(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被試験体の負荷として動作し、前記被試験体に直列接続される半導体素子及びバイアス電源を有する電子負荷装置において、
前記半導体素子の制御電極を制御して前記半導体素子の出力電流である前記電子負荷装置の負荷電流を設定する負荷電流制御手段と、
前記半導体素子の端子電圧を所定範囲に抑えるように前記被試験体の出力電圧に応じて前記バイアス電源のバイアス電圧を設定するバイアス電圧決定手段と、
前記被試験体の出力電圧が前記半導体素子の前記端子電圧を超えるとき前記バイアス電源の電力を外部に回生する電力回生手段と、
を備えることを特徴とする電子負荷装置。
【請求項２】
前記バイアス電圧決定手段は、前記半導体素子の前記端子電圧を略前記半導体素子がリニア動作するのに必要な最小電圧に制御することを特徴とする請求項１に記載の電子負荷装置。
【請求項３】
前記バイアス電圧決定手段は、前記半導体素子の前記端子電圧を検出する電圧検出器を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の電子負荷装置。
【請求項４】
前記バイアス電圧決定手段は、前記被試験体の電圧を検出する電圧検出器を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の電子負荷装置。
【請求項５】
出力電圧が所定電圧から略０ボルトまで変化する被試験体の負荷として動作し、該被試験体に直列接続された半導体素子及びバイアス電源を含む電子負荷装置の電力回生方法において、
前記電子負荷装置の負荷電流である前記半導体素子の出力電流を所定値に制御する負荷電流制御ステップと、
前記被試験体の出力電圧に応じて前記半導体素子の端子電圧が所定値になるように前記バイアス電源のバイアス電圧を設定するバイアス電源制御ステップと、
前記被試験体の出力電圧が前記半導体素子の前記端子電圧を超えるとき前記バイアス電源の電力を外部に回生する電力回生ステップと、
を備えることを特徴とする電子負荷装置の電力回生方法。
【請求項６】
前記バイアス電源制御ステップは、前記検出手段の出力を係数倍して用いる第１のモードと、前記半導体素子の端子電圧を略一定にする第２のモードと、前記半導体素子の消費電力を略一定にする第３のモードと、前記半導体素子の消費電力を略一定にすると共に前記半導体素子の端子電圧を予め定めた上限値を超えないようにする第４のモードを単独又は組み合わせることにより前記バイアス電源の電圧を決定することを特徴とする請求項５に記載の電子負荷装置の電力回生方法。
【発明の詳細な説明】
【発明の属する技術分野】
【０００１】
本発明は、電子負荷装置及びその電力回生方法に関し、特に電子負荷に流入する電力を商用電源や他の機器等へ回生可能な電子負荷装置及びその電力回生方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池、一次電池、二次電池、キャパシタ、超伝導応用機器等の被試験体の試験は、被試験体の種々の電気特性を測定するために被試験体から電流を流す負荷として電子負荷装置が用いられる。
【０００３】
従来、電源装置や電池等の電気的特性を試験する際には、実際の負荷の代わりに負荷装置として抵抗器が使用されていたが、電子技術の進歩により最近は抵抗器の場合に比べて電流を制御し易く、且つ小型化が可能である等の利点を有しているトランジスタ等の半導体素子を負荷装置として用いて電力を消費する方法が多用されるようになった。
【０００４】
図３には従来のこの種の負荷装置を用いた被試験体の試験装置の構成回路図が示されている。例えば、電池である被試験体３は、電子負荷２０の端子３ａ、３ｂに接続され、被試験体３の出力電圧（Ｖｏ）や電子負荷２０に流す電流の大きさＩｉを変化させて被試験体３の種々の電気特性が測定される。
【０００５】
電子負荷２０は、負荷電流設定器２０１、直流応答可能な電流検出器２０２、パワートランジスタ２０３及び誤差増幅器２０４を備える。電流検出器２０２は、電子負荷２０に流れる電流値Ｉｉに対応した電圧値を検出、出力し、この電流検出器２０２の出力と負荷電流設定器２０１の出力との差が誤差増幅器２０４で得られる。この誤差増幅器２０４の出力は、パワートランジスタ２０３のベースに入力され、これら２出力の差が小さくなるようパワートランジスタ２０３が駆動制御される。その結果、パワートランジスタ２０３のコレクタ・エミッタ間には負荷電流設定器２０１で設定された定電流が流れる。したがって、電子負荷２０は定電流で動作するので、端子３ａ、３ｂ間の電圧が変化しても電子負荷２０に流れ込む電流の大きさは変化しない。電子負荷２０に流れる電流、すなわちパワートランジスタ２０３に流れる電流は熱に変換されて消費される。
【０００６】
ところで、図３に示すような電子負荷２０を用いて一次電池や二次電池等の被試験体の試験を行うときには、パワートランジスタ２０３のコレクタ・エミッタ間には飽和電圧が存在するため、電子負荷の両端電圧Ｖｏを０Ｖ（ゼロボルト）にすることはできない。従って、例えば電池の放電特性試験を行うとき、その端子電圧が０Ｖになるまで放電させることは不可能であった。
【０００７】
かかる問題を解決するため、図３の回路の改良タイプとして、図４に示すような回路が提案されている。図４において、図３と同一符号を付した回路要素は同一回路要素を示す。図４に示す回路では、図３に示す回路構成に加えて、パワートランジスタ２０３の飽和電圧を補償するために電流経路に端子電圧と同極性のバイアス電源２０５を追加して０Ｖまで測定できるようにしている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、従来の電子負荷では受容した電力をパワートランジスタ等で熱に変換し消費していたため、無駄に電力を消費することになり、特に大電力の負荷試験を行う時には放熱や冷却のコストが増大してしまうという問題がある。
【０００９】
また、従来この種の電子負荷をスイッチング回路で構成した場合、制御値を与えてから負荷電流が変化するまでの応答時間が３００μsec程度と遅く、１０μsec程度の高速で負荷電流を変化させる用途には使えなかった。例えば、電子負荷を用いて電池の内部インピーダンスを測定するとき、通電電流に交流信号（１００ｋＨｚ）を重畳する方式がある。このような場合、スイッチング方式の電源では、出力に平滑用のＬＣフィルタが入っているため高速応答は困難になる。
【００１０】
そこで、本発明の目的は、従来の電子負荷が熱として無駄に消費していた電力を商用電源や他の機器等に回生して電力の有効利用を図り、被試験体の端子電圧がゼロボルト又はその近傍でも動作するとともに高速応答をも可能とする電子負荷装置及びそれを使用した電力回生方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前述の課題を解決するため、本発明による電子負荷装置及びその電力回生方法は、次のような特徴的な構成を採用している。
【００１２】
（１）被試験体の負荷として動作し、前記被試験体に直列接続される半導体素子及びバイアス電源を有する電子負荷装置において、
前記半導体素子の制御電極を制御して前記半導体素子の出力電流である前記電子負荷装置の負荷電流を設定する負荷電流制御手段と、
前記半導体素子の端子電圧を所定範囲に抑えるように前記被試験体の出力電圧に応じて前記バイアス電源のバイアス電圧を設定するバイアス電圧決定手段と、
前記被試験体の出力電圧が前記半導体素子の前記端子電圧を超えるとき前記バイアス電源の電力を外部に回生する電力回生手段と、
を備える電子負荷装置。
【００１３】
（２）前記バイアス電圧決定手段は、前記半導体素子の前記端子電圧を略前記半導体素子がリニア動作するのに必要な最小電圧に制御する上記（１）の電子負荷装置。
【００１４】
（３）前記バイアス電圧決定手段は、前記半導体素子の前記端子電圧を検出する電圧検出器を含む上記（１）又は（２）の電子負荷装置。
【００１５】
（４）前記バイアス電圧決定手段は、前記被試験体の電圧を検出する電圧検出器を含む上記（１）又は（２）の電子負荷装置。
【００１６】
（５）出力電圧が所定電圧から略０ボルトまで変化する被試験体の負荷として動作し、該被試験体に直列接続された半導体素子及びバイアス電源を含む電子負荷装置の電力回生方法において、
前記電子負荷装置の負荷電流である前記半導体素子の出力電流を所定値に制御する負荷電流制御ステップと、
前記被試験体の出力電圧に応じて前記半導体素子の端子電圧が所定値になるように前記バイアス電源のバイアス電圧を設定するバイアス電源制御ステップと、
前記被試験体の出力電圧が前記半導体素子の前記端子電圧を超えるとき前記バイアス電源の電力を外部に回生する電力回生ステップと、
を備える電子負荷装置の電力回生方法。
【００１７】
（６）前記バイアス電源制御ステップは、前記検出手段の出力を係数倍して用いる第１のモードと、前記半導体素子の端子電圧を略一定にする第２のモードと、前記半導体素子の消費電力を略一定にする第３のモードと、前記半導体素子の消費電力を略一定にすると共に前記半導体素子の端子電圧を予め定めた上限値を超えないようにする第４のモードを単独又は組み合わせることにより前記バイアス電源の電圧を決定する上記（５）の電子負荷装置の電力回生方法。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による電子負荷装置及びその電力回生方法の好適実施形態例を添付図を参照して詳細に説明する。
【００２２】
図１は本発明の第１の実施形態による回路図であり、商用電源１、電子負荷２、被試験体３を備える。被試験体３の特性を測定するため、被試験体３に電子負荷２を接続し、電子負荷２に流す電流を変えて被試験体３の特性を測定する。また、電子負荷２の内部で消費した電力は商用電源１や図示しない他の機器など（外部）に回生される。
【００２３】
電子負荷２は、電子負荷３に供給する電流を制御するための電流制御回路２１、電子負荷２に流れる電流を検出する直流応答可能な電流検出器２２、電力素子２３、電流制御回路２１の出力と電流検出器２２の出力との差を出力する誤差増幅器２４、電力素子２３に直列接続されている両極性（バイポーラ）のバイアス電源２５、電力回生回路２６、電力素子２３の両端電圧Ｖｔを検出する電圧検出器２７及び電圧検出器２７と電圧設定部２９からの出力に基づいてバイアス電源２５の端子電圧Ｖbを制御する電圧制御回路２８を備える。
【００２４】
電流制御回路２１は、電子負荷３に供給する電流を制御、設定するもので、その出力と、電流検出器２２で検出した電子負荷２に流れる電流が誤差増幅器２４の入力側に入力される。誤差増幅器２４は、２つの入力信号の差信号を電力素子２３に供給し、電力素子２３に流れる電流を一定化する。誤差増幅器２４に直列接続されている両極性（バイポーラ）のバイアス電源２５には、電圧検出器２７で検出した電力素子２３の両端電圧Ｖｔに基づき生成される制御信号が電圧制御回路２８に出力される。電圧制御回路２８は、電圧検出器２７と電圧設定部２９からの制御信号に基づいてバイアス電源２５の端子電圧Ｖbを以下に説明するような態様で制御する。
【００２５】
ところで、図３に示す従来の電子負荷の場合には、被試験体３の電圧が低いとき、電力素子２３に存在している飽和電圧のため被試験体３の端子電圧を０Ｖにすることができない。例えば、電力素子２３に飽和電圧として０．５Ｖ存在していれば、被試験体３の出力電圧が０．１Ｖのとき、電子負荷２に電流を流すことはできない。すなわち、この場合には被試験体３の出力電圧が０．５Ｖ以上でなければ飽和電圧に打ち勝って電流を電子負荷２の方に流すことはできなかった。
【００２６】
そこで、電力素子２３の飽和電圧を補償するためバイアス電源２５が追加されている。このようにすれば上記条件のときバイアス電源２５の電圧を−０．５Ｖにすれば、被試験体３の出力電圧を０．１Ｖは勿論のこと０Ｖまで変化させることができる。
【００２７】
このバイアス電源２０５の向き（極性）は、被試験体３の電圧が０Ｖあるいは０Ｖ近傍の低い電圧の場合は、半導体素子２３の飽和電圧等を補償するために図１に示す極性とは逆に設定する。他方、被試験体３の電圧が大きい場合、半導体素子の持ち電圧（動作領域範囲）を余り大きくしたくないときには図１に示す極性にして、被試験体３の電圧の大部分をバイアス電源２５で受け持たせるようにしている。
【００２８】
さて、上述の如く、電圧検出器２７は、電力素子１０３のコレクタ・エミッタ間電圧（Ｖｔ）を検出して電圧制御回路２８に入力し、電圧制御回路２８は入力されたＶｔの大きさに基づいてバイアス電源２５の端子電圧Ｖbを制御する。より具体的には、電圧制御回路２８は、電圧検出器２７の出力に基づいて電力素子２３がリニア動作をするために必要となる最低限の持ち電圧（予め定められているもの）となるようにバイアス電源２５の両端電圧Ｖbを調整している。ここで、“最低限の持ち電圧になるように”は、電子負荷２で消費する電力の大部分を回生機能を有する電力効率の良いスイッチング方式のバイアス電源２５側で負担させ、回生の効果を最大限に引き出すためである。このように、電力素子２３は最低限の持ち電圧（狭い動作範囲）で動作する構成となっているため、動作特性の安定や良好な動作特性（高速動作）が可能となる。
【００２９】
今、電力素子２３の最低限の持ち電圧をＶtxとし、バイアス電源２５の最初の端子電圧をＶb1とする。この状態で、電子負荷２の端子に電圧が印加された場合を考えると、電圧検出器２７で検出された電圧ＶｔがＶtxより小さい場合、即ちＶｔ＜Ｖtxのときは、Ｖb1を減少させてＶｔに印加される電圧を増加させ、Ｖｔ＝Ｖtxとなるように電圧制御回路２８は動作する。
【００３０】
反対に、電圧検出器２７で検出された電圧ＶｔがＶtxより大きい場合、即ちＶｔ＞Ｖtxのときは、Ｖb1を増加させてＶｔに印加される電圧を減少させ、この場合もＶｔ＝Ｖtxとなるよう電圧制御回路２８は動作する。
【００３１】
バイアス電源２５の電圧を制御する電圧制御モードとしては以下の３つの制御モードがある。
【００３２】
第１の制御モードは、電力素子２３の両端電圧Ｖｔを一定に制御するモードで、予めＶtの値が定められており、バイアス電源２５の端子電圧Ｖbが常にＶb＝Ｖo-Ｖtとなるように動作する。
【００３３】
第２の制御モードは、電力素子２３の損失（Ｖt・Ｉi）を一定にするモードで、その動作フローは次の通りである。
▲１▼  Ｖtが最初Ｖt1であり、そのときの電力素子２３の損失Pt1＝Vt1・Iiを求める。
▲２▼  電力素子２３の予め定めた損失をPaとし、Pa＜Pt1であればバイアス電源２５の端子電圧Vbを増加して電力素子２３の端子電圧をVt2に減少させる。
▲３▼  この状態で再度電力素子２３の損失Pt2＝Vt2・Iiを求めて、この損失が前記Paと同じ値となるようにする。
【００３４】
第３の制御モードは、電力素子２３の損失を一定とし、且つこの素子の端子電圧（Vt）を制限（リミット）する制御を行うモードである。この場合は、第２の制御モードの上記▲１▼〜▲３▼のフロー動作に加えてVtのリミット動作が追加されている。
【００３５】
ここで、電圧制御回路２８は、オペアンプや乗算器を含むアナログ回路で構成されており高速に動作可能である。しかし、要求される応答速度がシビアでなければこの部分をデジタル制御で行うことも可能である。
【００３６】
バイアス電源２５には電力回生回路２６が接続されており、このバイアス電源２５で消費された電力（Ｖb・Ｉi）は商用電源１に電力を回生される。このように、バイアス電源２５は、電力回生回路２６と一体となって電力を回生しており、このバイアス電源２５及び電力回生回路２６は回生効率を上げるために電力効率の良いスイッチング回路で構成されることが好ましい。
【００３７】
被試験体３が電子負荷２に供給する電力のうち、電力素子２３の電力（＝Ｖt・Ｉi）は熱として消費されるが、このＶｔは前述の通り最低限に抑えられているため、残りの大部分の電力（＝Ｖb・Ｉi）は回生機能を有するバイアス電源２５から電力回生回路２６を経由して商用電源１に回生される。
【００３８】
上述したように、バイアス電源２５は両極性である。このため、被試験体３の出力電圧Ｖoが電力素子２３の持ち電圧Ｖtよりも小さい場合、すなわちＶt＞Ｖoのときはバイアス電源２５がマイナス電圧（即ち、図１とは逆極性の場合）を発生することにより電力素子２３の最適動作に必要な持ち電圧Ｖtを確保できる。同様に、被試験体３と電子負荷２とを結線するときの配線の持つ抵抗による電圧降下の影響も除去できることを意味している。
【００３９】
Ｖt≪Ｖbのようなケースではバイアス電源２５での消費電力（Ｖb・Ｉi）の値は非常に大きくなり、結果として負荷全体の電力の大半が商用電源側に回生されるのでエネルギーを節約できる。
【００４０】
ところで、前述のＶt＞Ｖoのときは、バイアス電源２５の極性はマイナスとなり、この場合はバイアス電源２５の電力は商用電源１に回生する方向でなく、商用電源１からバイアス電源２５へ電力を供給する方向である。例として、Ｖｔ＝２Ｖの場合を考えると、補償電圧は−２Ｖ必要であり、このようにすれば被試験体３の端子電圧Ｖｏを０Ｖまで下げることができる。ところがこのとき被試験体３は０Ｖ出力、すなわち、電力を供給していないので、バイアス電源２５の−２Ｖ電力は電子負荷２自身、即ち商用電源１から供給しなければならない。
【００４１】
このため、回生による電力の節約は期待できないが、通常このような場合はＶo自体が比較的小さい電圧であるため電力も少ない。従って、大部分の試験においては本発明の持つ回生機能のメリットを十分に享受できるため、たとえ上記のように回生できない場合があったとしても電子負荷装置に回生機能を付加したという本発明の有用性は損なわれるものではない。
【００４２】
図２は本発明の第２の実施形態を示す回路図である。図２において図１と同一符号は同様な構成要素を示す。本実施形態においては、バイアス電源２５の電圧制御を電圧検出器２７で検出した被試験体３の端子電圧に基づいて行っている。これは、電圧検出を被試験体３側で行う方が、電力素子２３側で行うよりも被試験体３の電圧変化に対して高速に応答できるからである。更に、電子負荷までの結線による電圧降下を防止できるというメリットもある。
【００４３】
バイアス電源２５の電圧を制御する電圧制御モードとしては以下の３つのモードがある。
【００４４】
第１の制御モードは、電力素子２３の両端電圧Ｖｔを一定にする制御で、予めＶtの値を定め、電圧検出器２７の出力Ｖoに基づいてバイアス電源２５の端子電圧ＶbをＶb＝Ｖo−Ｖtに設定する動作を実行するものである。
【００４５】
第２の制御モードは、電子負荷２の端子電圧（＝被試験体３の端子電圧）が変化したとしても、電力素子２３の損失（Ｖt・Ｉi）を一定に制御するもので、その動作フローは次の通りである。
▲１▼  Ｖtの初期値をＶt1とし、電力素子２３の損失Pt1＝Vt1・Iiを求める。
▲２▼  電力素子２３の予め定めた損失をPaとし、Pa＜Ptであればバイアス電源２５の端子電圧Vbを増加して電力素子２３の端子電圧をVt2に減少させる。
▲３▼  この状態で再度電力素子２３の損失Pt2＝Vt2・Iiを求めて、この損失が前記Paと同じ値となるようにする。
【００４６】
第３の制御モードは、電力素子２３の損失を一定とし、且つこの素子の端子電圧（Vt）を制限（リミット）する動作を実行するもので、第２の制御モードにおける上記▲１▼〜▲３▼のフローにVtのリミット動作を追加することにより実現できる。
【００４７】
ここで、電圧制御回路２８はオペアンプや乗算器を含むアナログ回路で構成されており高速に動作する。しかしながら、要求される応答速度がシビアでなければこの電圧制御部分をデジタル制御で行うことも可能である。
【００４８】
上記第２の実施形態においては、結線による電圧降下に起因する誤差を防止することを可能とするため、被試験体３の電圧の検出を専用の端子を介して行う。
【００４９】
図２において、電圧検出器２７は、図２の実線のように電子負荷３の両端子３ａ、３ｂに接続され、これら端子電圧をもって被試験体３の端子電圧と見なして被試験体３の端子電圧を測定する。しかしながら、電子負荷２に流す試験電流が例えば８００Ａのような大電流で、且つ数Ｖ程度の低電圧になると、被試験体３と電子負荷２とを結線する導線の抵抗分による電圧降下が問題となり、このままでは被試験体３の正しい電圧は測定できない。例えば結線の抵抗がわずか０．１ｍΩであったとしても電圧降下は８０ｍＶになり、被試験体３の電圧が仮に５Ｖであれば１．６％もの電圧エラーとなる。
【００５０】
そこで、本実施形態では、上記結線による電圧降下の問題を防ぐため、被試験体３の電圧検出を図２の点線のように専用の端子３Ａ、３Ｂを介して行う。
【００５１】
尚、被試験体３の特性を測定するに際して、いつも結線の抵抗が問題となるとは限らない。被試験体３が高電圧、例えば２００Ｖであったとすれば、例え結線の抵抗が１Ωであったとしても１００ｍＡの電流を流したときで０．１Ｖ、１Ａの電流で１Ｖの電圧降下であり、それぞれ０．０５％、０．５％の誤差にしかならない。
【００５２】
このように、電圧検出を常に別結線で行う構成では、結線の抵抗が無視できるレベルの測定のときでも、わざわざ電圧検出用に結線する必要があるため煩わしいといえる。
【００５３】
そこで、スイッチ等の切換え手段（図示せず）を設けて図２における３ａと３Ａ及び３ｂと３Ｂを切り換えて電圧検出器２７の入力信号を３ａ、３ｂ又は３Ａ、３Ｂから取ることにより、その測定のレベル（どの位の測定確度を求めるか）に応じた電圧検出方法を選択することも有用である。尚、前述した実施形態においては、商用電源に電力を回生していたが、これは他の機器であっても構わないことは勿論である。
【００５４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の電子負荷装置及びその電力回生方法によると、動作範囲を狭めることにより高速動作を確保した半導体素子と、回生機能付きのスイッチング電源を組み合わせたため従来よりも電子負荷としての応答速度が改善され、且つ従来は熱として無駄に消費されていた電力を商用電源や他の機器等に回生できるので電力を有効に利用することができ、高速応答と低損失を両立させることができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態による電子負荷回路を用いた被試験装置の試験回路図である。
【図２】本発明の第２の実施形態による電子負荷回路を用いた被試験装置の試験回路図である。
【図３】従来の電子負荷を用いた被試験装置の試験回路図である。
【図４】従来の他の電子負荷を用いた被試験装置の試験回路図である。
【符号の説明】
１      商用電源
２、２０  電子負荷
３      被試験体
２１    電流制御回路
２２    電流検出器
２３    電力素子
２４    誤差増幅器
２５    バイアス電源
２６    電力回生回路
２７    電圧検出器
２８    電圧制御回路
２９    電圧設定部
２０１  負荷電流設定器
２０２  電流検出器
２０３  パワートランジスタ
２０４  誤差増幅器
２０５  バイアス電源
３ａ、３ｂ、３Ａ、３Ｂ  端子
【図１】
0004061391.tif 000002
【図２】
0004061391.tif 000003
【図３】
0004061391.tif 000004
【図４】
0004061391.tif 000005