JP7303250B2

JP7303250B2 - スイッチング電源装置

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Publication number: JP7303250B2
Application number: JP2021115241A
Authority: JP
Inventors: 秀彰益井
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 2021-07-12
Filing date: 2021-07-12
Publication date: 2023-07-04
Anticipated expiration: 2041-07-12
Also published as: US12143016B2; JP2023011406A; CN115622399A; EP4120536A1; US20230008468A1

Description

本発明は、スイッチング電源装置に関する。

自動車バッテリの小型化、耐久回数改善、寿命、瞬間的な負荷電流供給の要求により、大容量の電気二重層キャパシタ（ＥＤＬＣ：electric double-layer capacitor）を自動車に搭載することが提案されている（特許文献１）。上記ＥＤＬＣは、バックアップ電源に用いられたり、通常のバッテリと同様に、電動モータ、セルモータの駆動源、回生エネルギの回収に用いられたりする。

上記ＥＤＬＣは、一つだけでは自動車の求める大容量に対応できないため複数のＥＤＬＣを並列又は直列に接続し、大容量を達成している。

また、経時劣化を考慮すると並列又は直列接続するＥＤＬＣの数を多くする必要があり、コストアップ、サイズアップを招いてしまう。そこで、ＥＤＬＣの数を削減するために、ＥＤＬＣの出力段にＤＣ／ＤＣコンバータを設けて、ＥＤＬＣが劣化しても所望の電圧が得られるようにすることが考えられている。

しかしながら、ＤＣ／ＤＣコンバータは、ＥＤＬＣからの電源供給時にすぐに所望の電圧に変換できず、出力に遅延が発生してしまう、という問題があった。

特開２０２１－２３０９３号公報

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、出力の遅延を低減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。

前述した目的を達成するために、本発明に係るスイッチング電源装置は、下記［１］を特徴としている。
［１］
第１スイッチを有し、前記第１スイッチをオンオフすることにより入力電圧を変換するＤＣ／ＤＣコンバータと、
前記ＤＣ／ＤＣコンバータに対して前記入力電圧の供給が開始されたとき、１００％から徐々にデューティが下がる第１パルス信号を前記第１スイッチに出力した後、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧又は出力電流が基準値となるように制御されたデューティの第２パルス信号を前記第１スイッチに出力する制御部と、を備えた
スイッチング電源装置であること。

本発明によれば、出力の遅延を低減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。

以上、本発明について簡潔に説明した。更に、以下に説明される発明を実施するための形態（以下、「実施形態」という。）を添付の図面を参照して通読することにより、本発明の詳細は更に明確化されるであろう。

図１は、本発明のスイッチング電源装置を組み込んだ電源システムの一実施形態を示すブロック図である。図２は、図１に示すＥＤＬＣの電圧、スイッチのオンオフ、ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧、ＦＥＴのゲートに入力されるＰＷＭ信号のタイムチャートを示す。図３は、比較例におけるＥＤＬＣの電圧、スイッチのオンオフ、ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧のタイムチャートを示す。

本発明に関する具体的な実施形態について、各図を参照しながら以下に説明する。

本発明のスイッチング電源装置を組み込んだ電源システム１は、自動車に搭載される。電源システム１は、図１に示すように、電気二重層キャパシタ（ＥＤＬＣ：electric double-layer capacitor）２と、ＥＤＬＣ２から供給される電源電圧である入力電圧を昇圧（変換）するスイッチング電源装置３と、スイッチング電源装置３からの電源が供給される負荷４と、を備えている。

ＥＤＬＣ２は、複数直列接続されて大容量を得ている。ＥＤＬＣ２は、例えば、車載バッテリのバックアップ電源としての用途や、アイドリングストップシステムのエンジン始動時のエネルギ供給やブレーキ制動時のエネルギ回生、動力のアシストなどの用途で車両に搭載されている。

スイッチング電源装置３は、ＤＣ（Direct current）／ＤＣコンバータ５と、ＤＣ／ＤＣコンバータ５を制御する制御部６と、スイッチ７と、を有している。ＤＣ／ＤＣコンバータ５は、図示しないチョークコイルと、チョークコイルに対するＥＤＬＣ２からの電源供給をオンオフする第１スイッチとしての電界効果トランジスタ（ＦＥＴ：Field effect transistor）５１と、から構成された周知のＤＣ／ＤＣコンバータである。上記ＦＥＴ５１のオンオフデューティを制御することにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ５からの出力電圧を調整することができる。

本実施形態では、制御部６は、第１パルス信号発生部としてのマイクロコンピュータ（以下、μＣＯＭ）６１と、第２パルス信号発生部としてのＰＷＭ(Pulse Width Modulation)制御部６２と、切替部としての切替スイッチ６３と、を有している。μＣＯＭ６１は、メモリに格納されたプログラムに従って動作するＣＰＵ（Central Processing Unit）を有し、スイッチング電源装置３全体を制御する。μＣＯＭ６１は、１００％から徐々にデューティが下がる第１パルス信号としての第１ＰＷＭ信号Ｐ１を出力することができる。

ＰＷＭ制御部６２は、センス抵抗により検出したＤＣ／ＤＣコンバータ５から負荷４への出力電流と基準値との差分を出力する差動増幅器（図示せず）と、差動増幅器の出力と三角波とを比較して、第２パルス信号としての第２ＰＷＭ信号Ｐ２を出力するコンパレータ（図示せず）と、を有する周知のＰＷＭ制御部である。このＰＷＭ制御部６２は、出力電流が基準値となるようにデューティが制御された第２ＰＷＭ信号Ｐ２を出力する。

切替スイッチ６３は、ＦＥＴ５１のゲートと、ＰＷＭ制御部６２の第２ＰＷＭ信号Ｐ２の出力端、μＣＯＭ６１の第１ＰＷＭ信号Ｐ１の出力端と、の間に設けられ、ＦＥＴ５１のゲートの接続先を、μＣＯＭ６１及びＰＷＭ制御部６２の間で切り替える。この切替スイッチ６３は、μＣＯＭ６１により制御される。

スイッチ７は、ＥＤＬＣ２と、ＤＣ／ＤＣコンバータ５と、の間に設けられている。スイッチ７をオンすると、ＥＤＬＣ２からＤＣ／ＤＣコンバータ５に電源が供給される。スイッチ７をオフすると、ＥＤＬＣ２からのＤＣ／ＤＣコンバータ５に供給される電源が遮断される。このスイッチ７は、μＣＯＭ６１により制御される。

次に、上述した構成の電源システム１の動作について図２に示すタイムチャートを参照して以下説明する。図２は、図１に示すＥＤＬＣ２の電圧、スイッチ７のオンオフ、ＤＣ／ＤＣコンバータ５の出力電圧、ＦＥＴ５１のゲートに入力されるＰＷＭ信号のタイムチャートを示す。まず、μＣＯＭ６１は、スイッチ７をオンして、ＥＤＬＣ２からＤＣ／ＤＣコンバータ５に対して入力電圧の供給を開始する。このとき、μＣＯＭ６１は、スイッチ７がオフからオンになるタイミングで切替スイッチ６３をμＣＯＭ６１に切り替える。

また、μＣＯＭ６１は、スイッチ７がオフからオンとなるタイミングで、１００％のデューティの第１ＰＷＭ信号Ｐ１を出力し、その後、第１ＰＷＭ信号Ｐ１のデューティを徐々に下げる。この結果、ＤＣ／ＤＣコンバータ５の出力電圧は、スイッチ７のオンから遅延することなく、定常値よりも高い電圧に立ち上がり、デューティが下がるに従って徐々に低くなる。

その後、μＣＯＭ６１は、スイッチ７がオンしてから所定時間経過すると、切替スイッチ６３をＰＷＭ制御部６２に切り替える。これにより、ＦＥＴ５１にはμＣＯＭ６１から出力される第２ＰＷＭ信号Ｐ２が出力される。この結果、ＤＣ／ＤＣコンバータ５の出力電圧は、出力電流が基準値となるような定常値となる。

次に、本実施形態の効果について図３のタイムチャートを参照して説明する。図３は、ＰＷＭ制御部６２から出力される第２ＰＷＭ信号Ｐ２のみをＦＥＴ５１に供給した比較例におけるＥＤＬＣ２の電圧、スイッチ７のオンオフ、ＤＣ／ＤＣコンバータ５の出力電圧を示すタイムチャートである。上述したようにＰＷＭ制御部６２は、出力電流に基づいてデューティを制御する所謂フィードバック制御を行っている。このため、スイッチ７がオンしても、すぐに出力電流が基準値となるようなデューティを出力することができず、図３に示すように、スイッチ７のオンに遅れて出力電圧が定常値となる。

一方、本実施形態によれば、上述したようにＥＤＬＣ２からＤＣ／ＤＣコンバータ５への電源供給が開始されたとき、１００％から徐々にデューティを下げた第１ＰＷＭ信号Ｐ１を出力されるので、出力の遅延を低減することができる。

また、ＦＥＴ５１に供給する第１ＰＷＭ信号Ｐ１のデューティを１００％から徐々に下げるため、ＥＤＬＣ２の放電を抑えることができる。出力電流を検出するためのシャント抵抗のパルス限界曲線に基づいてデューティ１００％を出力する時間を定めることにより、シャント抵抗を大きくする必要がない。

また、上述した実施形態によれば、ＥＤＬＣ２とＤＣ／ＤＣコンバータ５との間にスイッチ７が設けられている。これにより、スイッチ７がオフからオンになったときに、切替スイッチ６３をμＣＯＭ６１に切り替えて、μＣＯＭ６１からＦＥＴ５１に対して第１ＰＷＭ信号Ｐ１を供給することができる。

また、上述した実施形態によれば、制御部６は、ＥＤＬＣ２からＤＣ／ＤＣコンバータ５への入力電圧の供給が開始されたとき、ＦＥＴ５１のゲートの接続先をμＣＯＭ６１に切り替え、所定時間経過後、ＰＷＭ制御部６２に切り替える。これにより、簡単な構成で電源供給開始時に１００％から徐々にデューティが下がる第１ＰＷＭ信号Ｐ１を出力し、その後、出力電流が基準値となるようにデューティが制御された第２ＰＷＭ信号Ｐ２を出力することができる。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。その他、上述した実施形態における各構成要素の材質、形状、寸法、数、配置箇所、等は本発明を達成できるものであれば任意であり、限定されない。

上述した実施形態によれば、ＤＣ／ＤＣコンバータ５とＥＤＬＣ２との間にスイッチ７を設けていたが、これに限ったものではない。スイッチ７を設けるのは必須ではなく、ＦＥＴ５１をスイッチ７の代わりに用いてもよい。この場合、スイッチＦＥＴ５１の長期オフからオンに切り替わったタイミングが、ＥＤＬＣ２からＤＣ／ＤＣコンバータ５への電源供給開始タイミングとなる。

上述した実施形態によれば、制御部６は、ＰＷＭ制御部６２とμＣＯＭ６１とを設けて切替スイッチ６３で切り替えていたが、これに限ったものではない。μＣＯＭ６１をＰＷＭ制御部６２として機能させ、ＰＷＭ制御部６２については設けなくてもよい。

上述した実施形態によれば、ＰＷＭ制御部６２は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５の出力電流が基準値となるようなデューティを出力していたが、これに限ったものではない。ＰＷＭ制御部６２としては、ＤＣ／ＤＣコンバータ５の出力電圧が基準値となるようなデューティを出力するようにしてもよい。

上述した実施形態によれば、ＤＣ／ＤＣコンバータ５にはＥＤＬＣ２からの電源電圧を入力電圧として供給していたが、これに限ったものではない。例えば、バッテリからの電源電圧をＤＣ／ＤＣコンバータ５の入力電圧として供給するようにしてもよい。

ここで、上述した本発明に係るスイッチング電源装置の実施形態の特徴をそれぞれ以下［１］～［４］に簡潔に纏めて列記する。
［１］
第１スイッチ（５１）を有し、前記第１スイッチ（５１）をオンオフすることにより入力電圧を変換するＤＣ／ＤＣコンバータ（５）と、
前記ＤＣ／ＤＣコンバータ（５）に対して前記入力電圧の供給が開始されたとき、１００％から徐々にデューティが下がる第１パルス信号（Ｐ１）を前記第１スイッチ（５１）に出力した後、前記ＤＣ／ＤＣコンバータ（５）の出力電圧又は出力電流が基準値となるように制御されたデューティの第２パルス信号（Ｐ２）を前記第１スイッチ（５１）に出力する制御部（６）と、を備えた
スイッチング電源装置（３）。

上記［１］の構成によれば、制御部（６）は、ＤＣ／ＤＣコンバータ（５）に対して入力電圧の供給が開始されたとき、１００％から徐々にデューティが下がる第１パルス信号（Ｐ１）を第１スイッチ（５１）に出力した後、ＤＣ／ＤＣコンバータ（５）の出力電圧又は出力電流が基準値となるように制御されたデューティの第２パルス信号（Ｐ２）を第１スイッチ（５１）に出力する。この結果、ＤＣ／ＤＣコンバータ（５）の出力電圧は、出力の遅延を低減することができる。

［２］
［１］に記載のスイッチング電源装置（３）において、
前記入力電圧は、電気二重層キャパシタ（２）の電源電圧である、
スイッチング電源装置（３）。

上記［２］の構成によれば、電気二重層キャパシタ（２）からＤＣ／ＤＣコンバータ（５）への電源電圧の入力時に、出力の遅延を低減することができる。

［３］
［１］又は［２］に記載のスイッチング電源装置（３）において、
前記入力電圧の供給をオンオフする第２スイッチ（７）をさらに備え、
前記制御部（６）は、前記第２スイッチ（７）がオフからオンになったとき、前記第１パルス信号（Ｐ１）を出力する
スイッチング電源装置（３）。

上記［３］の構成によれば、容易に入力電圧の供給時に第１パルス信号（Ｐ１）を出力することができる。

［４］
［１］～［３］の何れか１項に記載のスイッチング電源装置（３）において、
前記制御部（６）は、
前記第１パルス信号（Ｐ１）を発生する第１パルス信号発生部（６１）と、
前記第２パルス信号（Ｐ２）を発生する第２パルス信号発生部（６２）と、
前記第１スイッチ（５１）の接続先を、前記第１パルス信号発生部（６１）及び前記第２パルス信号発生部（６２）の間で切り替える切替部（６３）と、を有し、
前記入力電圧の供給が開始されたとき、前記第１パルス信号発生部（６１）に切り替え、所定時間経過後に、前記第２パルス信号発生部（６２）に切り替える、
スイッチング電源装置（３）。

上記［４］の構成によれば、簡素な構成で第１パルス信号（Ｐ１）から第２パルス信号（Ｐ２）に切り替えることができる。

２ＥＤＬＣ（電気二重層キャパシタ）
３スイッチング電源装置
５ＤＣ／ＤＣコンバータ
６制御部
７スイッチ（第２スイッチ）
５１ＦＥＴ（第１スイッチ）
６１ μＣＯＭ（第１パルス信号発生部）
６２ＰＷＭ制御部（第２パルス信号発生部）
６３切替スイッチ（切替部）
Ｐ１第１ＰＷＭ信号（第１パルス信号）
Ｐ２第２ＰＷＭ信号（第２パルス信号）

Claims

第１スイッチを有し、前記第１スイッチをオンオフすることにより入力電圧を変換するＤＣ／ＤＣコンバータと、
前記ＤＣ／ＤＣコンバータに対して前記入力電圧の供給が開始されたとき、１００％から徐々にデューティが下がる第１パルス信号を前記第１スイッチに出力した後、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧又は出力電流が基準値となるように制御されたデューティの第２パルス信号を前記第１スイッチに出力する制御部と、を備えた
スイッチング電源装置。
請求項１に記載のスイッチング電源装置において、
前記入力電圧は、電気二重層キャパシタの電源電圧である、
スイッチング電源装置。
請求項１又は２に記載のスイッチング電源装置において、
前記入力電圧の供給をオンオフする第２スイッチをさらに備え、
前記制御部は、前記第２スイッチがオフからオンになったとき、前記第１パルス信号を出力する
スイッチング電源装置。
請求項１～３の何れか１項に記載のスイッチング電源装置において、
前記制御部は、
前記第１パルス信号を発生する第１パルス信号発生部と、
前記第２パルス信号を発生する第２パルス信号発生部と、
前記第１スイッチの接続先を、前記第１パルス信号発生部及び前記第２パルス信号発生部の間で切り替える切替部と、を有し、
前記入力電圧の供給が開始されたとき、前記第１パルス信号発生部に切り替え、所定時間経過後に、前記第２パルス信号発生部に切り替える、
スイッチング電源装置。