JP2011234564A - 電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】広い電圧範囲に亘って出力電圧が可変な小型の電源装置を提供する。
【解決手段】電源装置１は、一次側巻線１４ａと複数の二次側巻線１４ｂ，１４ｃとを備える高周波トランス１４と、高周波トランス１４の一次側に設けられ、商用交流電源ＰＳから供給される交流電力を直流電力に変換するコンバータ１１と、高周波トランス１４の一次側巻線１４ａ及びコンバータ１１に接続され、直流電力と交流電力との変換を行う電力変換回路１２と、高周波トランス１４が備える複数の二次側巻線１４ａ，１４ｂの接続関係を切り替える切替器１５と、切替器１５を介して高周波トランス１４の二次側巻線１４ｂ，１４ｃに接続され、直流電力と交流電力との変換を行う電力変換回路１６とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、直流電力の供給を行う電源装置に関する。

近年、低炭素社会を実現すべく、動力発生源としてエンジンとモータとを併用するハイブリッド自動車（ＨＶ：Hybrid Vehicle）や動力発生源としてモータのみを用いる電気自動車（ＥＶ：Electric Vehicle）の研究が盛んに行われている。これらハイブリッド自動車や電気自動車は、再充電が可能なリチウムイオン二次電池等の二次電池が用いられている。電気自動車に設けられた二次電池は、基本的には外部の電源装置を用いて充電される。また、ハイブリット自動車のうち、所謂プラグイン・ハイブリット車と呼ばれるものは、電気自動車と同様に外部の電源装置を用いて二次電池の充電が可能である。

上記の電気自動車等に設けられる二次電池の充電に用いられる電源装置は、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation：パルス幅変調）コンバータ、ＰＷＭインバータ、及び整流器を備えており、電圧が２００Ｖである商用交流電源から二次電池の充電に必要となる直流電力を生成する。ここで、電気自動車等に設けられる二次電池は、接地されずに電気的に浮いた状態にあるため、電源装置は、二次電池と商用交流電源とを絶縁するためのトランスをＰＷＭコンバータの入力側に備える。しかしながら、商用交流電源の周波数は５０Ｈｚ又は６０Ｈｚと低く大型のトランスが必要になるため、電源装置が大型化するという問題があった。

ここで、電源装置を小型化するためには当然ながら小型のトランスを用いれば良いが、そのためにはトランスの一次側に入力される交流の周波数を高める必要がある。以下の特許文献１には、直流電源を高周波出力に変換する高周波リンク方式のインバータをトランスの一次側に設けるとともに、トランスの二次側に整流回路等を設けて、直流電源の電圧変換を行うＤＣ／ＤＣコンバータが開示されている。このＤＣ／ＤＣコンバータでは、インバータによって変換された交流波出力をトランスの一次側に入力しているため、小型のトランスを用いることが可能であると考えられる。

特開２００１−１９７７３３号公報

ところで、上述した特許文献１に開示されたＤＣ／ＤＣコンバータを上記の電源装置に適用すれば小型のトランスを用いることが可能であるため、電源装置の小型化を図ることができるとも考えられる。しかしながら、引用文献１に開示されたＤＣ／ＤＣコンバータは、トランスの二次側の出力電圧が一次側巻線と二次側巻線との巻線比でほぼ決まってしまう。このため、引用文献１に開示されたＤＣ／ＤＣコンバータが仮に電源装置に適用できたとしても、その出力電圧の可変幅が狭いという問題がある。

電気自動車等に用いられる二次電池の電圧が一定であれば、電源装置の出力電圧の可変幅が狭くとも問題は生じない。しかしながら、二次電池の電圧は電気自動車等のメーカー毎に様々であり、５０〜５００Ｖ程度の範囲内のものが用いられると想定される。このため、電気自動車等に設けられる二次電池の充電に用いられる電源装置は、上述した広い電圧範囲に亘って出力電圧が可変である必要がある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、広い電圧範囲に亘って出力電圧が可変な小型の電源装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の電源装置は、商用交流電源（ＰＳ）から直流電力を生成する電源装置（１）であって、一次側巻線（１４ａ）と複数の二次側巻線（１４ｂ、１４ｃ）とを備える高周波トランス（１４）と、前記高周波トランスの一次側に設けられ、前記商用交流電源から供給される交流電力を直流電力に変換するコンバータ（１１）と、前記高周波トランスの一次側巻線及び前記コンバータに接続され、直流電力と交流電力との変換を行う第１電力変換回路（１２）と、前記高周波トランスが備える複数の二次側巻線の接続関係を切り替える切替器（１５）と、前記切替器を介して前記高周波トランスの二次側巻線に接続され、直流電力と交流電力との変換を行う第２電力変換回路（１６）とを備えることを特徴としている。
また、本発明の電源装置において、前記切替器は、前記高周波トランスが備える複数の二次側巻線を、直列接続するのか又は並列接続するのかを切り替えることを特徴としている。
また、本発明の電源装置において、前記高周波トランスが備える複数の二次側巻線は、同じ巻線数であることを特徴としている。
また、本発明の電源装置において、前記高周波トランスは、一次側に対する二次側の昇圧比が１に設定されていることを特徴としている。
また、本発明の電源装置において、前記第１電力変換回路は、リアクトル（１３）を介して前記高周波トランスの一次側巻線に接続されることを特徴としている。

本発明によれば、高周波トランスの一次側にコンバータ及び第１電力変換回路を配置するとともに、高周波トランスの二次側に第２電力変換回路を配置し、直流電力を高周波の交流電力に変換して高周波トランスの一次側と二次側との間で電力の移行を行っている。また、高周波トランスに設けられた複数の二次側巻線の接続関係を切替器によって切り替えられるようにしている。これにより、小型であるとともに広い電圧範囲に亘って出力電圧を変えることができるという効果がある。

本発明の一実施形態による電源装置の要部構成を示す回路図である。 本発明の一実施形態による電源装置が備える高周波トランスの二次側巻線の接続関係を示す図である。 本発明の一実施形態による電源装置の一部を抜き出した回路図である。 本発明の一実施形態による電源装置が備える電力変換回路の制御例を説明するための図である。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態による電源装置について詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態による電源装置の要部構成を示す回路図である。図１に示す通り、本実施形態の電源装置１は、コンバータ１１、電力変換回路１２（第１電力変換回路）、リアクトル１３、高周波トランス１４、切替器１５、電力変換回路１６（第２電力変換回路）、及びコンデンサ１７を備えており、商用交流電源ＰＳから供給される交流電力（例えば、電圧が２００Ｖである三相交流電力）から直流電力を生成する。

電源装置１によって生成された直流電力は、コンデンサ１７の各々の電極に接続された出力端子Ｔ１，Ｔ２から外部に出力され、例えば出力端子Ｔ１，Ｔ２間に接続されたリチウムイオン二次電池等の二次電池Ｂを充電するために用いられる。ここで、本実施形態の電源装置１は、高周波トランス１４の一次側から二次側への電力の移行のみならず、高周波トランス１４の二次側から一次側への電力の移行が可能であるが、以下では説明を簡単にするために、主として高周波トランス１４の一次側から二次側に電力が移行される場合について説明する。

コンバータ１１は、ダイオード２１ａ〜２１ｆとコンデンサ２２とを備えており、商用交流電源ＰＳから供給される三相交流電源を直流電力に変換する。ダイオード２１ａ〜２１ｆは三相全波整流回路を構成しており、商用交流電源ＰＳから供給される三相交流電力を整流する。コンデンサ２２は、ダイオード２１ａ〜２１ｆによって構成される三相全波整流回路に対して並列に接続されており、三相全波整流回路で整流された電力を平滑化して直流電力に変換する。

電力変換回路１２は、トランジスタ２３ａ〜２３ｄとダイオード２４ａ〜２４ｄとを備えており、コンバータ１１で変換された直流電力を交流電力に変換してリアクトル１３側に出力する。尚、この電力変換回路１２は、リアクトル１３側から入力される交流電力を直流電力に変換してコンバータ１１に出力することも可能である。トランジスタ２３ａ〜２３ｄは、バイポーラトランジスタであり、不図示の制御回路によってオン状態及びオフ状態が制御される。尚、トランジスタ２３ａ〜２３ｄとしてＦＥＴトランジスタ（Field Effect Transistor：電界効果トランジスタ）を用いることも可能である。

トランジスタ２３ａ，２３ｂは、コレクタ電極がコンバータ１１に設けられたコンデンサ２２の一方の電極に接続されており、エミッタ電極がトランジスタ２３ｃ，２３ｄのコレクタ電極にそれぞれ接続されている。また、トランジスタ２３ｃ，２３ｄは、エミッタ電極がコンバータ１１に設けられたコンデンサ２２の他方の電極に接続されている。これらトランジスタ２３ａ〜２３ｄのベース電極は不図示の制御回路に接続されている。また、ダイオード２４ａ〜２４ｄは、トランジスタ２３ａ〜２３ｄのコレクタ・エミッタ間にそれぞれ接続されている。

トランジスタ２３ａ〜２３ｄの各々を、予め設定された規則に従ってスイッチング動作（例えば、ＰＷＭスイッチング動作）させることにより、コンバータ１１からの直流電力が交流電力に変換されてリアクトル１３側に出力される。これに対し、トランジスタ２３ａ〜２３ｄが全てオフ状態である場合にリアクトル１３側から交流電力が供給されると、その交流電力がダイオード２４ａ〜２４ｄにより整流されてコンバータ１１に出力される。

リアクトル１３は、一端がトランジスタ２３ｂのエミッタ電極とトランジスタ２３ｄのコレクタ電極との接続点に接続されており、他端が高周波トランス１４が備える一次側巻線１４の一端に接続されている。つまり、上述した電力変換回路１２は、リアクトル１３を介して高周波トランス１４の一次側巻線１４に接続されている。このリアクトル１３は、力率を調整するために設けられる。尚、一次側巻線１４ａの他端は、トランジスタ２３ａのエミッタ電極とトランジスタ２３ｃのコレクタ電極との接続点に接続されている。

高周波トランス１４は、上述した一次側巻線１４ａと複数の二次側巻線１４ｂ，１４ｃとを備える。この高周波トランス１４に設けられる二次側巻線１４ｂ，１４ｃの巻線仕様は同じである。つまり、二次側巻線１４ｂ，１４ｃは、太さ、断面形状、巻線数等が同じに設定される。また、高周波トランス１４は、一次側に対する二次側の昇圧比が１に設定されている。従って、高周波トランス１４は、その一次側に印加される電圧とほぼ同じ電圧が二次側巻線１４ｂ，１４ｃにそれぞれ誘起される。この高周波トランス１４が設けられていることにより、商用交流電源ＰＳと二次電池Ｂとの間が絶縁されることになる。

切替器１５は、高周波トランス１４が備える二次側巻線１４ｂ，１４ｃの接続関係を切り替える。具体的には、不図示の制御回路の制御の下で、二次側巻線１４ｂ，１４ｃを直列接続するのか、又は並列接続するのかを切り替える。図２は、本発明の一実施形態による電源装置が備える高周波トランスの二次側巻線の接続関係を示す図である。図２（ａ）は、高周波トランス１４の二次側巻線１４ｂ，１４ｃが並列接続された状態を示す図であり、図２（ｂ）は、高周波トランス１４の二次側巻線１４ｂ，１４ｃが直列接続された状態を示す図である。

前述した通り、高周波トランス１４の二次側巻線１４ｂ，１４ｃは、巻線仕様が同じに設定されており、各々に同じ電圧が誘起される。ここで、二次側巻線１４ｂ，１４ｃの各々に誘起される電圧をＶとすると、図２（ａ）に示す並列接続がされている場合には、電力変換回路１６の入力電圧はＶになり、図２（ｂ）に示す直列接続がされている場合には、電力変換回路１６の入力電圧は２Ｖになる。出力端子Ｔ１，Ｔ２間に現れる電源装置１の出力電圧は、電力変換回路１６の入力電力に依存するため、本実施形態では、切替器１５による切り替えを行うだけで、電源装置１の出力電圧を容易に変えることができる。

電力変換回路１６は、トランジスタ２５ａ〜２５ｄとダイオード２６ａ〜２６ｄとを備えており、切替器１５を介して高周波トランス１４の二次側巻線１４ｂ，１４ｃに接続され、高周波トランス１４の一次側から二次側に移行される交流電力を直流電力に変換して出力する。尚、この電力変換回路１６は、コンデンサ１７側から供給される直流電力を交流電力に変換して切替器１５（高周波トランス１４の二次側巻線１４ｂ，１４ｃ）に出力することも可能である。トランジスタ２５ａ〜２５ｄは、電力変換回路１２に設けられるトランジスタ２３ａ〜２３ｄと同様にバイポーラトランジスタであり、不図示の制御回路によってオン状態及びオフ状態が制御される。尚、トランジスタ２５ａ〜２５ｄとしてＦＥＴトランジスタを用いることも可能である。

トランジスタ２５ａ，２５ｂは、コレクタ電極がコンデンサ１７の一方の電極に接続されており、エミッタ電極がトランジスタ２５ｃ，２５ｄのコレクタ電極にそれぞれ接続されている。また、トランジスタ２５ｃ，２５ｄは、エミッタ電極がコンデンサ１７の他方の電極に接続されている。これらトランジスタ２５ａ〜２５ｄのベース電極は、トランジスタ２３ａ〜２３ｄのベース電極と同様に、不図示の制御回路に接続されている。また、ダイオード２６ａ〜２６ｄは、トランジスタ２５ａ〜２５ｄのコレクタ・エミッタ間にそれぞれ接続されている。

図２（ａ）に示す通り、高周波トランス１４の二次側巻線１４ｂ，１４ｃが切替器１５によって並列接続されている場合には、トランジスタ２５ａのエミッタ電極とトランジスタ２５ｃのコレクタ電極との接続点に二次側巻線１４ｂ，１４ｃの一端が共に接続され、トランジスタ２５ｂのエミッタ電極とトランジスタ２５ｄのコレクタ電極との接続点に二次側巻線１４ｂ，１４ｃの他端が共に接続される。これに対し、図２（ｂ）に示す通り、高周波トランス１４の二次側巻線１４ｂ，１４ｃが切替器１５によって直列接続されている場合には、トランジスタ２５ａのエミッタ電極とトランジスタ２５ｃのコレクタ電極との接続点に二次側巻線１４ｂの一端のみが接続され、トランジスタ２５ｂのエミッタ電極とトランジスタ２５ｄのコレクタ電極との接続点に二次側巻線１４ｃの他端のみが接続される。

トランジスタ２５ａ〜２５ｄの各々を、予め設定された規則に従ってスイッチング動作（例えば、ＰＷＭスイッチング動作）させることにより、コンデンサ１７側から供給される直流電力が交流電力に変換されて切替器１５（高周波トランス１４の二次側巻線１４ｂ，１４ｃ）に出力される。これに対し、トランジスタ２５ａ〜２５ｄが全てオフ状態である場合に、高周波トランス１４の一次側から二次側に交流電力が移行されると、その交流電力がダイオード２６ａ〜２６ｄにより整流されてコンデンサ１７側に出力される。コンデンサ１７は、電源装置１の出力端子Ｔ１，Ｔ２間に接続されており、電力変換回路１６で整流された電力を平滑化して直流電力に変換する。

ここで、本実施形態の電源装置１は、高周波トランス１４の一次側及び二次側にそれぞれ設けられた電力変換回路１２，１６を所定の関係をもって制御すると、高周波トランス１４の一次側から二次側に移行される電力、又は高周波トランス１４の二次側から一次側に移行される電力量を制御することができる。図３は、本発明の一実施形態による電源装置の一部を抜き出した回路図である。尚、図３においては、説明を簡単にするために、切替器１５を省略し、高周波トランス１４の二次側巻線１４ａ，１４ｂをまとめて二次側巻線Ｃとしている。この図３に示す回路は、コンデンサ２２とコンデンサ１７との間で、各々に蓄積された直流電力を相互に変換可能なＤＣ／ＤＣコンバータである。

いま、図４に示す関係をもって電力変換回路１２，１６を制御する場合を考える。図４は、本発明の一実施形態による電源装置が備える電力変換回路の制御例を説明するための図である。つまり、図４に示す電圧Ｖ１が電力変換回路１２の出力端に現れるように電力変換回路１２に設けられたトランジスタ２３ａ〜２３ｄをスイッチングし、図４に示す電圧Ｖ２が電力変換回路１６の入力端に現れるように電力変換回路１６に設けられたトランジスタ２５ａ〜２５ｄをスイッチングする。

図４に示す電圧Ｖ１，Ｖ２が現れるように、電圧変換回路１２のトランジスタ２３ａ〜２３ｄ及び電圧変換回路１６のトランジスタ２５ａ〜２５ｄをそれぞれスイッチングした場合に、高周波トランス１４の一次側から二次側に移行される電力量Ｐは、以下の（１）式で表される。
Ｐ＝Ｖ１・Ｖ２／（２πｆｓ・Ｌ）×φ（１−φ／π） …（１）
但し、上記（１）式中の変数Ｌはリアクトル１３のインダクタンスであり、変数ｆｓは電圧Ｖ１，Ｖ２の周波数であり、変数φは電圧Ｖ１に対する電圧Ｖ２の位相遅れである。

つまり、上記（１）式から、電圧Ｖ１に対する電圧Ｖ２の位相遅れφを制御するだけで、高周波トランス１４の一次側から二次側に移行される電力量を容易に制御可能であることが分かる。高周波トランス１４の二次側から一次側に電力を移行させる場合も、電圧Ｖ１に対する電圧Ｖ２の位相遅れφを制御するだけで同様に電力量を制御することが可能である。但し、この場合には、電圧Ｖ２に対する電圧Ｖ１の位相遅れが生ずるよう制御する必要がある。

次に、上記構成における電源装置１を用いて二次電池Ｂを充電する場合の動作について説明する。尚、上述した通り、本実施形態の電源装置１は、電力変換回路１２，１６の各々を制御することによって高周波トランス１４の一次側から二次側に移行される電力量の制御が可能であるが、ここでは説明を簡単にするために、電力変換回路１２のみを制御して充電を行う場合について説明する。

まず、充電すべき二次電池Ｂを電源装置１に接続し、二次電池Ｂの正電極及び負電極を電源装置１の出力端子Ｔ１，Ｔ２にそれぞれ導通させる。次に、電源装置１に接続した二次電池Ｂの電圧に応じて切替器１５を切り替える。つまり、二次電池Ｂの電圧が高い場合には、高周波トランス１４の二次側巻線１４ｂ，１４ｃが直列接続されるように切替器１５を切り替え、二次電池Ｂの電圧が低い場合には、高周波トランス１４の二次側巻線１４ｂ，１４ｃが並列接続されるように切替器１５を切り替える。

以上の作業が終了し、充電開始の指示が行われると、不図示の制御回路から電力変換回路１２に制御信号が出力され、電力変換回路１２に設けられたトランジスタ２３ａ〜２３ｄのスイッチング動作が開始される。ここで、商用交流電源ＰＳから供給される三相交流電力はコンバータ１１によって直流電力に変換され、トランジスタ２３ａ〜２３ｄのスイッチング動作が開始されることにより、その直流電力が交流電力に変換される。

電力変換回路１２によって変化された交流電力は、リアクトル１３を介して高周波トランス１４の一次側巻線１４ａに供給される。高周波トランス１４は、二次側巻線１４ｂ，１４ｃの巻線仕様が同じであるとともに、一次側に対する二次側の昇圧比が１に設定されている。このため、高周波トランス１４の二次側巻線１４ｂ，１４ｃには一次側巻線１４ａに印加された電圧とほぼ同じ電圧が誘起され、これにより交流電力が高周波トランス１４の一次側から二次側に移行される。

高周波トランス１４の二次側に移行された高周波電力は電力変換回路１６に入力され、電力変換回路１６に設けられたダイオード２６ａ〜２６ｄによって整流された後にコンデンサ１７で平滑されて直流電力に変換される。この直流電力は、接続端子Ｔ１，Ｔ２を介して二次電池Ｂに供給され、これにより二次電池Ｂが充電される。このようにして、電源装置１による二次電池Ｂの充電が行われる。

以上の通り、本実施形態では、一次側巻線１４ａと複数の二次側巻線１４ａ，１４ｂとを備える高周波トランス１４を設け、切替器１５によって二次側巻線１４ａ，１４ｂの接続関係を切り替えられるようにしたため、広い電圧範囲に亘って電源装置１の出力電圧を変えることができる。これにより、電源装置１を用いて様々な種類の二次電池の充電を行うことができる。

また、本実施形態では、高周波トランス１４の一次側にコンバータ１１及び電力変換回路１２を配置するとともに、高周波トランス１４の二次側に電力変換回路１６を配置し、直流電力を高周波の交流電力に変換して高周波トランス１４の一次側と二次側との間で電力の移行を行っている。ここで、高周波トランス１４は、商用交流電源ＰＳと二次電池Ｂとの間を絶縁するためにも用いられており、この高周波トランス１４としては小型のトランスを用いることができるため、電源装置１の小型化を図ることができる。

以上、本発明の一実施形態による電源装置について説明したが、本発明は上記実施形態に制限されず、本発明の範囲内で自由に変更が可能である。例えば、上記実施形態では、高周波トランス１４に２つの二次側巻線１４ａ，１４ｂが設けられている例について説明したが、二次側巻線は３つ以上であっても良い。また、上記実施形態では、切替器１５によって２つの二次側巻線１４ａ，１４ｂが直列接続されるのか、又は並列接続されるのかが切り替えられる例について説明したが、切替器１５による二次側巻線の接続関係の切り替えは任意に設定することができる。例えば、直列接続される二次側巻線の数を任意に切り替え可能にしても良い。

更に、上記実施形態では、商用交流電源１０が三相交流電力を供給する電源である場合を例に挙げて説明した。しかしながら、本発明は単相交流電力を直流電力に変換する電源装置にも適用することが可能である。尚、以上の実施形態では、電源装置１が二次電池の充電に用いられる電源であるとして説明した。しかしながら、本発明の電源装置は、二次電池の充電に用いられる電源に制限される訳ではなく、出力電圧の切り替えが可能な一般的な電源として用いることができる。

１ 電源装置
１１ コンバータ
１２ 電力変換回路
１３ リアクトル
１４ 高周波トランス
１４ａ 一次側巻線
１４ｂ，１４ｃ 二次側巻線
１５ 切替器
１６ 電力変換回路
ＰＳ 商用交流電源

Claims (5)

1. 商用交流電源から直流電力を生成する電源装置であって、
   一次側巻線と複数の二次側巻線とを備える高周波トランスと、
   前記高周波トランスの一次側に設けられ、前記商用交流電源から供給される交流電力を直流電力に変換するコンバータと、
   前記高周波トランスの一次側巻線及び前記コンバータに接続され、直流電力と交流電力との変換を行う第１電力変換回路と、
   前記高周波トランスが備える複数の二次側巻線の接続関係を切り替える切替器と、
   前記切替器を介して前記高周波トランスの二次側巻線に接続され、直流電力と交流電力との変換を行う第２電力変換回路と
   を備えることを特徴とする電源装置。
2. 前記切替器は、前記高周波トランスが備える複数の二次側巻線を、直列接続するのか又は並列接続するのかを切り替えることを特徴とする請求項１記載の電源装置。
3. 前記高周波トランスが備える複数の二次側巻線は、同じ巻線数であることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の電源装置。
4. 前記高周波トランスは、一次側に対する二次側の昇圧比が１に設定されていることを特徴とする請求項３記載の電源装置。
5. 前記第１電力変換回路は、リアクトルを介して前記高周波トランスの一次側巻線に接続されることを特徴とする請求項１から請求項４の何れか一項に記載の電源装置。

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