(57)【要約】【課題】簡単な構成にて幅広い入力電圧に対応することができるスイッチング電源装置を提供する。【解決手段】絶縁形ＤＣ−ＤＣコンバータ４１はトランス４３の二次側回路にバッテリ充電用回路を有し、ドライブ回路４２は力率改善回路３０の出力電圧を検出する出力電圧検出回路３７による力率改善回路３０の出力電圧が低い場合、絶縁形ＤＣ−ＤＣコンバータ４１のトランス４３の一次側回路のスイッチング素子Ｓ３〜Ｓ６をスイッチングする周波数を低くし、力率改善回路３０の出力電圧が高い場合、絶縁形ＤＣ−ＤＣコンバータ４１のトランス４３の一次側回路のスイッチング素子Ｓ３〜Ｓ６をスイッチングする周波数を高くする。【選択図】図１
2009213202.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電源電圧を入力するＡＣ入力部と、
前記ＡＣ入力部の後段に設けられ、前記交流電源電圧を昇圧する昇圧チョッパ回路を有する力率改善回路と、
前記力率改善回路の後段に設けられ、トランスの一次側回路にスイッチング素子を有するとともに前記トランスの二次側回路に出力電圧が可変である回路を有する絶縁形ＤＣ−ＤＣコンバータと、
前記力率改善回路の出力電圧を検出する出力電圧検出回路による力率改善回路の出力電圧が低い場合、前記絶縁形ＤＣ−ＤＣコンバータの前記スイッチング素子をスイッチングする周波数を低くし、前記力率改善回路の出力電圧が高い場合、前記絶縁形ＤＣ−ＤＣコンバータの前記スイッチング素子をスイッチングする周波数を高くするドライブ回路と、
を備えたことを特徴とするスイッチング電源装置。
【請求項２】
前記出力電圧が可変である回路は前記トランスの二次側出力により二次電池を充電するための回路である請求項１に記載の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するものである。
【背景技術】
【０００２】
絶縁形ＤＣ−ＤＣコンバータを用いたスイッチング電源装置において入力電圧をモニターしてトランスの一次巻線に接続したスイッチング素子の駆動周波数を変更することが行われている（例えば特許文献１）。特許文献１においては、トランスの一次巻線に接続され、発振器の発振周波数にて駆動するスイッチング素子と、入力電圧の大きさを検出する入力電圧検出回路と、入力電圧検出回路の検出信号に応答して発振器の発振インピーダンスを可変にさせる可変インピーダンス回路とを備え、入力電圧検出回路による入力電圧に応じて発振器の発振周波数を変更している。
【特許文献１】特開２０００−１６６２３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところが、特許文献１においては入力電圧検出回路を設ける必要があった。
本発明は、このような背景の下になされたものであり、その目的は、簡単な構成にて幅広い入力電圧に対応することができるスイッチング電源装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
請求項１に記載の発明では、交流電源電圧を入力するＡＣ入力部と、前記ＡＣ入力部の後段に設けられ、前記交流電源電圧を昇圧する昇圧チョッパ回路を有する力率改善回路と、前記力率改善回路の後段に設けられ、トランスの一次側回路にスイッチング素子を有するとともに前記トランスの二次側回路に出力電圧が可変である回路を有する絶縁形ＤＣ−ＤＣコンバータと、前記力率改善回路の出力電圧を検出する出力電圧検出回路による力率改善回路の出力電圧が低い場合、前記絶縁形ＤＣ−ＤＣコンバータの前記スイッチング素子をスイッチングする周波数を低くし、前記力率改善回路の出力電圧が高い場合、前記絶縁形ＤＣ−ＤＣコンバータの前記スイッチング素子をスイッチングする周波数を高くするドライブ回路と、を備えたことを要旨とする。
【０００５】
請求項１に記載の発明によれば、絶縁形ＤＣ−ＤＣコンバータのトランスの一次側回路のスイッチング素子をスイッチングする周波数を、力率改善回路を制御するために設けられている出力電圧検出回路において検出される出力電圧によって決めている。これにより、絶縁形ＤＣ−ＤＣコンバータのトランスの一次側回路のスイッチング素子をスイッチングする周波数を決定するために使用する電圧を検出する専用の電圧検出手段を用いることなく簡単な構成にて幅広い入力電圧に対応することができる。
【０００６】
請求項２に記載のように、請求項１に記載の発明において出力電圧が可変である回路はトランスの二次側出力により二次電池を充電するための回路であるとよい。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、簡単な構成にて幅広い入力電圧に対応することができるスイッチング電源装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明を車載バッテリの充電装置に具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図１に示すように、スイッチング電源装置１０は、交流電源接続部１１を介して外部の商用の交流電源に接続されるとともにバッテリ１２に接続される。スイッチング電源装置１０は、ＡＣ入力部２０と、力率改善回路（ＰＦＣ回路）３０と、ＤＣ−ＤＣ絶縁回路４０と、充電電流・電圧検出部５０と、高圧バッテリ側フィルタ部６０とを備えている。そして、交流入力側（ＡＣ側）から、バッテリ１２への高圧出力側（バッテリ高圧側）に対し、順に、ＡＣ入力部２０、力率改善回路３０、ＤＣ−ＤＣ絶縁回路４０、充電電流・電圧検出部５０、高圧バッテリ側フィルタ部６０が接続されている。
【０００９】
バッテリ１２は、出力電圧が、車両の走行モータを駆動する電圧よりも低いものが使用される。本実施の形態では、車両の走行モータを駆動する電圧（例えば、５００Ｖ）よりも低く、交流電源の電圧（例えば、１００Ｖ）より高い電圧のもの、例えば、１６０Ｖのものが使用されている。
【００１０】
ＡＣ入力部２０は、スイッチ２１とコンデンサ２２，２３，２４を有している。交流電源接続部１１の端子１１ａ，１１ｂに例えば９０〜２６４Ｖの交流電源電圧が入力される。交流電源接続部１１の端子１１ａ，１１ｂにスイッチ２１を介してコンデンサ２２，２３，２４が接続されている。詳しくは、スイッチ２１を閉路した状態において交流電源接続部１１の端子１１ａとグランド間にコンデンサ２２が接続されるとともに端子１１ｂとグランド間にコンデンサ２４が接続され、さらに端子１１ａ，１１ｂ間にコンデンサ２３が接続される。そして、交流電源接続部１１の端子１１ａ，１１ｂからスイッチ２１を介して交流電源電圧を入力し、入力した交流電源電圧におけるノイズ成分がコンデンサ２２，２３，２４により低減される。
【００１１】
力率改善回路３０は、ＡＣ入力部２０の後段に設けられた昇圧チョッパ回路３１と、ドライブ回路３２とを備えている。入力した交流電源電圧を昇圧する昇圧チョッパ回路３１は、第１のＨブリッジ回路３３とコイル３４，３５とコンデンサ３６と出力電圧検出回路（電圧センサ）３７と電流センサ３８とを備えている。第１のＨブリッジ回路３３は、４つのダイオードＤ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４と２つのスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２からなり、各スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２として絶縁ゲートバイポーラ型トランジスタ（ＩＧＢＴ）が使用されている。各スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２のコレクタとエミッタ間には、ダイオードＤ２，Ｄ４が、カソードがコレクタにアノードがエミッタに対応する状態で逆並列に接続されている。
【００１２】
ダイオードＤ１はカソードが正側配線に接続され、アノードがスイッチング素子Ｓ１のコレクタに接続されている。スイッチング素子Ｓ１のエミッタは負側配線に接続され、ダイオードＤ１のアノードとスイッチング素子Ｓ１のコレクタとの中点がコイル３４の第１端部に接続されている。ダイオードＤ３はカソードが正側配線に接続され、アノードがスイッチング素子Ｓ２のコレクタに接続されている。スイッチング素子Ｓ２のエミッタは負側配線に接続され、ダイオードＤ３のアノードとスイッチング素子Ｓ２のコレクタとの中点がコイル３５の第１端部に接続されている。コイル３４の第２端子が電流センサ３８を介してＡＣ入力部２０における正側配線（電源接続部１１の端子１１ａ側）と接続されている。コイル３５の第２端子がＡＣ入力部２０における負側配線（電源接続部１１の端子１１ｂ側）と接続されている。電流センサ３８は入力する交流電源電流値を検出する。コンデンサ３６は第１のＨブリッジ回路３３の出力側の正側配線と負側配線との間に接続されている。出力電圧検出回路３７はコンデンサ３６の両端電圧、即ち、力率改善回路３０（Ｈブリッジ回路３３）の出力電圧ＶＨを検出する。
【００１３】
ドライブ回路３２はスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２のゲートと接続され、ドライブ回路３２はスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２をデューティ制御、即ち、一定周期中のオン時間を調整して入力される交流電圧を直流電圧に変換する。また、ドライブ回路３２には出力電圧検出回路３７および電流センサ３８が接続され、出力電圧検出回路３７による検出電圧値および電流センサ３８による検出電流値がドライブ回路３２に取り込まれる。
【００１４】
ＤＣ−ＤＣ絶縁回路４０は、力率改善回路３０の後段に設けられた絶縁形ＤＣ−ＤＣコンバータ４１と、絶縁形ＤＣ−ＤＣコンバータ用ドライブ回路４２とを有している。絶縁形ＤＣ−ＤＣコンバータ４１は、トランス４３と、トランス４３の一次側回路を構成する第２のＨブリッジ回路４４と、トランス４３の二次側回路を構成する整流回路４５とを有している。
【００１５】
第２のＨブリッジ回路４４は、４つのスイッチング素子Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６と４つのダイオードＤ５，Ｄ６，Ｄ７，Ｄ８からなり、各スイッチング素子Ｓ３〜Ｓ６として絶縁ゲートバイポーラ型トランジスタ（ＩＧＢＴ）が使用されている。各スイッチング素子Ｓ３〜Ｓ６のコレクタとエミッタ間には、ダイオードＤ５，Ｄ６，Ｄ７，Ｄ８が、カソードがコレクタにアノードがエミッタに対応する状態で逆並列に接続されている。スイッチング素子Ｓ３は、コレクタが正側配線に接続され、エミッタがスイッチング素子Ｓ４のコレクタに接続されている。スイッチング素子Ｓ４のエミッタは負側配線に接続され、スイッチング素子Ｓ３のエミッタとスイッチング素子Ｓ４のコレクタとの中点がトランス４３の一次巻線４３ａの第１端部に接続されている。スイッチング素子Ｓ５は、コレクタが正側配線に接続され、エミッタがスイッチング素子Ｓ６のコレクタに接続されている。スイッチング素子Ｓ６のエミッタは負側配線に接続され、スイッチング素子Ｓ５のエミッタとスイッチング素子Ｓ６のコレクタとの中点がトランス４３の一次巻線４３ａの第２端部に接続されている。
【００１６】
整流回路４５はＨブリッジ回路により構成され、４つのダイオードＤ９，Ｄ１０，Ｄ１１，Ｄ１２からなる。ダイオードＤ１１はカソードが正側配線に接続され、アノードがダイオードＤ１２のカソードに接続されている。ダイオードＤ１２のアノードは負側配線に接続され、ダイオードＤ１１のアノードとダイオードＤ１２のカソードとの中点がトランス４３の二次巻線４３ｂの第１端子に接続されている。ダイオードＤ９はカソードが正側配線に接続され、アノードがダイオードＤ１０のカソードに接続されている。ダイオードＤ１０のアノードは負側配線に接続され、ダイオードＤ９のアノードとダイオードＤ１０のカソードとの中点がトランス４３の二次巻線４３ｂの第２端子に接続されている。
【００１７】
絶縁形ＤＣ−ＤＣコンバータ用ドライブ回路４２はスイッチング素子Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６のゲートと接続されている。また、絶縁形ＤＣ−ＤＣコンバータ用ドライブ回路４２には出力電圧検出回路３７の検出信号が取り込まれる。絶縁形ＤＣ−ＤＣコンバータ用ドライブ回路４２はスイッチング素子Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６をオン・オフ制御するとともにその周波数も変更することができるようになっている。
【００１８】
充電電流・電圧検出部５０は、整流回路４５の後段に設けられ、バッテリ電圧検出回路５１と電流センサ５２を備えている。バッテリ電圧検出回路５１は整流回路（Ｈブリッジ回路）４５の出力電圧である正側配線と負側配線の間の電圧を検出する。電流センサ５２は整流回路（Ｈブリッジ回路）４５の出力側の負側配線に流れる電流を検出する。電流センサ５２の検出信号及びバッテリ電圧検出回路５１の検出信号は絶縁素子（図示略）を介してドライブ回路３２に取り込まれる。
【００１９】
高圧バッテリ側フィルタ部６０は、コイル６１，６２とコンデンサ６３，６４，６５，６６，６７，６８，６９を備えている。コンデンサ６３が整流回路（Ｈブリッジ回路）４５の出力側の正側配線と負側配線との間に接続されている。コイル６１はコンデンサ６３の正側端子と整流回路４５のダイオードＤ９，Ｄ１１のカソードとの間に接続されている。バッテリ１２とコンデンサ６３との間においてコモンモードチョークコイル６２が接続されている。コモンモードチョークコイル６２とコンデンサ６３との間においてコンデンサ６４が正側配線・グランド間に、コンデンサ６５が正側配線・負側配線間に、コンデンサ６６が負側配線・グランド間に接続されている。コモンモードチョークコイル６２とバッテリ１２との間においてコンデンサ６９が正側配線・グランド間に、コンデンサ６７が正側配線・負側配線間に、コンデンサ６８が負側配線・グランド間に接続されている。この高圧バッテリ側フィルタ部６０により絶縁形ＤＣ−ＤＣコンバータ４１でのスイッチング素子Ｓ３〜Ｓ６のスイッチング周波数の変化に伴う電圧の変動の影響がバッテリ１２側に出ないようにすることができる。
【００２０】
ここで、絶縁形ＤＣ−ＤＣコンバータ４１のトランス４３の二次側回路として、整流回路４５、充電電流・電圧検出部５０、高圧バッテリ側フィルタ部６０が接続され、これらは、トランス４３の二次側出力により二次電池であるバッテリ１２を充電するための回路であって出力電圧が可変である。そして、充電当初は出力電圧が例えば１６０Ｖであり、その後充電に伴い出力電圧が例えば３００Ｖにまで上昇される。
【００２１】
なお、バッテリ１２には車両の走行に必要な図示しない負荷（走行用モータ、補機）が接続されており、負荷で電力が消費されるようになっている。
次に、前記のように構成されたスイッチング電源装置１０の作用を説明する。
【００２２】
バッテリ１２を充電するには、交流電源接続部１１に外部の交流電源を接続してスイッチ２１を閉じる。すると、商用の交流電圧がＡＣ入力部２０のコンデンサ２２，２３，２４を介して力率改善回路３０の昇圧チョッパ回路３１の第１のＨブリッジ回路３３に供給される。昇圧チョッパ回路３１のＨブリッジ回路の各スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２は、ドライブ回路３２からの制御信号により、交互にオン・オフ制御される。
【００２３】
具体的には、ＡＣ入力部２０に入力される交流電圧及び交流電流が正のときには、スイッチング素子Ｓ１がオン・オフ制御される。スイッチング素子Ｓ１がオンになると、図２（ａ）に実線で示すように、コイル３４→スイッチング素子Ｓ１→ダイオードＤ４→コイル３５→となるように電流が流れ、コイル３４，３５に電気エネルギーが蓄積される。そして、スイッチング素子Ｓ１がオフすると、コイル３４，３５に蓄積されたエネルギーが加えられた状態で、図２（ｂ）に実線で示すように、コイル３４→ダイオードＤ１→コンデンサ３６→ダイオードＤ４→コイル３５→となるように電流が流れる。
【００２４】
また、ＡＣ入力部２０に入力される交流電圧及び交流電流が負のときには、スイッチング素子Ｓ２がオン・オフ制御される。スイッチング素子Ｓ２がオンになると、図２（ａ）に一点鎖線で示すように、コイル３５→スイッチング素子Ｓ２→ダイオードＤ２→コイル３４→となるように電流が流れ、コイル３４，３５に電気エネルギーが蓄積される。そして、スイッチング素子Ｓ２がオフになると、コイル３４，３５に蓄積されたエネルギーが加えられた状態で、図２（ｂ）に一点鎖線で示すように、コイル３５→ダイオードＤ３→コンデンサ３６→ダイオードＤ２→コイル３４→となるように電流が流れる。
【００２５】
このスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２のオン・オフ制御の際に、交流電圧の平滑化、２つのコイル３４，３５を用いた昇圧、交流電流の位相及び波形を交流電圧の位相及び波形と一致もしくは相似させる力率改善動作が行われる。
【００２６】
詳しくは、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２のデューティ比が変更される（デューティ制御が行われる）ことで交流電圧の平滑化、２つのコイル３４，３５を用いた昇圧、交流電流の位相及び波形を交流電圧の位相及び波形と一致もしくは相似させる力率改善動作が行われる。このデューティ比は、出力電圧検出回路３７から検出される出力電圧ＶＨと目標の出力電圧ＶＨとに基づいて求められるデューティ比と、バッテリ１２を充電可能な直流電圧をＨブリッジ回路３３から出力するために必要とされるＡＣ入力部２０から出力される交流電流の目標値と電流センサ３８で検出された電流値に基づいて求められるデューティ比とから決定される。目標の出力電圧ＶＨは、時間と共に変更されるバッテリ高圧側の要求電圧と、電流センサ３８による電流値と、電流センサ５２による電流値と、バッテリ電圧検出回路５１によるバッテリ電圧値とに基づいて決定される。
【００２７】
そして、充電当初はバッテリ高圧側の電圧が例えば１６０Ｖ、力率改善回路３０の出力電圧ＶＨが１４０Ｖ（外部からの入力電圧が１００Ｖの場合）であり、その後の充電動作に伴うバッテリ電圧の上昇に伴いバッテリ電圧が例えば３００Ｖになると充電動作が終了される。
【００２８】
絶縁形ＤＣ−ＤＣコンバータ４１においてＨブリッジ回路４４の各スイッチング素子Ｓ３〜Ｓ６は、Ｈブリッジ回路３３から供給される直流電圧を交流電圧に変換するように、ドライブ回路４２からの制御信号によってスイッチング制御される。そして、変換された交流電圧がトランス４３の一次巻線４３ａに供給されて、トランス４３の二次巻線４３ｂに交流電圧が誘起される。また、整流回路（Ｈブリッジ回路）４５の各ダイオードＤ９〜Ｄ１２により、二次巻線４３ｂに誘起された交流電圧が直流電圧に変換されて充電電流・電圧検出部５０および高圧バッテリ側フィルタ部６０を介してバッテリ１２に充電される。
【００２９】
詳しくは、二次巻線４３ｂに図１における下側から上側に向かうように流れる電流が誘起されるときは、二次巻線４３ｂ→ダイオードＤ１１→バッテリ１２→ダイオードＤ１０→二次巻線４３ｂ→となるように電流が流れてバッテリ１２に充電される。二次巻線４３ｂに図１における上側から下側に向かうように流れる電流が誘起されるときは、二次巻線４３ｂ→ダイオードＤ９→バッテリ１２→ダイオードＤ１２→二次巻線４３ｂ→となるように電流が流れてバッテリ１２に充電される。
【００３０】
このとき、絶縁形ＤＣ−ＤＣコンバータ用ドライブ回路４２は、力率改善回路３０での監視用の出力電圧（昇圧電圧）ＶＨを入力して出力電圧（昇圧電圧）ＶＨに応じて絶縁形ＤＣ−ＤＣコンバータ４１のスイッチング素子Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６の駆動周波数を制御する。即ち、出力電圧ＶＨが低い場合、絶縁形ＤＣ−ＤＣコンバータ４１のスイッチング素子Ｓ３〜Ｓ６をスイッチングする周波数を低くし、出力電圧ＶＨが高い場合、絶縁形ＤＣ−ＤＣコンバータ４１のスイッチング素子Ｓ３〜Ｓ６をスイッチングする周波数を高くする。これにより、専用の電圧検出手段（例えば特許文献１での入力電圧検出回路）を用いることなく力率改善回路３０での監視用の出力電圧（昇圧電圧）ＶＨを用いることにより簡単な構成にて幅広い入力電圧に対応することができる。
【００３１】
上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）絶縁形ＤＣ−ＤＣコンバータ４１はトランス４３の二次側回路に出力電圧が可変である回路を有し、ドライブ回路４２は力率改善回路３０の出力電圧を検出する出力電圧検出回路３７による力率改善回路３０の出力電圧が低い場合、絶縁形ＤＣ−ＤＣコンバータ４１のトランス４３の一次側回路のスイッチング素子Ｓ３〜Ｓ６をスイッチングする周波数を低くし、力率改善回路３０の出力電圧が高い場合、絶縁形ＤＣ−ＤＣコンバータ４１のトランス４３の一次側回路のスイッチング素子Ｓ３〜Ｓ６をスイッチングする周波数を高くする。よって、簡単な構成にて幅広い入力電圧に対応することができる。
【００３２】
（２）出力電圧が可変である回路（トランス４３の二次側回路）はトランス４３の二次側出力により二次電池としてのバッテリ１２を充電するための回路であり、充電の進行に伴い要求バッテリ電圧が上昇する場合に好適である。
【００３３】
実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
・トランス４３の二次側回路にバッテリ充電用の整流回路４５、充電電流・電圧検出部５０、高圧バッテリ側フィルタ部６０を設けたが、これに代わりインバータ、特に高い交流電圧を出力したいインバータを設けてもよい。具体的には溶接機を挙げることができる。このように、出力電圧が可変である回路はインバータであってもよい。
【００３４】
・図１における第１のＨブリッジ回路３３において上アームはダイオードＤ１，Ｄ３のみであったが、これに代わり、下アームと同様に上アームも、並列接続したダイオードとスイッチング素子にて構成してもよい。
【００３５】
・バッテリ１２は、交流電源の電圧より高い電圧のものを使用したがトランスなどを変更させることで交流電源電圧より低い電圧のものを使用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本実施形態におけるスイッチング電源装置の回路図。
【図２】（ａ），（ｂ）は作用を説明するためのＨブリッジ回路における電流経路を示す回路図。
【符号の説明】
【００３７】
２０…ＡＣ入力部、３０…力率改善回路、３１…昇圧チョッパ回路、３２…ドライブ回路、３７…出力電圧検出回路、４１…絶縁形ＤＣ−ＤＣコンバータ、４２…絶縁形ＤＣ−ＤＣコンバータ用ドライブ回路、４３…トランス、４３ａ…一次巻線、４３ｂ…二次巻線、４５…整流回路、Ｓ３〜Ｓ８…スイッチング素子、ＶＨ…力率改善回路の出力電圧。
【図１】
2009213202.tif 000003
【図２】
2009213202.tif 000004