JP2003244943A - 電源装置の昇圧装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 乗用自動車の電動パワーステアリング装置等
に電力を供給するのに適し、昇圧作用による高電圧に基
づき電流を流す一方向通電回路部での消費電力を少なく
し、発熱を低減した電源装置の昇圧装置を提供する。 【解決手段】 駆動信号Ｓによってオン・オフされるＦ
ＥＴ１２と、ＦＥＴのオンのときにエネルギを蓄え、オ
フした瞬間にエネルギを解放するコイル１１と、コイル
の下流側に接続され、ＦＥＴがオフのときに駆動信号
Ｓ’によってオンになってコイルから供給される電流を
流すＦＥＴ１３と、ＦＥＴの下流側に接続されるコンデ
ンサ１５と、駆動信号Ｓと駆動信号Ｓ’を供給する駆動
制御手段１４とを備えて構成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は電源装置の昇圧装置
に関し、特に、乗用自動車の電動パワーステアリング装
置等に電力を供給する電源装置の昇圧装置に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】昇圧装置の電気回路部分（以下「昇圧回
路」という）は、通常、インダクタンス回路要素として
のコイルと、スイッチ要素としてのＦＥＴ（Field-effe
ct Transistor）と、ダイオードと、蓄電要素としての
コンデンサから構成される。昇圧装置は、入力端子に印
加される所定の電圧を昇圧し、出力端子に高圧電圧を生
じさせる装置で、例えば電動パワーステアリング装置の
電源装置に含まれる。図６は、従来の周知の昇圧回路の
回路構成図である。この昇圧回路１０１は、例えば特公
平８−５３９号公報や特開平８−１２７３５１号公報に
開示されている。昇圧回路１０１で、ダイオード１０２
のアノード側にコイル１０３とＦＥＴ１０４が接続さ
れ、ダイオード１０２のカソード側には、コンデンサ１
０５が接続されている。昇圧回路１０１の出力端子Ｖ
_ｏｕｔ側には、さらに、電池、負荷等が接続される。

【０００３】所定の電圧が入力端子Ｖ_ｉｎに印加されて
いる場合に、ＦＥＴ１０４がオンで通電状態となってい
れば、コイル１０３はエネルギを電流として蓄える。Ｆ
ＥＴ１０４がオフで非通電状態となった時には、コイル
１０３に蓄えられたエネルギが放出される。このとき電
流はＦＥＴ１０４には流れず、ダイオード１０２へと流
れる。昇圧作用による高電圧は、コンデンサ１０５によ
って平滑化され、出力端子Ｖ_ｏｕｔへ与えられる。以上
のようにして、入力端子Ｖ_ｉｎに与えられた相対的に低
い電圧が昇圧され、高い電圧としてダイオード１０２の
カソード側の出力端子Ｖ_ｏｕｔに生じる。

【０００４】ダイオード１０２は出力端子Ｖ_ｏｕｔ側か
ら電流が流れ込まないようにするために設けられてい
る。これは、昇圧回路１０１では出力端子Ｖ_ｏｕｔ側の
昇圧された電圧が入力側の電圧より高くなり、逆流する
可能性があるので、それを防止するためである。ここに
は通常、順方向電圧の小さいショットキーダイオードが
使用される。このダイオード１０２での消費電力は、ダ
イオード１０２の順方向電圧をＶｆとし、電流をＩ
_ｏｕｔとし、ＦＥＴ１０４のオフデューティをＦＥＴ
_{ｏｆｆｄｕｔｙ}とすると、次の式で計算される。

【０００５】 Ｖｆ×Ｉ_ｏｕｔ×ＦＥＴ_{ｏｆｆｄｕｔｙ}・・・・（１）

【０００６】上記（１）式による消費電力は、ＦＥＴ１
０４がオフのとき、つまりダイオード１０２に順方向電
圧がかかっているときの消費電力となっている。この消
費電力は出力端子Ｖ_ｏｕｔから負荷等へ供給される電流
が大きくなると、大きくなり、これによって発熱量も大
きくなる。

【０００７】次に、昇圧装置を含む電源装置の例として
電動パワーステアリング装置において使用される電源装
置について説明する。電動パワーステアリング装置は、
自動車の運転中、運転者がステアリングホイール（操舵
ハンドル）を操作するとき、モータを連動させて操舵力
を補助する支援装置である。電動パワーステアリング装
置では、運転者のハンドル操舵によりステアリング軸に
生じる操舵トルクを検出する操舵トルク検出部からの操
舵トルク信号、および、車速を検出する車速検出部から
の車速信号等を利用し、モータ制御部の制御動作に基づ
いて、補助操舵力を出力する支援用のモータを駆動制御
し、運転者の操舵力を軽減している。操舵ハンドルの据
えきり時などでは、瞬時に大きな補助操舵力を必要とす
るため、モータへ大電流を供給する必要がある。

【０００８】従来、モータへの大電流の供給は、電池か
ら直接供給していた。このため、電池の電圧変動があっ
た。そこで、例えば特公平８−５３９号公報の電動パワ
ーステアリング電源装置では、低電圧を昇圧する昇圧回
路の容量を昇圧回路の出力側に接続された電池で使用す
る平均電力よりも大きくかつ、使用する最大電力よりも
小さくすることによって、入力側の電池の電圧変動が小
さい状態で、操舵ハンドルの据えきり時に必要となる大
電流を供給している。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上記の公報で開示され
る昇圧回路には、昇圧作用による高電圧に基づき電流を
流す一方向通電回路部にダイオードが使用されている。
かかる昇圧回路において順方向電圧の小さいショットキ
ーダイオードを使用したとしても、（１）式で算出され
る電力が消費される。この結果、ダイオードによって電
力が消費され、ダイオードは発熱する。据えきり時など
ごく短期間に比較的大きな電流を必要とする電動パワー
ステアリングなどの車両装置では、特に上記のような消
費電力を少なくし、発熱を低減することが望まれる。

【００１０】本発明の目的は、上記の問題を解決するこ
とにあり、昇圧作用による高電圧に基づき電流を流す一
方向通電回路部での消費電力を少なくし、発熱を低減し
た電源装置の昇圧装置を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段および作用】本発明に係る
電源装置の昇圧装置は、上記目的を達成するため、次の
ように構成される。

【００１２】第１の電源装置の昇圧装置（請求項１に対
応）は、第１駆動信号によってオン・オフされる第１ス
イッチ要素（ＦＥＴ１２）と、第１スイッチ要素のオン
のときにエネルギを蓄え、オフした瞬間にエネルギを解
放するインダクタンス回路要素（コイル）と、インダク
タンス回路要素の下流側に接続され、第１スイッチ要素
がオフのときに第２駆動信号によってオンになってイン
ダクタンス回路要素から供給される電流を流す第２スイ
ッチ要素（ＦＥＴ１３）と、第２スイッチ要素の下流側
に接続されるコンデンサ等の蓄電要素と、第１駆動信号
と第２駆動信号を供給する駆動制御部とを備えて成るこ
とを特徴とする。

【００１３】上記構成によれば、第１スイッチ要素がオ
ンのときにインダクタンス回路要素に蓄えられたエネル
ギが、第１スイッチ要素をオフにした瞬間に、昇圧作用
による高電圧に基づき電流を流す一方向通電回路部を通
じて出力側へ解放される。この一方向通電回路部には、
前述の（１）式で算出される電力を消費するダイオード
ではなく、所定条件を満たすＦＥＴによる第２スイッチ
要素が備えられているため、消費電力を抑えることが可
能であり、これによって発熱の低減を図ることが可能と
なる。これは以下の理由によるものである。

【００１４】例えば、第１スイッチ要素、第２スイッチ
要素として第１と第２のＦＥＴを使用した場合、駆動制
御部はそれぞれに、所定のオフデューティを有する駆動
信号を供給する。昇圧された高電圧に基づき流れる電流
をＩ_ｏｕｔとし、第２ＦＥＴの抵抗をＲ_ｏｎとし、第１
ＦＥＴのオフデューティをＦＥＴ_{ｏｆｆｄｕｔｙ}とする
と、次式で第２ＦＥＴでの消費電力を計算することがで
きる。

【００１５】 Ｉ_ｏｕｔ ^２×Ｒ_ｏｎ×ＦＥＴ_{ｏｆｆｄｕｔｙ}・・・・（２）

【００１６】ここで、第２ＦＥＴはオン時の抵抗が小さ
いものを選択することでダイオードに比べて、オン時電
圧を小さくすることが可能であることから、以下の
（３）式の条件に基づき、昇圧回路の一方向通電回路部
で消費される電力を従来のダイオードを使用した昇圧装
置での消費電力よりも少なくすることが可能である。な
お、（１）式と（２）式においてＩ_ｏｕｔとＦＥＴ
_{ｏｆｆｄｕｔｙ}はそれぞれ同じである。

【００１７】 Ｖｆ＞Ｉ_ｏｕｔ×Ｒ_ｏｎ・・・・（３）

【００１８】（３）式を満たす第２ＦＥＴを使用するこ
とによって、消費電力を少なくし、発熱を低減した電源
装置の昇圧装置が可能となる。

【００１９】第２の電源装置の昇圧装置（請求項２に対
応）は、上記の第１の装置構成において、好ましくは、
第１駆動信号で第１スイッチ要素をオフにし、その後同
時オン状態が生じないように第２駆動信号で第２スイッ
チ要素をオンすることを特徴とする。上記構成によれ
ば、第１スイッチ要素をオフにした後、同時オン状態が
生じないように第２スイッチ要素をオンするので、第１
スイッチ要素のオンからオフへの過渡状態と第２スイッ
チ要素のオフからオンへの過渡状態が重なることなく、
昇圧回路の出力側から入力側へ電流が流れるのを防ぐこ
とが可能である。

【００２０】第３の電源装置の昇圧装置（請求項３に対
応）は、上記の第２の装置構成において、好ましくは、
第２スイッチ要素はＦＥＴであり、このＦＥＴのソース
がインダクタンス回路要素に接続されていることを特徴
とする。

【００２１】上記構成によれば、第２スイッチ要素は通
常のＦＥＴ電流が流れる方向と逆向きに接続されている
ことも特徴となる。第１スイッチ要素をオフにした後、
同時オン状態が生じないように第２スイッチ要素をオン
するので、第１スイッチ要素および第２スイッチ要素が
共にオフとなるタイミングがあるが、第２スイッチ要素
の寄生ダイオードが従来の昇圧回路のダイオードと同様
に機能するため、エネルギを蓄積したコイルによるサー
ジ電圧も発生せず、昇圧回路の出力側から入力側へ電流
が流れることもない。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の好適な実施形態
を添付図面に基づいて説明する。

【００２３】図１は本発明に係る電源装置の昇圧装置の
代表的実施形態を示す。電気回路部分は昇圧回路であ
る。昇圧装置１０は、コイル１１と、第１スイッチ要素
である第１のＦＥＴ１２と、第２スイッチ要素である第
２のＦＥＴ１３と、ＦＥＴ１２，ＦＥＴ１３へ駆動信号
Ｓ，Ｓ’をそれぞれ供給する駆動制御部１４と、コンデ
ンサ１５とから構成される。図１でＦＥＴ１３はスイッ
チ通電部１３ａとダイオード１３ｂの２つの素子から構
成されるものとして描かれている。このダイオード１３
ｂはＦＥＴ１３の寄生ダイオードである。コンデンサ１
５は蓄電機能と平滑機能を有する。なお、コンデンサ１
５に代えてバッテリ（充電池）を用いることもできる。

【００２４】コイル１１の上流側（図中左端）は入力端
子Ｖ_ｉｎとなっており、下流側（図中右端）はＦＥＴ１
２のドレインおよびＦＥＴ１３のソースに接続されてい
る。ＦＥＴ１２のドレインはコイル１１の下流側と接続
され、ソースは接地されている。ＦＥＴ１２のゲートに
は駆動制御部１４からの駆動信号Ｓが入力される。ＦＥ
Ｔ１３は寄生ダイオード１３ｂを含んで構成され、ソー
スをコイル１１の下流側に接続し、ドレインを出力端子
Ｖ_ｏｕｔに接続している。ＦＥＴ１３のゲートには駆動
制御部１４からの駆動信号Ｓ’が入力される。ＦＥＴ１
２とＦＥＴ１３へ駆動信号Ｓ，Ｓ’を供給する駆動制御
部１４は、昇圧駆動用の回路や専用ＩＣで構成される。

【００２５】ＦＥＴ１２がオンのときには、コイル１１
に電流が流れ、そのインダクタンス作用に基づきエネル
ギが蓄えられる。このとき、ＦＥＴ１３はオフとなって
おり、出力端子Ｖ_ｏｕｔ側へ電流は流れていない。次に
駆動信号ＳによりＦＥＴ１２がオンからオフになる時、
コイル１１に流れる電流が遮断される。この遮断による
磁束の変化を妨げるようにコイル１１で起電力が生じ
る。この結果、コイル１１の両端間に電圧が発生する。
このとき、駆動信号Ｓ’によってＦＥＴ１３がオンにな
ると、コイル１１側から電流がＦＥＴ１３のスイッチ通
電部１３ａを経由して出力端子Ｖ_ｏｕｔへ供給される。
コイル１１の下流側に生じる電圧は、入力端子Ｖ_ｉｎに
印加されている電圧とコイル１１の両端間に発生した電
圧の和となっている。駆動信号Ｓ’によってＦＥＴ１３
がオンになる直前はＦＥＴ１３の寄生ダイオード１３ｂ
を経由して出力端子Ｖ_ｏｕｔ側へ電流が流れ、出力端子
Ｖ_{ｏ ｕｔ}へ電圧が供給される。

【００２６】以上のように、出力端子Ｖ_ｏｕｔへＦＥＴ
１３のスイッチ通電部１３ａおよび寄生ダイオード１３
ｂを介して、昇圧作用で生じた高電圧が与えられる。コ
ンデンサ１５は、印加された高電圧によって蓄電を行う
と共に、ＦＥＴ１２およびＦＥＴ１３のオン・オフの繰
り返しによって発生する高電圧の変動を平滑化する。な
お、コンデンサ１５に代えてバッテリを用いた場合に
も、ＦＥＴ１２とＦＥＴ１３のオン・オフ動作の繰り返
しによって発生する高電圧に基づく蓄電を行う。

【００２７】図２は、ＦＥＴ１２およびＦＥＴ１３の各
ゲートへ与えられる駆動信号Ｓ，Ｓ’の入力状態を示
す。駆動信号ＳでＦＥＴ１２をオフにし、その後同時オ
ン状態が生じないように駆動信号Ｓ’でＦＥＴ１３をオ
ンするようにするため、ＦＥＴ１２のゲートへの駆動信
号Ｓのオン状態の時間をＦＥＴ１３のゲートへの駆動信
号Ｓ’のオフ状態の時間よりも短くしている。図２にお
いて、駆動信号Ｓ，Ｓ’を別々に入力しているが、駆動
信号Ｓ，Ｓ’は同一の駆動制御部１４から供給される。

【００２８】図３は、上記駆動信号Ｓ，Ｓ’の波形と、
ＦＥＴ１２およびＦＥＴ１３の動作状態を示す。Ｓｄは
ＦＥＴ１２の動作状態、Ｓ’ｄはＦＥＴ１３の動作状態
を示している。駆動信号ＳでＦＥＴ１２をオフにし、そ
の後同時オン状態が生じないように駆動信号Ｓ’でＦＥ
Ｔ１３をオンするようにするため、ＦＥＴ１２のゲート
への駆動信号Ｓのオン状態の時間がＦＥＴ１３のゲート
への駆動信号Ｓ’のオフ状態の時間よりも短くしてい
る。ここで、ＦＥＴ１２がオンからオフに切り替わる時
の時刻Ｔ１とＦＥＴ１３がオフからオンに切り替わる時
の時刻Ｔ２の差はデッドタイムＤＴである。このデッド
タイムＤＴで、２つの駆動信号の間において同時オフの
状態を作る。

【００２９】この同時オフ状態であるデッドタイムＤＴ
を有する駆動信号Ｓ，Ｓ’をそれぞれＦＥＴ１２，１３
へ入力すると、動作状態においてもＦＥＴ１２がオンか
らオフおよびオフからオンに切り替わるときに、ＦＥＴ
１２とＦＥＴ１３が同時オフ状態となる同時オフ区間Ｗ
が生じる。このため、ＦＥＴ１２およびＦＥＴ１３の各
動作の過渡状態においても、２つのＦＥＴのオン状態が
重複することがなく、出力側の高電圧に基づく電流が逆
流することはない。

【００３０】上述したような構成の昇圧回路において、
同時オフ状態となるようにデッドタイムＤＴを有する駆
動信号Ｓ，Ｓ’をそれぞれＦＥＴ１２とＦＥＴ１３へ入
力した場合、ＦＥＴ１３での消費電力は前述の（２）式
で算出される。（２）式において、Ｉ_ｏｕｔはＦＥＴ１
３を流れる電流、Ｒ_ｏｎはＦＥＴのオン抵抗、ＦＥＴ
_{ｏｆｆｄｕｔｙ}はＦＥＴ１２のオフデューティである。
ここで、前述の（１）式で算出される従来のダイオード
を使用した場合の消費電力よりも少ない消費電力である
ためには、前述の（３）式の条件を満たす必要がある。

【００３１】（３）式を満たすようなＦＥＴ１３を使用
すれば、従来のごときダイオードを使用した場合より
も、消費電力が少なくでき、これによって発熱量を低減
できる。また、電流の逆流防止には寄生ダイオード１３
ｂが機能するため、電流の逆流を完全に防ぐことができ
る。

【００３２】図４は本発明に係る電源装置の昇圧装置を
適用した第１の適用例を示す。図４において上記実施形
態で説明した要素と実質的に同一の要素には同一の符号
を付している。図４で１５は上記コンデンサ、１６は車
載バッテリ、１７はモータユニットである。モータユニ
ット１７は電動パワーステアリング装置で補助操舵力を
供給するのに使用される駆動源である。駆動制御部１４
は、ＦＥＴ１２とＦＥＴ１３のそれぞれへ駆動信号Ｓ，
Ｓ’を供給し、ＦＥＴ１２，１３のオン・オフ動作を制
御する。ＦＥＴ１２がオンのとき、車載バッテリ１６に
よる所定の低電圧の印加によって、コイル１１にエネル
ギが蓄えられる。ＦＥＴ１２がオフになり、ＦＥＴ１３
がオンとなったときに、コイル１１に蓄えられたエネル
ギが解放され、オン状態になったＦＥＴ１３を介して下
流側へ電流が流れる。コンデンサ１５は、蓄電を行いか
つ電流を平滑し、モータ１７ユニットに高電圧による大
電流を供給する。前述したように据え切り時に大電流が
必要となる電動パワーステアリング装置において、適切
な電流が上記昇圧装置によって供給される。この場合に
おいてＦＥＴ１３での消費電力は少なく、発熱が低減さ
れる。

【００３３】図５は本発明に係る電源装置の昇圧装置を
適用した第２の適用例を示す図である。図５において上
記実施形態で説明した要素と実質的に同一の要素には同
一の符号を付している。１８は電圧の低い給電用バッテ
リ、１９は充電用バッテリである。バッテリ１８による
低電圧の印加によって、ＦＥＴ１２がオンのとき、コイ
ル１１に蓄えられたエネルギが、ＦＥＴ１２がオフにな
り、ＦＥＴ１３がオンとなったときに、解放される。コ
イル１１に発生した逆起電力による電圧とバッテリ１８
の電圧による昇圧された電圧がバッテリ１９に印加さ
れ、蓄電される。従来のダイオードを使用していた部位
にＦＥＴ１３を用いているため、消費電力が少なく、バ
ッテリ１８から印加された電圧を昇圧し効率よくバッテ
リ１９を充電することができる。

【００３４】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように本発明によ
れば、次の効果を奏する。

【００３５】請求項１に係る本発明によれば、ダイオー
ドに代えて、例えばＦＥＴのようなスイッチ要素を使用
したので、消費電力を抑えることができ、発熱低減効果
のある電源装置の昇圧装置を実現することができる。

【００３６】請求項２に係る本発明によれば、上記の効
果に加えて、同時オフ状態を有する駆動信号を入力する
ようにしたので、電流の逆流を防ぐことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る電源装置の昇圧装置の代表的実施
形態を示す回路図である。

【図２】２つのＦＥＴの各ゲートへの駆動信号の入力状
態を示す図である。

【図３】２つのＦＥＴの各ゲートへ入力される駆動信号
の波形と、２つのＦＥＴの各動作状態を示す図である。

【図４】本発明に係る電源装置の昇圧装置を適用した第
１適用例を示す回路図である。

【図５】本発明に係る電源装置の昇圧装置を適用した第
２適用例を示す回路図である。

【図６】従来の昇圧回路の回路構成図である。

【符号の説明】

１０ 昇圧装置 １１ コイル １２ ＦＥＴ １３ ＦＥＴ １３ａ スイッチ通電部 １３ｂ ダイオード １４ 駆動制御部 １５ コンデンサ １６ 車載バッテリ １７ モータユニット １８ 給電用バッテリ １９ 充電用バッテリ ＤＴ デッドタイム Ｓ，Ｓ’ 駆動信号 Ｗ 同時オフ区間

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１駆動信号によってオン・オフされる
   第１スイッチ要素と、 前記第１スイッチ要素のオンのときにエネルギを蓄え、
   オフした瞬間に前記エネルギを解放するインダクタンス
   回路要素と、 前記インダクタンス回路要素の下流側に接続され、前記
   第１スイッチ要素がオフのときに第２駆動信号によって
   オンになって前記インダクタンス回路要素から供給され
   る電流を流す第２スイッチ要素と、 前記第２スイッチ要素の下流側に接続される蓄電要素
   と、 前記第１駆動信号と前記第２駆動信号を供給する駆動制
   御手段と、 を備えて成ることを特徴とする電源装置の昇圧装置。
2. 【請求項２】 前記第１駆動信号で前記第１スイッチ要
   素をオフにし、その後同時オン状態が生じないように前
   記第２駆動信号で前記第２スイッチ要素をオンすること
   を特徴とする請求項１記載の電源装置の昇圧装置。
3. 【請求項３】 前記第２スイッチ要素はＦＥＴであり、
   このＦＥＴのソースが前記インダクタンス回路要素に接
   続されていることを特徴とする請求項２記載の電源装置
   の昇圧装置。