５，２８  駆動回路
２６  第３のダイオード
２７  第４のスイッチ素子
２９  第４のダイオード
３０  第１のコンデンサ
３１  第２のコンデンサ
【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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