(57)【要約】【課題】直流電源からチョッパ回路へ入力される電流を正確に検出して直流電源の消耗を抑制することが可能な電源装置を提供することである。【解決手段】直流電源１と、直流電源１から入力される電圧を変圧して出力するチョッパ回路２と、直流電源１とチョッパ回路２との間に介装されて直流電源１からチョッパ回路２へ入力される電流を検出するためのシャント抵抗３と、チョッパ回路２により充電されるとともに外部負荷７へ変圧後の電圧を供給するキャパシタ４とを備え、シャント抵抗３で検出した電流値に基づいてチョッパ回路２のスイッチング素子２ａを制御する電源装置において、シャント抵抗３とチョッパ回路２との間にチョッパ回路２に並列して第二のキャパシタ５を設けた。【選択図】図１
2009005432.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源と、直流電源から入力される電圧を変圧して出力するチョッパ回路と、直流電源とチョッパ回路との間に介装されて直流電源からチョッパ回路へ入力される電流を検出するためのシャント抵抗と、チョッパ回路により充電されるとともに外部負荷へ変圧後の電圧を供給するキャパシタとを備え、シャント抵抗で検出した電流値に基づいてチョッパ回路のスイッチング素子を制御する電源装置において、シャント抵抗とチョッパ回路との間にチョッパ回路に並列して第二のキャパシタを設けたことを特徴とする電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電源装置の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の電源装置としては、たとえば、直流電源と、直流電源から入力される電圧を昇圧あるいは降圧するチョッパ回路と、チョッパ回路によって充電されるとともに負荷に変圧後の電圧を供給するキャパシタとを備えて構成されたものが知られている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００３】
この電源装置にあっては、昇圧チョッパ回路を利用する場合には、スイッチング素子の開閉によって回路中のコイルにサージ電圧を生じさせて昇圧してキャパシタを充電するようになっており、他方の降圧チョッパ回路を利用する場合には、スイッチング素子の開閉によって回路中のコイルへ印加される電圧を降圧してキャパシタを充電するようになっている。
【０００４】
そして、このような電源装置では、チョッパ回路の駆動、すなわち、スイッチング素子の開閉を何ら制限の無いままに行うと、直流電源からチョッパ回路へ突入する電流が過大となってしまい、特に、直流電源が二次電池である場合には大きな負荷がかかり消耗が激しくなってしまう。
【０００５】
したがって、このような電源装置では、直流電源からチョッパ回路へ入力される電流を制御してやる必要があり、直流電源とチョッパ回路との間にシャント抵抗を介装し、当該シャント抵抗で検知したチョッパ回路へ入力される電流に応じてチョッパ回路のスイッチング素子の開閉を制御するようにしている。
【特許文献１】特開２００５−２６１１２４号公報（背景技術欄、図１３）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、上述従来の電源装置では、チョッパ回路のスイッチングノイズ、特に昇圧チョッパ回路中のコイルのサージ、加えて、シャント抵抗自体が持つ誘導性によるサージによって、シャント抵抗で検知する電圧には直流電源の電圧以外にノイズが重畳されるため、直流電源からチョッパ回路へ入力されている電流を精密に検知することができず、適切にチョッパ回路を制御することができない。したがって、従来の電源装置では、適切にチョッパ回路を制御することができないので、直流電源に大きな負荷がかかるような事態を確実に回避できない虞があり、直流電源を消耗させて寿命を縮めてしまう。
【０００７】
さらに、チョッパ回路を用いて変圧する電源装置の場合、直流電源から持ち出される電流は、チョッパ回路のスイッチング素子の開閉によって急峻に変化するので、直流電源に対する負荷が大きく直流電源の消耗が激しく寿命を縮めてしまうところがある。
【０００８】
そこで、本発明は、上記不具合を改善するために創案されたものであって、その目的とするところは、直流電源からチョッパ回路へ入力される電流を正確に検出して直流電源の消耗を抑制することが可能な電源装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記した目的を達成するため、本発明の課題解決手段は、直流電源と、直流電源から入力される電圧を変圧して出力するチョッパ回路と、直流電源とチョッパ回路との間に介装されて直流電源からチョッパ回路へ入力される電流を検出するためのシャント抵抗と、チョッパ回路により充電されるとともに外部負荷へ変圧後の電圧を供給するキャパシタとを備え、シャント抵抗で検出した電流値に基づいてチョッパ回路のスイッチング素子を制御する電源装置において、シャント抵抗とチョッパ回路との間にチョッパ回路に並列して第二のキャパシタを設けたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の電源装置によれば、第二のキャパシタがシャント抵抗とチョッパ回路との間にチョッパ回路に並列して接続されているので、この第二のキャパシタがサージを吸収してチョッパ回路より上流側における電圧変化を平滑化するフィルタとして機能し、シャント抵抗の両端間電圧にサージ電圧が重畳することを抑制する。
【００１１】
したがって、シャント抵抗で検知する電流値にサージやノイズが重畳されることを抑制できるので、正確な電流値に基づいてチョッパ回路のスイッチング素子を制御することができるので、直流電源からチョッパ回路へ突入する電流が過大となってしまうような直流電源に大きな負荷がかかる事態を確実に回避することができ、直流電源を消耗させず長寿命化することができる。
【００１２】
さらに、この第二のキャパシタは、スイッチング素子の開閉によって直流電源からの持ち出し電流の波形が急峻となることをも抑制するので、直流電源に対する負荷を最小限に留めることができ、この点でも直流電源の消耗を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図に示した実施の形態に基づき、本発明を説明する。図1は、一実施の形態における電源装置の構成図である。図２は、一実施の形態の電源装置におけるキャパシタの充電タイミングを説明する図である。図３は、他の実施の形態における電源装置の構成図である。
【００１４】
図１に示すように、一実施の形態における電源装置は、直流電源１と、直流電源１から入力される電圧を変圧して出力するチョッパ回路２と、直流電源１とチョッパ回路２との間に介装されて直流電源１からチョッパ回路２へ入力される電流を検出するためのシャント抵抗３と、チョッパ回路２により充電されるとともに外部負荷７へ変圧後の電圧を供給するキャパシタ４と、シャント抵抗３とチョッパ回路２との間にチョッパ回路２に並列して設けた第二のキャパシタ５と、シャント抵抗３で検出した電流値に基づいてチョッパ回路２のスイッチング素子２ａを制御する制御部６とを備えて構成され、外部負荷７は変圧後の電圧を供給するキャパシタ４に並列に接続されている。
【００１５】
以下、詳しく説明すると、直流電源１とキャパシタ４とは、給電ライン１０で接続されており、チョッパ回路２は、給電ライン１０の途中に介装されて、直流電源１から入力される電圧を変圧してキャパシタ４へ出力するようになっている。
【００１６】
チョッパ回路２は、この実施の形態にあっては、周知の昇圧型のチョッパ回路とされており、給電ライン１０上であってシャント抵抗３とキャパシタ４との間に直列に介装されるコイル２ｂおよびダイオード２ｃと、コイル２ｂとダイオード２ｃとの間に直流電源１に対して並列に介装されるスイッチング素子２ａとを備えて構成されており、スイッチング素子２ａを開閉することでコイル２ｂにサージを発生させ直流電源１から入力される電圧を昇圧してキャパシタ４を充電するようになっている。なお、スイッチング素子２ａとしては、具体的にはたとえば、ＮＰＮ型トランジスタやＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ，ＦＥＴ：Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｅｒ）とされ、ゲート電極への電圧の印加の有無によってＯＮ、ＯＦＦを切り替えることができる。
【００１７】
また、キャパシタ４は、給電ライン１０に直流電源１に対して並列に接続されるとともに、外部負荷７の動作を確保できるような耐電圧および容量に設定されるとともに繰り返しの充放電に対して充分に耐性を備えているものであればよいが、具体的にはたとえば、電気二重層コンデンサを複数直列に接続して構成するとよい。なお、キャパシタ４が複数のコンデンサを直列接続して構成される場合には、各コンデンサの分担電圧を均一にするために並列モニタを設けておくとよい。
【００１８】
さらに、第二のキャパシタ５は、給電ライン１０のシャント抵抗３とチョッパ回路２との間にチョッパ回路２に並列して接続されている。この第二のキャパシタ５にあっても、直流電源１からの充電に耐えることはもちろん、チョッパ回路２のスイッチングによるサージ電圧に充分に耐えうるような耐電圧と容量とを備え、繰り返しの充放電に対して充分に耐性を備えているものであればよい。具体的にはたとえば、第二のキャパシタ５についても、電気二重層コンデンサを複数直列に接続して構成するとよい。
【００１９】
制御部６は、基本的には、キャパシタ４の電圧を検知して、キャパシタ４の電圧が外部負荷７の正常動作する動作電圧範囲内であって所定電圧未満であるとチョッパ回路２を駆動させ、つまり、スイッチング素子２ａを開閉動作させ、キャパシタ４を充電し、その後、充電を継続してキャパシタ４の電圧が外部負荷７の動作電圧範囲内であって所定電圧を超える目標電圧にまで達するとチョッパ回路２の駆動を停止してキャパシタ４への充電を停止するようになっている。
【００２０】
そして、具体的にはたとえば、外部負荷７の動作電圧範囲が３６Ｖを中心として±６Ｖの範囲、すなわち、３０Ｖから４２Ｖまでの範囲である場合、チョッパ回路２を駆動するトリガとなる所定電圧は動作電圧範囲の下限である３０Ｖより高い電圧である３３Ｖ程度に設定され、他方、目標電圧は外部負荷７の動作電圧範囲の上限電圧未満である４０Ｖに設定されている。なお、外部負荷７の動作範囲電圧とは、外部負荷７が正常に動作する電圧の範囲であり、供給電圧が動作範囲電圧内にあると外部負荷７は問題なく機能を発揮することができるのである。
【００２１】
しかし、キャパシタ４の電圧のみを検知してチョッパ回路２を駆動すると、直流電源１から持ち出される電流が大きくなる虞があるので、この制御部６では、シャント抵抗３によって直流電流１からチョッパ回路２へ流れる電流の大きさを検知して、直流電源１からチョッパ回路２へ流れる電流の大きさを直流電源１の劣化を促進しない程度の値を上限として、直流電流１からの持ち出し電流をこの上限値以下に制限する。
【００２２】
具体的には、たとえば、制御部６は、シャント抵抗３によって検知した電流値を読み取って、この電流値をフィードバックとしてＰＩ制御等によって、電流値が上記した上限値を超えないように、チョッパ回路２のスイッチング素子２ａの開閉動作におけるデューティ比を変更する。
【００２３】
すなわち、制御部６は、シャント抵抗３によって検知した電流値をフィードバックとして、チョッパ回路２のスイッチング素子２ａの開閉をＰＷＭ制御して、直流電源１からの持ち出し電流の大きさを上限値以下に保ちながらキャパシタ４を充電することになる。
【００２４】
そして、制御部６のハードウェア構成としては、具体的には図示しないが、たとえば、キャパシタ４の電圧を検出する電圧検出器と、シャント抵抗３の両端間電圧を検出する電圧検出器と、各電圧検出器が出力するアナログの電圧信号をデジタル信号に変換する変換器と、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｓｓｅｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）と、ＣＰＵが実行するオペレーティングシステムおよびアプリケーション等が格納されるＲＯＭ（Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）と、ＣＰＵに記憶領域を提供するＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）とを備えたマイクロコンピュータシステムとして構成されればよく、チョッパ回路２のスイッチング素子２ａのゲート電極へ電圧で成る制御信号を直流電源１から持ち出される電流値が上限値を超えないデューティ比で出力する事ができるようになっている。なお、制御部６は、シャント抵抗３に流れる電流を検出するため、シャント抵抗３の抵抗値を記憶しており、シャント抵抗３の両端間電圧を検出することによって、直流電源１からチョッパ回路２へ流れている電流の値を得ることができるようになっている
そして、制御部６によってチョッパ回路２の駆動が制御され、この実施の形態の場合、チョッパ回路２が駆動されてスイッチング動作により変圧するのは、図２に示すように、キャパシタ４の電圧が所定電圧３３Ｖ未満の場合であり、その後、キャパシタ４の電圧が目標電圧である４０Ｖまで上昇するとチョッパ回路２の動作は停止される。
【００２５】
このように、本実施の形態の電源装置では、シャント抵抗３によって直流電源１から持ち出される電流を検知して、当該電流が上限値を超えないように、チョッパ回路２のスイッチング素子２ａをＰＷＭ制御するようになっているが、チョッパ回路２はコイル２ｂを備え、また、シャント抵抗３自体も誘導成分を備えているので、スイッチング素子２ａが開閉動作するとノイズやサージが発生する。
【００２６】
しかしながら、この電源装置にあっては、第二のキャパシタ５が給電ライン１０のシャント抵抗３とチョッパ回路２との間にチョッパ回路２に並列して接続されているので、この第二のキャパシタ５がサージを吸収してチョッパ回路２より上流側の給電ライン１０における電圧変化を平滑化するフィルタとして機能し、シャント抵抗３の両端間電圧にサージ電圧が重畳することを抑制する。
【００２７】
したがって、シャント抵抗３で検知する電流値にサージやノイズが重畳されることを抑制できるので、正確な電流値に基づいてチョッパ回路２のスイッチング素子２ａを制御することができるので、直流電源１からチョッパ回路２へ突入する電流が過大となってしまうような直流電源１に大きな負荷がかかる事態を確実に回避することができ、直流電源１を消耗させず長寿命化することができる。
【００２８】
さらに、この第二のキャパシタ５は、スイッチング素子２ａの開閉によって直流電源１からの持ち出し電流の波形が急峻となることをも抑制するので、直流電源１に対する負荷を最小限に留めることができ、この点でも直流電源１の消耗を抑制することができる。
【００２９】
なお、本実施の形態では、チョッパ回路２が上記の如く動作する事により、この電源装置では、キャパシタ４の電圧が外部負荷７の動作電圧範囲にあって充電開始となる所定電圧以上である場合、チョッパ回路２が駆動されずに電力を消費しない状態となり、このため、電源装置は飛躍的に省電力となる。
【００３０】
つまり、この実施の形態における電源装置では、常時チョッパ回路２が駆動してスイッチング素子２ａの開閉が繰り返されてチョッパ回路２自体で損失する電力が常時消費されるのではなく、チョッパ回路２がキャパシタ４の充電が必要なときのみに駆動されるので、銅損も抑制されチョッパ回路２で無駄な電力を消費することがなく、省電力となるのである。
【００３１】
また、本実施の形態の電源装置ではチョッパ回路２がキャパシタ４の充電が必要なときのみに駆動されるので、外部負荷７が電力を消費しない待機時や、外部負荷７が誘導性負荷であってキャパシタ４への回生充電が期待できる時には、チョッパ回路２の駆動を停止して電力消費しないから直流電源１の限りある電力を無駄にすることが無く、電源装置が効率的となる。
【００３２】
なお、上記した実施の形態にあっては、チョッパ回路２を昇圧型のチョッパ回路としているが、図３に示すように、降圧型のチョッパ回路８としてもよい。この降圧型のチョッパ回路８は、周知の降圧型のチョッパ回路とされており、給電ライン１０上であってシャント抵抗３とキャパシタ４との間に直列に介装されるスイッチング素子８ａおよびコイル８ｂと、スイッチング素子８ａとコイル８ｂとの間の給電ライン１０に直流電源１に対して並列して介装されるダイオード８ｃと、を備えて構成されており、スイッチング素子８ａを開閉することで直流電源１から供給される電圧をチョップして降圧しキャパシタ４を充電するようになっている。
【００３３】
さらに、このチョッパ回路８は、上記した制御部６によって、直流電源１からの持ち出し電流が上限値を超えないようにＰＷＭ制御される。
【００３４】
また、第二のキャパシタ５は、給電ライン１０のシャント抵抗３とチョッパ回路８との間にチョッパ回路８に並列して接続されており、この第二のキャパシタ５にあっても、チョッパ回路８のスイッチングノイズやシャント抵抗３によって生じるサージを吸収してチョッパ回路８より上流側の給電ライン１０における電圧変化を平滑化するフィルタとして機能し、シャント抵抗３の両端間電圧にサージ電圧が重畳することを抑制する。
【００３５】
チョッパ回路８が降圧型に設定されても、第二のキャパシタ５によって、シャント抵抗３で検知する電流値にサージやノイズが重畳されることを抑制できるので、正確な電流値に基づいてチョッパ回路８のスイッチング素子８ａを制御することができるので、直流電源１からチョッパ回路８へ突入する電流が過大となってしまうような直流電源１に大きな負荷がかかる事態を確実に回避することができ、直流電源１を消耗させず長寿命化することができる。
【００３６】
さらに、この第二のキャパシタ５は、スイッチング素子８ａの開閉によって直流電源１からの持ち出し電流の波形が急峻となることをも抑制するので、直流電源１に対する負荷を最小限に留めることができ、この点でも直流電源１の消耗を抑制することができる。
【００３７】
以上で、本発明の実施の形態についての説明を終えるが、本発明の範囲は図示されまたは説明された詳細そのものには限定されないことは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】一実施の形態における電源装置の構成図である。
【図２】一実施の形態の電源装置におけるキャパシタの充電タイミングを説明する図である。
【図３】他の実施の形態における電源装置の構成図である。
【符号の説明】
【００３９】
１  直流電源
２，８  チョッパ回路
２ａ，８ａ  チョッパ回路におけるスイッチング素子
２ｂ，８ｂ  チョッパ回路におけるコイル
２ｃ，８ｃ  チョッパ回路におけるダイオード
３  シャント抵抗
４  キャパシタ
５  第二のキャパシタ
６  制御部
７  外部負荷
１０  給電ライン
【図１】
2009005432.tif 000003
【図２】
2009005432.tif 000004
【図３】
2009005432.tif 000005