JP2015192527A - 電力供給装置 - Google Patents

Abstract

【課題】正常状態でＤＣ−ＤＣコンバータの動作を停止させた場合に、ＰＦＣ回路（力率改善回路）のコンデンサに過電圧が印加されるのを防止する。また、停電が発生した後、停電が解除された際に、負荷の損傷や素子の破壊を防止するとともに、負荷への電力供給をすみやかに再開する。
【解決手段】充電装置１００（電力供給装置）は、ＰＦＣ回路５の入力側の電圧を検出する電圧検出部１５を備えている。電圧検出部１５が所定値未満の電圧を検出しない正常状態で、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０の動作を停止させるときは、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０の出力電圧が徐々に減少するように、スイッチング素子Ｑ２〜Ｑ９のオン・オフを制御する。一方、電圧検出部１５が所定値未満の電圧を検出したときは、スイッチング素子Ｑ２〜Ｑ９を即時にオフさせて、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０の動作を停止させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、バッテリの充電に用いられる充電装置のような電力供給装置に関し、特に、力率改善回路とＤＣ−ＤＣコンバータとを備えた電力供給装置に関する。

電気自動車やハイブリッドカーには、走行用モータの駆動源である高電圧バッテリが搭載され、このバッテリを充電するための充電装置が設けられる。このような充電装置は、一般に、交流電源から供給される電力の力率を改善する力率改善回路（以下、ＰＦＣ（Power Factor Correction）回路という）と、ＰＦＣ回路の出力電圧を昇圧または降圧するＤＣ−ＤＣコンバータと、ＰＦＣ回路およびＤＣ−ＤＣコンバータを制御する制御部とを備えている。

充電装置が交流電源に接続され、制御部の制御の下で充電が開始されると、ＰＦＣ回路およびＤＣ−ＤＣコンバータが動作し、ＤＣ−ＤＣコンバータから出力される直流電圧でバッテリが充電される。バッテリの充電中、制御部は、出力電圧を監視し、出力電圧の値が目標値となるように、ＰＦＣ回路とＤＣ−ＤＣコンバータに対してフィードバック制御を行う。また、出力電流を監視し、出力電流の値が目標値となるように、フィードバック制御を行う場合もある。バッテリの充電が終了すると、制御部は、ＰＦＣ回路およびＤＣ−ＤＣコンバータの動作を停止させ、また、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力側に設けられた出力コンデンサの残留電荷を放電させる。出力コンデンサの放電により、残留電荷による感電が防止される。

一般に、ＤＣ−ＤＣコンバータは、単数または複数のスイッチング素子を有している。また、これらのスイッチング素子の駆動信号として、一般にＰＷＭ（Pulse Width Modulation：パルス幅変調）信号が用いられる。ＤＣ−ＤＣコンバータの動作を開始する際に、スイッチング素子に与えるＰＷＭ信号のデューティを徐々に大きくしたり、ＰＷＭ信号の位相を徐々にシフトさせたりすることで、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力を徐々に増加させてゆく制御方法がある。この制御方法を、本明細書では「ソフトスタート制御」と呼ぶ。ソフトスタート制御については、たとえば特許文献１に記載されている。

また、ＤＣ−ＤＣコンバータの動作を停止する際に、スイッチング素子に与えるＰＷＭ信号のデューティを徐々に小さくしたり、ＰＷＭ信号の位相を徐々にシフトさせたりすることで、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力を徐々に減少させてゆく制御方法がある。この制御方法を、本明細書では「ソフトストップ制御」と呼ぶ。ソフトストップ制御については、たとえば特許文献２に記載されている。

特許文献３、４には、ＤＣ−ＤＣコンバータの停止制御に関する技術が記載されている。特許文献３では、同期整流方式のＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、負荷への電力供給停止時に、出力コンデンサに蓄積された電荷を、同期整流回路のスイッチング素子を通してグランドへ放電させるようにしている。特許文献４では、同期整流方式のＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、負荷への電力供給停止時に、出力コンデンサに蓄積された電荷を、インダクタとＦＥＴ（電界効果トランジスタ）を経由して入力電源側に回生させるようにしている。

特許文献５〜７には、電力供給装置における停電対策が記載されている。特許文献５、６では、ＤＣ−ＤＣコンバータの前段に前置コンバータを設けることにより、停電時に入力電圧の急低下が発生しないようにしている。特許文献７では、母線電圧が基準電圧以下となった場合に、直流負荷の動作を停止させることにより、母線電圧の低下を抑制し、また、復電時の突入電流を電流制限抵抗により抑制するようにしている。

ところで、ＰＦＣ回路には、インダクタやコンデンサが含まれている。このため、バッテリの充電完了後、ＤＣ−ＤＣコンバータのスイッチング素子を即時にオフさせて、ＤＣ−ＤＣコンバータの動作を停止させると、ＰＦＣ回路のコンデンサに過電圧が印加され、コンデンサが破壊されることがある。これは、ＤＣ−ＤＣコンバータの動作停止によりＰＦＣ回路の出力側が無負荷状態となることから、インダクタに蓄積された電気エネルギーが、ＤＣ−ＤＣコンバータで消費されずに、コンデンサに高電圧として印加されるためである。

また、バッテリの充電中に停電が発生する場合がある。このとき、ＤＣ−ＤＣコンバータは、直ちに停止状態にはならず、ＰＦＣ回路のコンデンサの充電電圧によって、一定時間は動作を継続する。ところが、その間、コンデンサの電荷はＤＣ−ＤＣコンバータのスイッチング素子を介して放電する。したがって、この放電によりコンデンサの電圧が低下すると、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧も低下するから、この出力電圧を上げるようにフィードバック制御が働く。その結果、コンデンサの放電に伴って、ＤＣ−ＤＣコンバータのスイッチング素子に印加されるＰＷＭ信号のデューティが増大してゆき、コンデンサの電圧が一定値未満になると、デューティは１００％となる。

したがって、この状態で停電が解除（電源が復旧）されたとすると、ＤＣ−ＤＣコンバータから、デューティ１００％に対応した過大な電圧が出力され、負荷が損傷することがある。また、ＰＦＣ回路のコンデンサに電荷のない状態で、電源電圧が急にコンデンサに印加されるので、コンデンサに大きな突入電流が流れて、ＰＦＣ回路の素子が破壊されるおそれがある。さらには、停電解除時に、放電したコンデンサを最初から充電しなければならず、コンデンサの電圧が一定レベルになるまでＤＣ−ＤＣコンバータが動作しないので、負荷への電力供給をすみやかに再開することができない。

国際公開ＷＯ２０１１／１２９１８５ 特開平４−６９０５１号公報 特開２００８−１６０９６７号公報 特開２００２−２６２５５０号公報 特開２０１１−１８２５７５号公報 特開２０１２−９０４７６号公報 特開２０１２−９５５１１号公報

本発明の課題は、正常状態でＤＣ−ＤＣコンバータの動作を停止させた場合に、ＰＦＣ回路のコンデンサに過電圧が印加されるのを防止することにある。本発明の他の課題は、停電が発生した後、停電が解除された際に、負荷の損傷や素子の破壊を防止するとともに、負荷への電力供給をすみやかに再開することにある。

本発明に係る電力供給装置は、交流電源が接続される入力端子と、負荷が接続される出力端子と、コンデンサを含み、交流電源から入力端子を介して供給される電力の力率を改善するＰＦＣ回路（力率改善回路）と、スイッチング素子を含み、当該スイッチング素子のオン・オフに基づいてＰＦＣ回路の出力電圧を昇圧または降圧するＤＣ−ＤＣコンバータと、ＰＦＣ回路およびＤＣ−ＤＣコンバータを制御する制御部と、ＰＦＣ回路の入力側の電圧を検出する電圧検出部とを備えている。制御部は、電圧検出部が所定値未満の電圧を検出しない正常状態で、ＤＣ−ＤＣコンバータの動作を停止させるときは、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧が徐々に減少するように、スイッチング素子のオン・オフを制御する。また、制御部は、電圧検出部が所定値未満の電圧を検出したときは、スイッチング素子を即時にオフさせて、ＤＣ−ＤＣコンバータの動作を停止させる。

このような構成によると、停電が発生していない状態でＤＣ−ＤＣコンバータを停止させる場合は、ソフトストップ制御によりＤＣ−ＤＣコンバータを徐々に停止させるので、ＰＦＣ回路のコンデンサに過電圧が印加されることはなく、当該コンデンサの破壊を防止することができる。一方、停電が発生した場合は、ＤＣ−ＤＣコンバータを直ちに停止させるので、停電解除時に、ＤＣ−ＤＣコンバータから過大な電圧が出力されることはなく、負荷の損傷を防止することができる。また、スイッチング素子が即時にオフとなることで、ＰＦＣ回路のコンデンサの放電が阻止される。このため、停電解除時に、ＰＦＣ回路のコンデンサに大きな突入電流が流れることはなく、ＰＦＣ回路の素子の破壊を防止できるとともに、負荷への電力供給をすみやかに再開することができる。

本発明において、ＤＣ−ＤＣコンバータは、ＰＷＭ信号により駆動される単数または複数のスイッチング素子を有し、制御部は、電圧検出部が所定値未満の電圧を検出しない正常状態で、ＤＣ−ＤＣコンバータの動作を停止させるときは、スイッチング素子に与えられるＰＷＭ信号のデューティまたは位相を徐々に変化させることにより、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧を徐々に減少させてゆくようにしてもよい。

本発明において、制御部は、ＤＣ−ＤＣコンバータの動作を停止させた後に、ＰＦＣ回路の動作を停止させるのが好ましい。

本発明において、制御部は、ＰＦＣ回路の動作を停止させた後に、交流電源からの電源供給を停止させるのが好ましい。

本発明において、制御部は、交流電源からの電源供給を停止させた後に、負荷を電気的に切断するのが好ましい。

本発明において、電圧検出部は、ＰＦＣ回路の入力側の電圧を一定周期で検出し、制御部は、電圧検出部で検出された電圧が、所定回数連続して所定値未満である場合に、停電が発生したと判定するようにしてもよい。

本発明において、制御部は、停電が発生したと判定した後、電圧検出部で検出された電圧が所定値以上である状態が所定回数連続した場合は、停電が解除されたと判定するようにしてもよい。

本発明によれば、正常状態でＤＣ−ＤＣコンバータの動作を停止させた場合に、ＰＦＣ回路のコンデンサに過電圧が印加されるのを防止することができる。また、停電が発生した後、停電が解除された際に、負荷の損傷や素子の破壊を防止するとともに、負荷への電力供給をすみやかに再開することができる。

本発明の実施形態に係る充電装置を示した回路図である。 充電ソケットの電気的構成を示した図である。 同期整流における電流経路を示した回路図である。 同期整流における電流経路を示した回路図である。 ＤＣ−ＤＣコンバータの各部の動作を示したタイムチャートである。 充電装置の動作を示したフローチャートである。 停電を検出する具体的な方法の一例を示した図である。 ソフトストップ制御を説明するためのタイムチャートである。 ソフトストップ制御を説明するためのタイムチャートである。 ソフトストップ制御を説明するためのタイムチャートである。 ソフトストップ制御を説明するためのタイムチャートである。 バッテリ充電時の電流経路を示した回路図である。 出力コンデンサ放電時の放電経路を示した回路図である。 出力コンデンサ放電時の他の放電経路を示した回路図である。

本発明の実施形態につき、図面を参照しながら説明する。各図において、同一の部分または対応する部分には、同一の符号を付してある。以下では、電力供給装置の実施形態として、バッテリの充電に用いられる充電装置を例に挙げる。

まず、図１を参照して、充電装置の構成を説明する。図１において、充電装置１００は、電源部２００とバッテリ部３００との間に配置される。充電装置１００には、電源部２００が接続される入力端子Ｔ１、Ｔ２、および制御端子Ｔ５と、バッテリ部３００が接続される出力端子Ｔ３、Ｔ４とが設けられている。充電装置１００とバッテリ部３００は、車両に搭載されている。電源部２００は、車両の外部に設けられている。

電源部２００は、交流電源１と、スイッチ２ａ，２ｂを備えている。交流電源１は、例えば、ＡＣ１００Ｖの商用電源である。スイッチ２ａ，２ｂは、交流電源１を入力端子Ｔ１、Ｔ２に接続するための充電ソケット（図１では図示省略）に内蔵されている。

図２に示すように、充電ソケット５０は、ＡＣプラグ５１、スイッチ回路５２、制御回路５３、接続検知センサ５４、電源端子５５，５６、および信号端子５７を備えている。ＡＣプラグ５１は、図１の交流電源１に接続される。電源端子５５，５６は、それぞれ、充電装置１００の入力端子Ｔ１、Ｔ２に接続される。信号端子５７は、充電装置１００の制御端子Ｔ５に接続される。スイッチ回路５２は、前述のスイッチ２ａ，２ｂから構成される。

交流電源１の電圧は、ＡＣプラグ５１とスイッチ回路５２を介して、電源端子５５，５６より、充電装置１００へ供給される。接続検知センサ５４は、充電ソケット５０が車両に対して機械的に接続されたことを検知する。制御回路５３は、充電装置１００から信号端子５７に入力される指令に基づいて、スイッチ回路５２の動作を制御する。また、制御回路５３は、接続検知センサ５４の出力に基づいて、充電ソケット５０の接続／切断の状態を、信号端子５７を介して充電装置１００へ通知する。

バッテリ部３００は、図１に示すように、バッテリ１４とコンタクタ１３ａ，１３ｂを備えている。バッテリ１４は、数百ボルトの高電圧バッテリであり、例えば、リチウムイオン電池や鉛蓄電池などの二次電池からなる。コンタクタ１３ａ，１３ｂは、バッテリ１４を充電装置１００に対して電気的に接続または切断する。

充電装置１００は、入力フィルタ３、整流回路４、ＰＦＣ回路（力率改善回路）５、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０、平滑回路９、電圧検出部１１、電圧検出部１５、および制御部１２を備えている。

入力フィルタ３は、入力端子Ｔ１，Ｔ２に入力される交流電圧からノイズを除去するためのフィルタである。整流回路４は、ブリッジ接続された４個のダイオード（図示省略）を有する全波整流回路からなり、入力フィルタ３を通過した交流電圧を全波整流する。整流回路４の出力端は、電源ライン１６ａ，１６ｂに接続されている。

ＰＦＣ回路５は、交流電源１から供給される電力の力率を改善する。ＰＦＣ回路５には、インダクタＬ１、ダイオードＤ１、コンデンサＣ１、スイッチング素子Ｑ１、およびリレーＲｙが備わっている。スイッチング素子Ｑ１は、例えばＦＥＴ（電界効果トランジスタ）からなる。スイッチング素子Ｑ１の高速スイッチング動作により、整流回路４の出力電流の波形が出力電圧の波形に近づくことで、力率が改善される。このとき、インダクタＬ１により入力電圧の昇圧が行われるとともに、ダイオードＤ１とコンデンサＣ１により、昇圧された電圧の整流・平滑が行われる。リレーＲｙは、突入電流を抑制するための保護リレーである。

ＤＣ−ＤＣコンバータ１０は、ＰＦＣ回路５の出力電圧を昇圧または降圧して、バッテリ１４を充電するための直流電圧を生成する。ＤＣ−ＤＣコンバータ１０は、インバータ回路６と、トランス７と、同期整流回路８とから構成される。

インバータ回路６は、トランス７の一次側に設けられており、４個のスイッチング素子Ｑ２〜Ｑ５を有するブリッジ回路から構成される。スイッチング素子Ｑ２、Ｑ３が直列に接続されたレグａ１と、スイッチング素子Ｑ４、Ｑ５が直列に接続されたレグａ２とは、電源ライン１６ａ，１６ｂ間に並列に接続されている。各スイッチング素子Ｑ２〜Ｑ５は、例えばＦＥＴからなる。インバータ回路６は、これらのスイッチング素子Ｑ２〜Ｑ５により、ＰＦＣ回路５から出力される直流電圧をスイッチングして交流電圧に変換し、トランス７の一次側へ出力する（ＤＣ−ＡＣ変換）。

同期整流回路８は、トランス７の二次側に設けられており、４個のスイッチング素子Ｑ６〜Ｑ９を有するブリッジ回路から構成される。スイッチング素子Ｑ６、Ｑ７が直列に接続されたレグａ３と、スイッチング素子Ｑ８、Ｑ９が直列に接続されたレグａ４とは、電源ライン１７ａ，１７ｂ間に並列に接続されている。各スイッチング素子Ｑ６〜Ｑ９は、例えばＦＥＴからなる。同期整流回路８は、これらのスイッチング素子Ｑ６〜Ｑ９のスイッチングにより、トランス７の二次側の交流電圧を整流して、直流電圧に変換する（ＡＣ−ＤＣ変換）。同期整流方式は、ダイオード整流方式に比べて、整流部の電力損失が小さく、変換効率が高いという利点がある。

平滑回路９は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０の出力端に設けられ、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０の出力電圧を平滑化する。平滑回路９には、電源ライン１７ａ上に設けられたインダクタＬ２と、電源ライン１７ａ，１７ｂ間に設けられた出力コンデンサＣ２とが備わっている。インダクタＬ２および出力コンデンサＣ２は、ローパスフィルタを構成する。平滑回路９の出力端には、分圧抵抗を構成する抵抗Ｒ１，Ｒ２と、ダイオードＤ２が設けられている。出力コンデンサＣ２の電圧は、ダイオードＤ２を介して出力端子Ｔ３，Ｔ４に出力され、バッテリ１４を充電する。

電圧検出部１１は、抵抗Ｒ１，Ｒ２の接続点の電圧を取り込み、出力コンデンサＣ２の電圧、すなわち充電装置１００の出力電圧を検出する。電圧検出部１１の出力は、制御部１２へ与えられる。

電圧検出部１５は、電源ライン１６ａ，１６ｂの間に設けられており、ＰＦＣ回路５の入力側の電圧を検出する。電圧検出部１５の出力は、制御部１２へ与えられる。

制御部１２は、ＣＰＵやＰＷＭ（Pulse Width Modulation；パルス幅変調）回路などから構成され、電源部２００、ＰＦＣ回路５、インバータ回路６、同期整流回路８、およびバッテリ部３００の各部を制御する。詳しくは、制御部１２は、電源部２００のスイッチ２ａ，２ｂのオン・オフ制御と、ＰＦＣ回路５のスイッチング素子Ｑ１のオン・オフ制御と、インバータ回路６のスイッチング素子Ｑ２〜Ｑ５のオン・オフ制御と、同期整流回路８のスイッチング素子Ｑ６〜Ｑ９のオン・オフ制御と、バッテリ部３００のコンタクタ１３ａ，１３ｂのオン・オフ制御とを行う。また、制御部１２は、電源部２００から、充電ソケット５０（図２）の接続／切断の状態を取得する。さらに、制御部１２は、ＥＣＵ（電子制御ユニット）を構成する上位装置２０との間で通信を行う。

以上の構成において、充電装置１００は、本発明における「電力供給装置」の一例であり、バッテリ１４は、本発明における「負荷」の一例である。

ところで、同期整流回路８のスイッチング動作は、制御部１２の制御の下で、インバータ回路６のスイッチング動作と同期して行われる。図３および図４は、これを説明する図である。

図３のように、インバータ回路６のスイッチング素子Ｑ２，Ｑ５がオンすると、トランス７の一次側に、太矢印で示すような経路で電流が流れる。このとき、同期整流回路８では、インバータ回路６のスイッチング素子Ｑ２，Ｑ５に対応するスイッチング素子Ｑ６，Ｑ９がオンとなり、トランス７の二次側に、太矢印で示すような経路で電流が流れる。

また、図４のように、インバータ回路６のスイッチング素子Ｑ３，Ｑ４がオンすると、トランス７の一次側に、太矢印で示すような経路で電流が流れる。このとき、同期整流回路８では、インバータ回路６のスイッチング素子Ｑ３，Ｑ４に対応するスイッチング素子Ｑ７，Ｑ８がオンとなり、トランス７の二次側に、太矢印で示すような経路で電流が流れる。

図５は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０の各部の動作を示したタイムチャートである。ここでは、スイッチング素子を位相シフト方式でＰＷＭ駆動する場合の、一般的な信号波形を示している。なお、図５では図示を省略しているが、各レグの上下のスイッチング素子（Ｑ２とＱ３など）が共にオン状態となることで発生する短絡を防止するため、上下のスイッチング素子がスイッチングするタイミングの間には、デッドタイムが設定されている。

次に、以上のような構成からなる充電装置１００の動作について、図６のフローチャートを参照しながら説明する。

図６のステップＳ１では、車両に充電ソケット５０が接続される。詳しくは、充電ソケット５０の電源端子５５，５６（図２）が、充電装置１００の入力端子Ｔ１、Ｔ２に接続され、充電ソケット５０の信号端子５７が、充電装置１００の制御端子Ｔ５に接続される。この状態では、充電ソケット５０のスイッチ２ａ，２ｂはオフである。充電ソケット５０の接続が、接続検知センサ５４により検知され、制御回路５３より充電装置１００の制御部１２に通知されると、ステップＳ２へ進む。

ステップＳ２では、制御部１２が、車内高電圧線路（充電装置１００とバッテリ部３００とを接続する線路）の接続を行う。詳しくは、制御部１２は、バッテリ部３００に対して制御信号を出力し、コンタクタ１３ａ，１３ｂをオンにする。これにより、バッテリ１４が、コンタクタ１３ａ，１３ｂを介して、充電装置１００の出力端子Ｔ３、Ｔ４に接続される。

ステップＳ３では、制御部１２が、電源部２００から充電装置１００への電源供給を開始させる。詳しくは、制御部１２は、電源部２００の充電ソケット５０に対して、給電許可信号を出力する。充電ソケット５０の制御回路５３は、この給電許可信号を受けてスイッチ回路５２を制御し、スイッチ２ａ，２ｂをオンさせる。これにより、交流電源１の交流電圧が、スイッチ２ａ，２ｂを介して入力端子Ｔ１、Ｔ２に印加される。

ステップＳ４では、制御部１２は、バッテリ１４への充電が許可されたか否かを判定する。この判定は、制御部１２が上位装置２０より充電許可信号（オン信号）を受信したか否かに基づいて行われる。制御部１２が充電許可信号を受信した場合は（ステップＳ４；ＹＥＳ）、充電が許可されたと判断してステップＳ５へ進む。

ステップＳ５では、制御部１２は、ＰＦＣ回路５の動作を開始する。詳しくは、制御部１２は、ＰＦＣ回路５のスイッチング素子Ｑ１のゲートに、ＰＷＭ信号を印加するとともに、ＰＦＣ回路５のリレーＲｙをオンさせる。これにより、ＰＦＣ回路５が動作し、スイッチング素子Ｑ１がＰＷＭ信号によりオン・オフして、前述したように力率の改善や昇圧が行われる。なお、ＰＦＣ回路５の起動は、前述したソフトスタート制御により行われる。

次に、ステップＳ６において、制御部１２は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０の動作を開始する。詳しくは、制御部１２は、インバータ回路６における所定のスイッチング素子（Ｑ２とＱ５、Ｑ３とＱ４）のゲートにＰＷＭ信号を印加するとともに、同期整流回路８における所定のスイッチング素子（Ｑ６とＱ９、Ｑ７とＱ８）のゲートにＰＷＭ信号を印加する。これにより、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０が動作し、図３および図４で説明したような同期整流が行われる。このＤＣ−ＤＣコンバータ１０の起動も、ソフトスタート制御により行われる。

以上のステップＳ１〜Ｓ６の実行により、充電装置１００は完全な動作状態となる。この状態では、図９の太矢印で示すような電流経路が形成される。ここでは、スイッチング素子Ｑ２、Ｑ５、Ｑ６、Ｑ９がオンしているので、インバータ回路６の電流経路と、同期整流回路８の電流経路とは、図３に示した経路となっている。スイッチング素子Ｑ３、Ｑ４、Ｑ７、Ｑ８がオンしているときは、インバータ回路６の電流経路と、同期整流回路８の電流経路とは、図４に示した経路となる。

ＤＣ−ＤＣコンバータ１０が動作することで、出力コンデンサＣ２が充電され、出力端子Ｔ３、Ｔ４間に現われる出力電圧により、バッテリ１４の充電が開始される。その後は、ステップＳ７に進む。

ステップＳ７では、制御部１２は、停電を検出したか否かを判定する。詳しくは、制御部１２は、電圧検出部１５が検出する電圧（ＰＦＣ回路５の入力電圧）を監視し、電圧検出部１５が所定値未満の電圧を検出したときは、停電が発生したと判断する。なお、ここでいう停電とは、長い時間にわたって持続する停電だけでなく、たとえば電圧波形の１周期分が欠落した場合のような、極めて短い時間の停電（瞬時停電）も含む。

図７は、停電を検出する具体的な方法の一例を示している。入力電圧の波形は、整流回路４で整流された全波整流波形となっている。破線は、入力電圧が欠落して瞬時停電が発生した部分を示している。電圧検出部１５は、ＰＦＣ回路５の入力電圧を一定周期（矢印のタイミング）で検出する。制御部１２は、電圧検出部１５で検出された電圧が所定回数連続して所定値未満である場合に、停電が発生したと判定する。また、制御部１２は、停電が発生したと判定した後、電圧検出部１５で検出された電圧が所定値以上である状態が所定回数連続した場合は、停電が解除されたと判定する。

図６に戻って、ステップＳ７で停電が検出されなかった場合は（ステップＳ７；ＮＯ）、ステップＳ８へ進む。

ステップＳ８では、バッテリ１４が充電されている間、制御部１２によって充電制御が行われる。この充電制御において、制御部１２は、電圧検出部１１により検出された出力電圧に基づいて、ＰＦＣ回路５やＤＣ−ＤＣコンバータ１０に対してフィードバック制御を行う。詳しくは、制御部１２は、出力電圧が目標値となるように、ＰＦＣ回路５やＤＣ−ＤＣコンバータ１０の各スイッチング素子に与えるＰＷＭ信号のデューティを制御する。また、制御部１２は、バッテリ１４の充電電流の決定や、充電モードの選択（例えば省電力モード）なども行う。

ステップＳ９では、制御部１２は、バッテリ１４の充電が終了したか否かを判定する。この判定は、制御部１２が上位装置２０より充電停止信号（オフ信号）を受信したか否かに基づいて行われる。制御部１２が充電停止信号を受信していない場合は（ステップＳ９；ＮＯ）、充電が終了していないと判断してステップＳ７へ戻る。一方、制御部１２が充電停止信号を受信した場合は（ステップＳ９；ＹＥＳ）、充電が終了したと判断してステップＳ１０へ進む。

ステップＳ１０では、制御部１２は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０の動作を停止させる。この場合、制御部１２は、前述したソフトストップ制御により、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０を停止状態にする。詳しくは、図８Ａ〜図８Ｄに示すように、インバータ回路６のスイッチング素子Ｑ４、Ｑ５を駆動するＰＷＭ信号の位相を徐々にシフトさせることにより、スイッチング素子Ｑ４、Ｑ５のオン・オフのタイミングを徐々にシフトさせる。この結果、トランス７の二次側出力が徐々に減少してゆき、最終的に出力がゼロとなる。そして、図８Ｄのように、インバータ回路６のスイッチング素子Ｑ２〜Ｑ５が全てオフすることで（このとき同期整流回路８のスイッチング素子Ｑ６〜Ｑ９も全てオフする）、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０が停止する。このため、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０からの出力はなくなるが、出力コンデンサＣ２に電荷が残留しているため、出力端子Ｔ３、Ｔ４間には電圧が現われている。

なお、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０のスイッチング素子Ｑ２〜Ｑ９をオフさせる場合、インバータ回路６のスイッチング素子Ｑ２〜Ｑ５を全てオフにした後、同期整流回路８のスイッチング素子Ｑ６〜Ｑ９を全てオフにしてもよいし、その逆でもよい。また、同期整流回路８のスイッチング素子Ｑ６〜Ｑ９は、そのまま同期整流動作を継続してもよいが、後で出力コンデンサＣ２を放電させることを考えると、全てオフにしておくのが好ましい。

続いて、ステップＳ１１において、制御部１２は、ＰＦＣ回路５の動作を停止させる。詳しくは、制御部１２は、ＰＦＣ回路５のスイッチング素子Ｑ１のゲートへのＰＷＭ信号の印加を停止するとともに、リレーＲｙをオフにする。これにより、スイッチング素子Ｑ１がオフとなって、ＰＦＣ回路５の動作が停止する。

次に、ステップＳ１２において、制御部１２は、電源部２００から充電装置１００への電源供給を停止させる。詳しくは、制御部１２は、電源部２００の充電ソケット５０に対して、給電禁止信号を出力する。充電ソケット５０の制御回路５３は、この給電禁止信号を受けてスイッチ回路５２を制御し、スイッチ２ａ，２ｂをオフさせる。これにより、充電装置１００は、交流電源１から電気的に切り離され、交流電源１の交流電圧が充電装置１００に供給されなくなる。

次に、ステップＳ１３において、制御部１２は、車内高電圧線路を切断する。詳しくは、制御部１２は、バッテリ部３００に対して制御信号を出力し、コンタクタ１３ａ，１３ｂをオフにする。これにより、充電装置１００は、バッテリ１４から電気的に切り離される。

また、ステップＳ１２の実行後、ステップＳ１８において、充電ソケット５０が車両から取り外される。これにより、充電装置１００は、交流電源１から機械的に切り離される。

ステップＳ１０〜Ｓ１３の実行により、充電装置１００は動作が完全に停止した状態となり、また、電源部２００およびバッテリ部３００から電気的に切り離された状態となる。これ以降、制御部１２は、後述するステップＳ１９〜Ｓ２１において放電制御を実行する。

一方、ステップＳ７で停電が検出された場合は（ステップＳ７；ＹＥＳ）、ステップＳ１４へ進む。

ステップＳ１４では、制御部１２は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０の動作を停止させる。この場合、制御部１２は、スイッチング素子Ｑ２〜Ｑ９の各ゲートへのＰＷＭ信号の印加を停止して、スイッチング素子Ｑ２〜Ｑ９を即時にオフさせることで、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０を直ちに停止状態にする。

次に、ステップＳ１５において、制御部１２は、ＰＦＣ回路５の動作を停止させる。詳しくは、制御部１２は、ＰＦＣ回路５のスイッチング素子Ｑ１のゲートへのＰＷＭ信号の印加を停止するとともに、リレーＲｙをオフにする。これにより、スイッチング素子Ｑ１がオフとなって、ＰＦＣ回路５の動作が停止する。

次に、ステップＳ１６において、制御部１２は、停電が解除されたか否かを図７で述べた方法に従って判定する。停電が解除された場合は（ステップＳ１６；ＹＥＳ）、ステップＳ５以下の処理を再開する。停電が解除されていなければ（ステップＳ１６；ＮＯ）、ステップＳ１７で、ステップＳ９と同様に、バッテリ１４の充電が終了したか否か（上位装置２０より充電停止信号を受信したか否か）を判定する。バッテリ１４の充電が終了してなければ（ステップＳ１７；ＮＯ）、ステップＳ１６へ戻り、バッテリ１４の充電が終了すると（ステップＳ１７；ＹＥＳ）、前述のステップＳ１２、Ｓ１３、Ｓ１８の処理を実行する。その後、ステップＳ１９〜Ｓ２１の放電制御へ移行する。

次に、放電制御について説明する。ステップＳ１９において、制御部１２は、出力コンデンサＣ２に残留している電荷の放電を開始する。詳しくは、制御部１２は、同期整流回路８のスイッチング素子のうち、Ｑ８とＱ９をＰＷＭ信号により駆動する。これにより、スイッチング素子Ｑ８、Ｑ９がオンの期間、図１０の太矢印で示すような放電経路が形成される。そして、出力コンデンサＣ２の残留電荷は、インダクタＬ２とスイッチング素子Ｑ８、Ｑ９を通って放電する。このとき、インダクタＬ２によって、放電経路を流れる放電電流が過大になるのが抑制される。

スイッチング素子Ｑ８、Ｑ９を駆動するＰＷＭ信号の周波数やデューティを変化させることにより、放電のスピードや放電電流を制御することができる。例えば、ＰＷＭ信号の周波数を高くした場合や、デューティを小さくした場合は、スイッチング素子Ｑ８、Ｑ９のオン期間が短くなる。このため、放電のスピードは遅くなるが、放電電流を抑制することができる。一方、ＰＷＭ信号の周波数を低くした場合や、デューティを大きくした場合は、スイッチング素子Ｑ８、Ｑ９のオン期間が長くなる。このため、放電電流が増加するが、放電のスピードを速めることができる。したがって、出力コンデンサＣ２の残留電荷量の多い放電開始直後は、前者の制御を行い、放電が進行するにつれて、段階的に後者の制御へ移行するのが好ましい。

出力コンデンサＣ２が放電を開始した後、ステップＳ２０において、制御部１２は、出力電圧（出力コンデンサＣ２の電圧）が閾値未満になったか否かを、電圧検出部１１の出力に基づいて監視する。出力電圧が閾値未満になっていなければ（ステップＳ２０；ＮＯ）、ステップＳ１９に戻って、スイッチング素子Ｑ８、Ｑ９の駆動を継続する。そして、出力電圧が閾値未満になると（ステップＳ２０；ＹＥＳ）、ステップＳ２１へ進む。

ステップＳ２１では、制御部１２は、出力コンデンサＣ２の放電を停止させる。詳しくは、制御部１２は、同期整流回路８のスイッチング素子Ｑ８、Ｑ９へのＰＷＭ信号の出力を停止する。これにより、スイッチング素子Ｑ８、Ｑ９はオフとなり、図１０の放電経路が形成されなくなるので、出力コンデンサＣ２は放電を停止する。

以上により、出力コンデンサＣ２の放電動作が完了する。このとき、出力コンデンサＣ２の電圧は、閾値未満の小さな値となっているため、感電の危険を回避することができる。

なお、ＰＦＣ回路５のコンデンサＣ１についても、インバータ回路６のスイッチング素子Ｑ２〜Ｑ５を、同期整流回路８のスイッチング素子Ｑ６〜Ｑ９と同様に制御することで、残留電荷を放電させることができる。

図１０においては、放電経路の形成にあたって、レグａ４のスイッチング素子Ｑ８、Ｑ９をオンにしたが、レグａ３のスイッチング素子Ｑ６、Ｑ７をオンにしてもよい。この場合は、図１１の太矢印で示すような放電経路が形成される。

また、より好ましくは、レグａ４のスイッチング素子Ｑ８、Ｑ９と、レグａ３のスイッチング素子Ｑ６、Ｑ７とを交互にオンさせる。すなわち、図１０の放電経路と、図１１の放電経路とが交互に形成されるようにする。このようにすると、スイッチング素子Ｑ６〜Ｑ９に均等に放電電流を流すことができるため、特定のスイッチング素子だけが早く劣化するのを防止できる。

なお、放電経路の形成にあたって、ＰＷＭ信号のデューティを１００％にして、スイッチング素子Ｑ６、Ｑ７またはＱ８、Ｑ９をオン状態に固定することも考えられる。但し、この場合は、放電経路に過大な電流が流れることに留意する必要がある。大電流を抑制する手段として、トランス７の一次側に設けたリレーＲｙと同様のリレーを、トランス７の二次側にも設けることなどが考えられる。

また、放電経路の形成にあたって、通常の同期整流と同じパターン（図３、図４）で、スイッチング素子Ｑ６、Ｑ９またはＱ７、Ｑ８を駆動することも考えられる。但し、この場合は、トランス７の一次側にエネルギーが伝送される結果、コンデンサＣ１の放電を妨げる可能性があることに留意する必要がある。

以上のように、上記実施形態においては、電圧検出部１５が所定値未満の電圧を検出しない正常状態で充電が終了した場合、制御部１２は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０の出力電圧が徐々に減少するように、スイッチング素子Ｑ２〜Ｑ９のオン・オフを制御して、ソフトストップ制御によりＤＣ−ＤＣコンバータ１０の動作を停止させる（図６のステップＳ１０）。また、電圧検出部１５が所定値未満の電圧を検出したときは、制御部１２は、停電が発生したと判断して、スイッチング素子Ｑ２〜Ｑ９を即時にオフさせて、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０の動作を直ちに停止させる（図６のステップＳ１４）。

もし、停電が発生していない状態で、充電終了時にＤＣ−ＤＣコンバータ１０を直ちに停止させると、先にも述べたように、ＰＦＣ回路５のコンデンサＣ１に過電圧が印加され、コンデンサＣ１が破壊されることがある。しかるに、上記実施形態によれば、ソフトストップ制御によりＤＣ−ＤＣコンバータ１０を徐々に停止させるので、ＰＦＣ回路５のコンデンサＣ１に過電圧が印加されることはない。これによって、コンデンサＣ１の破壊を防止することができる。

一方、停電が発生した場合は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０を直ちに停止させないと、コンデンサＣ１の電荷がスイッチング素子Ｑ２〜Ｑ５を介して放電する。すると、コンデンサＣ１の電圧が低下するので、先にも述べたように、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０の出力電圧を上げるようにフィードバック制御が働き、ＰＷＭ信号のデューティが増大する。この状態で停電が解除されると、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０から過大な電圧が出力されて、バッテリ１４が損傷するおそれがある。また、コンデンサＣ１に大きな突入電流が流れて、ＰＦＣ回路５の素子が破壊されることもある。さらには、停電解除時に、放電したコンデンサＣ１を最初から充電しなければならず、バッテリ１４への充電をすみやかに再開することができない。

しかるに、上記実施形態によれば、停電が発生した際に、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０を直ちに停止させるので、停電解除時に、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０から過大な電圧が出力されることはなく、バッテリ１４の損傷を防止することができる。また、スイッチング素子Ｑ２〜Ｑ５が即時にオフとなることで、コンデンサＣ１の放電が阻止される。このため、停電解除時に、コンデンサＣ１に大きな突入電流が流れることはなく、ＰＦＣ回路５の素子の破壊を防止できるとともに、バッテリ１４への充電をすみやかに再開することができる。

さらに、上記実施形態では、バッテリ１４の充電が終了した後、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０の停止（図６のステップＳ１０）と、ＰＦＣ回路５の停止（ステップＳ１１）と、交流電源１からの電源供給の停止（ステップＳ１２）と、バッテリ１４と充電装置１００との切断（ステップＳ１３）とが、この順序で実行され、しかる後に、出力コンデンサＣ２が放電を開始する（ステップＳ１９）。この一連のシーケンスが遵守されないと、以下のような不具合が発生する。

例えば、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０の停止後、直ちに出力コンデンサＣ２を放電させると（ステップＳ１０の後にステップＳ１９を実行）、バッテリ１４の充電が一時的に停止されただけの場合に、コンデンサＣ２の満充電までに時間がかかり、速やかに復帰させることができなくなる。

また、例えば、充電装置１００にバッテリ１４が電気的に接続された状態（コンタクタ１３ａ，１３ｂがオンの状態）で、コンデンサＣ２の放電を行うと（ステップＳ１３の前にステップＳ１９を実行）、ダイオードＤ２の逆耐圧に十分な余裕がない場合は、バッテリ１４が短絡されて危険である。

また、例えば、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０の停止よりも先に、ＰＦＣ回路５を停止させると（ステップＳ１０の前にステップＳ１１を実行）、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０の出力電圧が低下して、前述したフィードバック制御が働く結果、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０の出力電圧が過大となる。

しかるに、上記実施形態では、バッテリ１４の充電終了から出力コンデンサＣ２の放電開始に至る一連のシーケンスが適正に設定され、これに沿って制御が行われる。このため、充電装置１００の動作に上述したような不具合が発生するおそれがなく、出力コンデンサＣ２の電荷を、確実かつ安全に放電させることができる。

なお、図６において、ステップＳ１０、Ｓ１１、Ｓ１３の順序は遵守する必要があるが、ステップＳ１２は、必ずしもステップＳ１１とステップＳ１３の間にある必要はない。例えば、ステップＳ１２を、ステップＳ１３とステップＳ１９の間に実行してもよい。その場合、ステップＳ１８は、ステップＳ１２の後に実行すればよい。

また、図６では、前述したように、バッテリ１４が短絡する危険性を回避するため、ステップＳ１９の前にステップＳ１３を実行したが、ダイオードＤ２の逆耐圧に十分な余裕がある場合は、バッテリ短絡のおそれがないので、ステップＳ１３をステップＳ１９の後で実行しても差し支えない。このようにすることで、放電開始の時期を早めることができる。一方、図６のように、ステップＳ１３をステップＳ１９の前に実行する場合は、ダイオードＤ２に逆耐圧の高い素子を用いる必要がないので、ダイオードが安価で小型になるという利点がある。

本発明では、以上述べた以外にも、以下のような種々の実施形態を採用することができる。

図８Ａ〜図８Ｄでは、ソフトストップ制御を行う場合に、スイッチング素子Ｑ４、Ｑ５を駆動するＰＷＭ信号の位相を徐々にシフトさせたが、スイッチング素子Ｑ２、Ｑ３を駆動するＰＷＭ信号の位相を徐々にシフトさせてもよい。また、ＰＷＭ信号の位相をシフトさせずに、ＰＷＭ信号のデューティを徐々に小さくしていってもよい。

図１では、インバータ回路６と、トランス７と、同期整流回路８とから構成されるＤＣ−ＤＣコンバータ１０を例に挙げたが、これは一例であり、他の回路構成を備えたＤＣ−ＤＣコンバータを用いてもよい。例えば、同期整流回路８をダイオード整流回路に置き換えたＤＣ−ＤＣコンバータを用いてもよい。また、図１のような複数のスイッチング素子を有するブリッジ型のＤＣ−ＤＣコンバータ１０に代えて、フォワードコンバータやフライバックコンバータのような、単数（１個）のスイッチング素子を有するＤＣ−ＤＣコンバータを用いてもよい。同様に、ＰＦＣ回路５も図１のものに限らず、他の回路構成を備えたＰＦＣ回路を用いてもよい。また、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ９は、ＦＥＴに限らず、トランジスタやＩＧＢＴなどであってもよい。

前記の実施形態では、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０における各スイッチング素子Ｑ２〜Ｑ９のスイッチングのタイミングを、図５のように設定したが、これは一例であって、図５以外のタイミングに設定してもよい。

前記の実施形態では、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ９をＰＷＭ信号により駆動したが、ＰＷＭ信号以外の信号によりスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ９を駆動してもよい。

図６のステップＳ９、Ｓ１７では、上位装置２０より充電停止信号を受信したか否かに基づいて、バッテリ１４の充電が終了したか否かを判定したが、この判定を、電圧検出部１１で検出された出力電圧に基づいて行ってもよい。

図１では、電圧検出部１５を整流回路４とＰＦＣ回路５との間に設けたが、電圧検出部１５を入力端子Ｔ１、Ｔ２と整流回路４との間に設けてもよい。なお、電圧検出部１５を抵抗分圧回路で構成した場合は、電圧検出部１５の出力はアナログ電圧となるが、電圧検出部１５にＡ／Ｄ変換器を内蔵して、デジタル電圧が出力されるようにしてもよい。また、電圧検出部１５において、検出電圧を停電閾値と比較して停電の有無を判別し、その結果が２値データとして出力されるようにしてもよい。

図１では、コンタクタ１３ａ，１３ｂをバッテリ部３００に設けたが、コンタクタ１３ａ，１３ｂを充電装置１００側に設けてもよい。

図２では、充電ソケット５０に１個の信号端子５７が設けられ、図１では、充電装置１００に１個の制御端子Ｔ５が設けられているが、これらの端子は、必要に応じて複数設けてもよい。

図６では、出力コンデンサＣ２の電荷を放電させる場合に、出力コンデンサＣ２の電圧が閾値未満になると、放電を停止させたが（ステップＳ２０、Ｓ２１）、電圧がゼロになるまで、出力コンデンサＣ２を完全に放電させてもよい。

前記の実施形態では、車両用バッテリの充電に用いられる充電装置を例に挙げたが、本発明は、車両用バッテリ以外のバッテリを充電する装置にも適用することができる。また、本発明は、充電装置に限らず、負荷に電力を供給する装置全般に適用することができる。

１ 交流電源
５ ＰＦＣ回路（力率改善回路）
１０ ＤＣ−ＤＣコンバータ
１２ 制御部
１４ バッテリ（負荷）
１５ 電圧検出部
１００ 充電装置（電力供給装置）
Ｃ１ コンデンサ
Ｑ２〜Ｑ９ スイッチング素子
Ｔ１，Ｔ２ 入力端子
Ｔ３，Ｔ４ 出力端子

Claims (7)

1. 交流電源が接続される入力端子と、
   負荷が接続される出力端子と、
   コンデンサを含み、前記交流電源から前記入力端子を介して供給される電力の力率を改善する力率改善回路と、
   スイッチング素子を含み、当該スイッチング素子のオン・オフに基づいて前記力率改善回路の出力電圧を昇圧または降圧するＤＣ−ＤＣコンバータと、
   前記力率改善回路および前記ＤＣ−ＤＣコンバータを制御する制御部と、を備えた電力供給装置において、
   前記力率改善回路の入力側の電圧を検出する電圧検出部をさらに備え、
   前記制御部は、
   前記電圧検出部が所定値未満の電圧を検出しない正常状態で、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの動作を停止させるときは、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧が徐々に減少するように、前記スイッチング素子のオン・オフを制御し、
   前記電圧検出部が所定値未満の電圧を検出したときは、前記スイッチング素子を即時にオフさせて、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの動作を停止させることを特徴とする電力供給装置。
2. 請求項１に記載の電力供給装置において、
   前記ＤＣ−ＤＣコンバータは、ＰＷＭ信号により駆動される単数または複数のスイッチング素子を有し、
   前記制御部は、前記電圧検出部が所定値未満の電圧を検出しない正常状態で、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの動作を停止させるときは、前記スイッチング素子に与えられるＰＷＭ信号のデューティまたは位相を徐々に変化させることにより、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧を徐々に減少させてゆくことを特徴とする電力供給装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の電力供給装置において、
   前記制御部は、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの動作を停止させた後に、前記力率改善回路の動作を停止させることを特徴とする電力供給装置。
4. 請求項３に記載の電力供給装置において、
   前記制御部は、前記力率改善回路の動作を停止させた後に、前記交流電源からの電源供給を停止させることを特徴とする電力供給装置。
5. 請求項４に記載の電力供給装置において、
   前記制御部は、前記交流電源からの電源供給を停止させた後に、前記負荷を電気的に切断することを特徴とする電力供給装置。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の電力供給装置において、
   前記電圧検出部は、前記力率改善回路の入力側の電圧を一定周期で検出し、
   前記制御部は、前記電圧検出部で検出された電圧が、所定回数連続して所定値未満である場合に、停電が発生したと判定することを特徴とする電力供給装置。
7. 請求項６に記載の電力供給装置において、
   前記制御部は、前記停電が発生したと判定した後、前記電圧検出部で検出された電圧が所定値以上である状態が所定回数連続した場合は、停電が解除されたと判定することを特徴とする電力供給装置。

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