(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の蓄電素子を直列接続した蓄電器を直流入力として使用し、前記蓄電器の放電電流を、スイッチ部（第一スイッチ部）によりスイッチングして交流出力トランスに供給するスイッチング回路を備えるスイッチング電源装置において、前記蓄電器の蓄電素子と同数のインダクタンス部を直列にしたインダクタンス直列部を有し、前記第一スイッチ部によりスイッチングして前記交流出力トランスに供給する放電電流の全部又は一部が励磁電流として供給されるインダクタンス回路と、各蓄電素子に対応する複数のスイッチを有し、各インダクタンス部の励磁エネルギを、対応する各蓄電素子に対して付与又は付与解除する第二スイッチ部と、前記第一スイッチ部と前記第二スイッチ部を交互にオンオフ制御するとともに、前記第二スイッチ部のオン制御時には前記各スイッチをオン制御し、かつ前記第二スイッチ部のオフ制御時には前記各スイッチをオフ制御する制御回路とを有するスイッチング回路を備えることを特徴とするスイッチング電源装置。
【請求項２】
前記インダクタンス回路には、前記交流出力トランスに供給する放電電流の大きさに応じた前記励磁電流を供給することを特徴とする請求項１記載のスイッチング電源装置。
【請求項３】
前記交流出力トランスの出力側に、直流出力部を有する整流平滑回路の入力側を接続してなることを特徴とする請求項１記載のスイッチング電源装置。
【請求項４】
前記交流出力トランスの出力側に、交流出力部を有する出力回路の入力側を接続してなることを特徴とする請求項１記載のスイッチング電源装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の蓄電素子を直列接続した蓄電器を直流入力として使用するスイッチング電源装置に関する。
【０００２】
【従来技術及び課題】
従来、直流入力電流をスイッチ部によりスイッチングして交流出力トランスに供給するスイッチング回路を備えるとともに、交流出力トランスの出力側に、直流出力部を有する整流平滑回路の入力側を接続して構成したスイッチング電源装置は各種知られており、既に、本出願人も、この種のスイッチング電源装置を、特開平９−３２７１７４号公報及び特開平１１−３１３４７９号公報等により提案した。
【０００３】
ところで、スイッチング電源装置は、直流入力を基本とする電源装置であるため、直流入力として、例えば、自動車に搭載する車載バッテリ等の蓄電器を使用する場合もある。しかし、このような蓄電器は、通常、比較的低電圧となる複数の蓄電素子を直列接続することにより、必要な大きさの電圧を確保しているため、次のような不具合を生じる問題があった。
【０００４】
即ち、各蓄電素子の端子電圧は、通常、均一ではなく経年変化等によりバラついているとともに、各蓄電素子の蓄積エネルギは、その端子電圧の僅かな相違によっても大きく変動するため、見掛上、満充電されていても、実際には十分な充電が行われていない場合もある。この場合、十分な電気エネルギを放出することができないことになり、特に、電気自動車の駆動エネルギ源として使用する蓄電器（車載バッテリ）では、蓄電効率及び蓄電能力の低下による走行距離の実質的な低下を招くとともに、一旦特性の不揃いが発生すると、充放電の繰り返しによってバラつきも累積的に大きくなり、この結果、蓄電器の寿命が加速的に低下してしまう問題があった。
【０００５】
本発明はこのような従来技術に存在する課題を解決したものであり、複数の蓄電素子を直列接続した蓄電器を直流入力として使用する場合であっても、各蓄電素子の端子電圧を常に均一に保つことにより、蓄電効率及び蓄電能力の向上を図ることができるとともに、蓄電器の飛躍的な長寿命化を図ることができるスイッチング電源装置の提供を目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段及び実施の形態】
本発明は、複数の蓄電素子Ｂａ，Ｂｂ，Ｂｃを直列接続した蓄電器Ｂを直流入力として使用し、蓄電器Ｂの放電電流Ｉｉを、スイッチ部（第一スイッチ部）２によりスイッチングして交流出力トランス３に供給するスイッチング回路Ｓを備えるスイッチング電源装置１を構成するに際して、蓄電器Ｂの蓄電素子Ｂａ…と同数のインダクタンス部Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｃを直列にしたインダクタンス直列部Ｌを有し、第一スイッチ部２によりスイッチングして交流出力トランス３に供給する放電電流Ｉｉの全部又は一部が励磁電流Ｉｍとして供給されるインダクタンス回路４と、各蓄電素子Ｂａ…に対応する複数のスイッチ５ａ，５ｂ，５ｃを有し、各インダクタンス部Ｌａ…の励磁エネルギを、対応する各蓄電素子Ｂａ…に対して付与又は付与解除する第二スイッチ部５と、第一スイッチ部２と第二スイッチ部５を交互にオンオフ制御するとともに、第二スイッチ部５のオン制御時には各スイッチ５ａ，５ｂ，５ｃをオン制御し、かつ第二スイッチ部５のオフ制御時には各スイッチ５ａ，５ｂ，５ｃをオフ制御する制御回路６とを有するスイッチング回路Ｓを具備することを特徴とする。
【０００７】
この場合、好適な実施の形態により、インダクタンス回路４には、交流出力トランス３に供給する放電電流Ｉｉの大きさに応じた励磁電流Ｉｍが供給される。なお、交流出力トランス３の出力側には、直流出力部７ａ，７ｂを有する整流平滑回路８の入力側を接続してもよいし、或いは交流出力トランス３の出力側に、交流出力部９ａ，９ｂを有する出力回路１０の入力側を接続してもよい。
【０００８】
【実施例】
次に、本発明に係る好適な実施例を挙げ、図面に基づき詳細に説明する。
【０００９】
まず、本実施例に係るスイッチング電源装置１の構成について、図１を参照して説明する。
【００１０】
スイッチング電源装置１において、Ｂは蓄電器であり、この蓄電器Ｂは、三つ（一般的には複数）の蓄電素子Ｂａ，Ｂｂ，Ｂｃを直列接続して構成する。この蓄電素子Ｂａ…には、リチウムイオン電池や電気二重層コンデンサ等の各種二次電池を用いることができる。また、Ｓはスイッチング回路であり、制御回路６を備えることにより全体をチョッパ回路として構成する。スイッチング回路Ｓは、一次巻線１１ｆと二次巻線１１ｓを有する励磁トランス１１を備え、一次巻線１１ｆの巻始端子を、蓄電器Ｂの正極端子Ｂｐに接続する。この場合、励磁トランス１１はインダクタンス回路４を構成する。他方、二次巻線１１ｓには、中間タップ１１ｍ，１１ｎを設け、この二次巻線１１ｓにより、三つ（一般的には複数）のインダクタンス部Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｃを直列にしたインダクタンス直列部Ｌを構成する。なお、各インダクタンス部Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｃは、各蓄電素子Ｂａ，Ｂｂ，Ｂｃの端子電圧に対応して設定するが、通常、同一（均等）のインダクタンス（同一の巻数）となる。
【００１１】
そして、二次巻線１１ｓの巻始端子は、蓄電器Ｂの負極端子Ｂｎに接続するとともに、二次巻線１１ｓの巻終端子は、スイッチ５ａを構成するスイッチング用ＦＥＴ１３を介して蓄電素子Ｂａの正極端子（Ｂｐ）に接続する。また、二次巻線１１ｓの中間タップ１１ｍは、スイッチ５ｂを構成するスイッチング用ＦＥＴ１４を介して蓄電素子Ｂｂの正極端子に接続するとともに、二次巻線１１ｓの中間タップ１１ｎは、スイッチ５ｃを構成するスイッチング用ＦＥＴ１５を介して蓄電素子Ｂｃの正極端子に接続する。この場合、スイッチ５ａ，５ｂ，５ｃは第二スイッチ部５を構成するとともに、各ＦＥＴ１３〜１５のゲートは、制御回路６に接続する。
【００１２】
一方、スイッチング回路Ｓの次段には、一次巻線３ｆと二次巻線３ｓを有する交流出力トランス３を備える。そして、一次巻線３ｆの巻始端子は、励磁トランス１１における一次巻線１１ｆの巻終端子に接続するとともに、一次巻線３ｆの巻終端子は、スイッチング回路Ｓに内蔵するスイッチング用ＦＥＴ１２を介して蓄電器Ｂの負極端子Ｂｎに接続する。この場合、ＦＥＴ１２は第一スイッチ部２を構成するとともに、ＦＥＴ１２のゲートは制御回路６に接続する。なお、１６及び１７はサージ吸収用のコンデンサ及び抵抗，１８は逆流防止用のダイオードをそれぞれ示し、コンデンサ１６と抵抗１７の並列回路にダイオード１８を直列接続した回路を、交流出力トランス３の一次巻線３ｆの両端間に接続する。
【００１３】
また、交流出力トランス３の出力側、即ち、二次巻線３ｓの両端には、整流平滑回路８の入力側を接続するとともに、この整流平滑回路８の出力側は、直流出力部７ａ，７ｂに接続する。この場合、整流平滑回路８は、整流ダイオード２１，２２、チョークコイル２３、平滑コンデンサ２４を備える。これにより、二次巻線３ｓの交流出力は、整流平滑回路８により整流平滑され、直流として直流出力部７ａと７ｂ間に出力する。なお、直流出力部７ａと７ｂ間には、負荷（被給電部）３０を接続することができる。
【００１４】
次に、本実施例に係るスイッチング電源装置１の動作について、図１〜図３を参照して説明する。
【００１５】
まず、不図示のメインスイッチをオンにし、制御回路６を作動させれば、最初に、ＦＥＴ１２（第一スイッチ部２）がオン制御されるとともに、ＦＥＴ１３〜１５がオフ制御される（図２（ａ），（ｂ）参照）。なお、図２（ｃ）はＦＥＴ１２のドレイン−ソース間電圧Ｖｄｓ、図２（ｄ）はＦＥＴ１３のドレイン−ソース間電圧Ｖｄｓをそれぞれ示す。これにより、励磁トランス１１の一次巻線１１ｆと交流出力トランス３の一次巻線３ｆの直列回路に対して、蓄電器Ｂの端子電圧、即ち、正極端子Ｂｐと負極端子Ｂｎ間の電圧が付与され、図２（ｅ）に示す放電電流Ｉｉ（励磁電流Ｉｍ）が流れるとともに、励磁トランス１１のインダクタンス直列部Ｌには励磁エネルギが蓄積される。この場合、放電電流Ｉｉは全て一次巻線１１ｆを流れるため、放電電流Ｉｉと励磁電流Ｉｍの大きさは一致するとともに、インダクタンス回路４には、放電電流Ｉｉの大きさに応じた励磁電流Ｉｍが供給される。
【００１６】
また、放電電流Ｉｉは、時間の経過に伴って増加するため、制御回路６は、放電電流Ｉｉの大きさが最適値になったなら、ＦＥＴ１２をオフ制御し、かつＦＥＴ１３〜１５をオン制御する。この場合、ＦＥＴ１２をオフ制御した後、所定時間ｔｉが経過してからＦＥＴ１３〜１５をオン制御する。即ち、ＦＥＴ１２が完全にオフになった後に、ＦＥＴ１３〜１５をゼロボルトスイッチングさせる。このようなゼロボルトスイッチング動作により、スイッチング損失及びスイッチングノイズを低減できる。
【００１７】
一方、ＦＥＴ１３〜１５のオン制御により、励磁トランス１１に蓄積された励磁エネルギが放出され、放出電流（フライバック電流）Ｉａ…が流れる（図２（ｆ）参照）。この場合、ＦＥＴ自身はボディダイオード特性を有するため、実際の放出電流Ｉａ…は、ＦＥＴ１２をオフ制御した時点から流れ始める。また、図１に示すように、インダクタンス直列部Ｌの各インダクタンス部Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｃの励磁エネルギは、それぞれ対応する各蓄電素子Ｂａ，Ｂｂ，Ｂｃに付与され、各ＦＥＴ１３〜１５のオンによって構成されるループ回路にそれぞれ放出電流Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃが流れる。
【００１８】
この場合、蓄電器Ｂの各蓄電素子Ｂａ…の端子電圧は、個々のバラツキにより異なっているため、最も低い端子電圧の蓄電素子Ｂａ…から順に放出電流Ｉａ…が流れる。例えば、蓄電素子Ｂｂの端子電圧が最も低く、蓄電素子Ｂｃの端子電圧が最も高い場合を想定すれば、最初に、放出電流Ｉｂが蓄電素子Ｂｂに流れ、蓄電素子Ｂｂの端子電圧が蓄電素子Ｂａの端子電圧と等しくなった時点で、蓄電素子Ｂａに放出電流Ｉａが流れる。そして、蓄電素子Ｂｂ，Ｂａの各端子電圧が蓄電素子Ｂｃの端子電圧と等しくなった時点で、蓄電素子Ｂｃに放出電流Ｉｃが流れる。これにより、全ての蓄電素子Ｂｂ，Ｂａ，Ｂｃの端子電圧は均一化され、この状態で共に充電が行われる。この際の各蓄電素子Ｂｂ，Ｂａ，Ｂｃの端子電圧の変化状態を図３に示す。
【００１９】
一方、放出電流Ｉａ…は、時間の経過に伴って減少するため、流れなくなったタイミングでＦＥＴ１４及び１５をオフ制御する。なお、ＦＥＴ１３はオン状態を維持する。これにより、全ての放出電流Ｉａ…の流れが終了すれば、今度は、ＦＥＴ１３を通した逆電流Ｉｒが流れる（図２（ｇ）参照）。したがって、逆電流Ｉｒが流れ始めたなら、所定期間ｔｒの経過後にＦＥＴ１３をオフ制御する（図２（ｂ）参照）。このように、第二スイッチ部５（ＦＥＴ１３〜１５）のオン制御により各インダクタンス部Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｃの励磁エネルギを各蓄電素子Ｂａ…に付与した後、当該励磁エネルギによる放出電流Ｉａ…の流れが終了して逆電流Ｉｒが所定期間ｔｒ流れたなら、第二スイッチ部５をオフ制御し、かつ第一スイッチ部２をオン制御する機能を設ければ、装置全体の効率及び各蓄電素子に対する電圧均一化能力をより高めることができるとともに、トランス（コイル）や回路素子の小型化及びコストダウンを図ることができる。なお、このようなＦＥＴ１３〜１５をオフ制御する他の方法としては、予め設定したＦＥＴ１３〜１５のオン期間に基づいて行うことができる。
【００２０】
さらに、ＦＥＴ１３のオフ制御により、第二スイッチ部５は全てオフになるため、当該ＦＥＴ１３のオフ制御から所定時間ｔｓの経過後にＦＥＴ１２をオン制御する。これにより、ＦＥＴ１２は、ＦＥＴ１３〜１５が完全にオフになった後、ゼロボルトスイッチングによりオンする。よって、前述したように、スイッチング損失及びスイッチングノイズを低減させることができる。なお、図２（ｈ）は、ＦＥＴ１２のボディダイオード特性に基づいて流れる逆電流Ｉｘを示す。
【００２１】
そして、このようなＦＥＴ１２と、ＦＥＴ１３〜１５に対する交互のオンオフ制御が繰り返されることにより、交流出力トランス３の一次巻線３ｆには、図２（ｅ）に示すスイッチングされた放電電流Ｉｉが流れるとともに、二次巻線３ｓの両端には交流電圧が誘起される。さらに、二次巻線３ｓから出力する交流電圧は、整流平滑回路８により整流平滑され、直流電圧として直流出力部７ａ，７ｂ（負荷３０）に付与される。
【００２２】
次に、本発明の変更実施例に係る充電装置１…について、図５及び図６（図４）を参照して説明する。なお、変更実施例では、図１に示した実施例に対する相違点のみについて説明し、他の説明は省略する。したがって、図５及び図６において、図１と同一部分については同一符号を付してその構成を明確にした。
【００２３】
まず、図５に示す変更実施例は、励磁トランス１１の接続部位を変更したものである。図１の励磁トランス１１は、交流出力トランス３に対して直列接続したものであるが、図５の励磁トランス１１は、交流出力トランス３に対して並列接続したものである。したがって、図５の励磁トランス１１では、一次巻線１１ｆの巻始端子を、交流出力トランス３における一次巻線３ｆの巻始端子に接続するとともに、一次巻線１１ｆの巻終端子を、スイッチング用ＦＥＴ３１を介して交流出力トランス３における一次巻線３ｆの巻終端子に接続した。この場合、ＦＥＴ３１のゲートは制御回路６に接続し、ＦＥＴ１２に同期させてオンオフ制御する。このため、ＦＥＴ３１は第一スイッチ部２を構成する。
【００２４】
また、図５に示す変更実施例では、蓄電器Ｂの放電電流Ｉｉが、交流出力トランス３の一次巻線３ｆと励磁トランス１１の一次巻線１１ｆに分流する。即ち、励磁トランス１１の一次巻線１１ｆには、放電電流Ｉｉの一部となる励磁電流Ｉｍが流れる。この場合、負荷３０の大きさに対応して放電電流Ｉｉが増減すれば、励磁電流Ｉｍも対応して増減することになる。したがって、インダクタンス回路４には、交流出力トランス３に供給する放電電流Ｉｉの大きさに応じた励磁電流Ｉｍが供給される。その他、図５に示す変更実施例では、交流出力トランス３に、フライバックトランスを用いるとともに、整流平滑回路８は、整流ダイオード３２と平滑コンデンサ３３により構成した。なお、他の基本的な構成（動作）は、図１に示した実施例と同じになる。
【００２５】
他方、図６（図４）に示す変更実施例は、交流出力トランス３の入力側に、中間タップ３ｆｃ付の巻線３ｆを設けてプッシュプル接続するとともに、交流出力トランス３の出力側に、交流出力部９ａ，９ｂを有する出力回路１０の入力側を接続したものである。したがって、図６の交流出力トランス３は、一次巻線３ｆに設けた中間タップ３ｆｃに、励磁トランス１１における一次巻線１１ｆの巻終端子を接続するとともに、一次巻線３ｆの巻終端子は、スイッチング用ＦＥＴ３５を介して蓄電器Ｂの負極端子Ｂｎに接続する。また、一次巻線３ｆの巻始端子は、ＦＥＴ１２（第一スイッチ部２）を介して蓄電器Ｂの負極端子Ｂｎに接続する。一方、二次巻線３ｓの巻終端子はチョークコイル３６を介して交流出力部９ａに接続するとともに、二次巻線３ｓの巻始端子は他方の交流出力部９ｂに接続し、さらに、交流出力部９ａと９ｂ間にはコンデンサ３７を接続する。
【００２６】
そして、図４に示すように、ＦＥＴ３５をオフ制御する時点からＦＥＴ１２をオン制御する時点までの時間間隔をｔｘに設定し、ＦＥＴ１２をオフ制御する時点からＦＥＴ３５をオン制御する時点までの時間間隔をｔｙ（＝ｔｘ）に設定するとともに、ＦＥＴ１２とＦＥＴ３５（及びＦＥＴ１３〜１５）を交互にオンオフ制御すれば、交流出力部９ａと９ｂ間には、正弦波に近似した交流出力を得ることができる。なお、他の基本的な構成（動作）は、図１に示した実施例と同じになる。
【００２７】
以上、実施例（変更実施例）について詳細に説明したが、本発明はこのような実施例に限定されるものではなく、細部の構成（回路構成），部品，数量等において、本発明の要旨を逸脱しない範囲で任意に変更，追加，削除することができる。
【００２８】
例えば、第一スイッチ部２及び第二スイッチ部５には、スイッチング用ＦＥＴ１２〜１５を使用した例を示したが、その他、一般的なトランジスタをはじめ各種スイッチング素子（スイッチング手段）を使用することができる。また、本発明に係るスイッチング電源装置は、例示の構成のみならず、各種型式のＤＣ−ＤＣコンバータやＤＣ−ＡＣインバータ（無停電電源装置を含む）等の電源装置類に適用することができる。
【００２９】
【発明の効果】
このように、本発明に係るスイッチング電源装置は、蓄電器の蓄電素子と同数のインダクタンス部を直列にしたインダクタンス直列部を有し、第一スイッチ部によりスイッチングして交流出力トランスに供給する放電電流の全部又は一部が励磁電流として供給されるインダクタンス回路と、各蓄電素子に対応する複数のスイッチを有し、各インダクタンス部の励磁エネルギを、対応する各蓄電素子に対して付与又は付与解除する第二スイッチ部と、第一スイッチ部と第二スイッチ部を交互にオンオフ制御するとともに、第二スイッチ部のオン制御時には各スイッチをオン制御し、かつ第二スイッチ部のオフ制御時には各スイッチをオフ制御する制御回路とを有するスイッチング回路を備えてなるため、複数の蓄電素子を直列接続した蓄電器を直流入力として使用する場合であっても、各蓄電素子の端子電圧を常に均一に保つことにより、蓄電効率及び蓄電能力の向上を図ることができるとともに、蓄電器の飛躍的な長寿命化を図ることができるという顕著な効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好適な実施例に係るスイッチング電源装置の電気回路図、
【図２】同スイッチング電源装置における各部の信号のタイミングチャート、
【図３】同スイッチング電源装置を動作させた際における時間対各蓄電素子の端子電圧関係図、
【図４】図６に示した変更実施例におけるＦＥＴのスイッチング状態を示すタイミングチャート、
【図５】本発明の変更実施例に係るスイッチング電源装置の電気回路図、
【図６】本発明の他の変更実施例に係るスイッチング電源装置の電気回路図、
【符号の説明】
１      スイッチング電源装置
２      スイッチ部（第一スイッチ部）
３      交流出力トランス
３ｆ    巻線（一次巻線）
３ｆｃ  中間タップ
４      インダクタンス回路
５      第二スイッチ部
５ａ…  スイッチ
６      制御回路
７ａ…  直流出力部
８      整流平滑回路
９ａ…  交流出力部
１０    出力回路
Ｂａ…  蓄電素子
Ｂ      蓄電器
Ｓ      スイッチング回路
Ｉｉ    放電電流
Ｉｍ    励磁電流
Ｉａ…  放出電流
Ｉｒ    逆電流
Ｌ      インダクタンス直列部
Ｌａ…  インダクタンス部
ｔｒ    所定期間
【図１】
0004138330.tif 000002
【図２】
0004138330.tif 000003
【図３】
0004138330.tif 000004
【図４】
0004138330.tif 000005
【図５】
0004138330.tif 000006
【図６】
0004138330.tif 000007