JP2005287275A - 電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 変動幅が大きい入力電圧に対して安定に動作して所望の電圧を出力できる制御電源を構成する。
【解決手段】 発電機１の出力交流を整流する整流回路２と、整流回路２から出力された直流を降圧する非絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ３とを有する。非絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ３の後段に自励発振型コンバータ（ＲＣＣ）４が配される。コンバータ３で降圧された入力電圧がＲＣＣ４の一次側に入力され、ＲＣＣ４は大きく変動する入力電圧に対して安定して動作し、二次側からＥＣＵ５等に電源を供給する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、電源装置に関し、特に、発電機で得た電力から安定した電圧を取り出すことができる電源装置に関する。

各種作業機を駆動する汎用エンジン等の制御装置用電源として、エンジン駆動される発電機の出力を利用したものが知られる。この種の電源装置では、エンジン回転数が低くて発電機からの入力電圧が低いときであっても、十分な電力を確保できることが要求される。しかし、低回転数で十分な電力を確保できるように設定すると、回転数が高くて発電機からの入力電圧が高いときには電力損失が大きくなるという問題がある。

この問題に対して、例えば、特開２００２−５１５９１号公報に記載されているように、発電機の出力を変圧器を介して制御装置の電源として供給するシステムが提案されている。このシステムによれば、変圧器で電圧が上昇するのを抑えて必要な電力を得ることができる。
特開２００２−５１５９１号公報

エンジン発電機では、エンジンの回転数変動が大きいことがあり、上記公報に記載されたシステムのようにした場合、変圧器の入力電圧が数Ｖボルト（Ｖ）から５００Ｖの範囲で変動することが予想される。したがって、高電圧を予定して変圧器を絶縁耐圧が大きいものにしたり、変圧器の出力側に設けられるダウンコンバータ等のスイッチング回路を高耐圧のものにしたりする必要がある。また、発電機出力は変圧器を介してダウンコンバータへ供給されるので、回転数が低い低電圧時には安定した電源確保が困難である。

本発明の目的は、発電機出力の変動幅が大きい場合にも安定した出力電圧を確保することができる電源装置を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明は、交流発電機の出力を整流する整流回路と、該整流回路から出力された直流の降圧手段とを有する電源装置において、前記降圧手段が非絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータであり、前記非絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータの出力側に一次側が接続され、二次側を電源出力側とした自励発振型コンバータをさらに備えた点に第１の特徴がある。

また、本発明は、前記非絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータをデューティ制御するためのスイッチ手段と、前記交流発電機の交流出力電圧が予定値を超えるまでは前記スイッチ手段のオン状態を継続し、前記交流出力電圧が予定値を超えた時点で前記スイッチ手段のデューティ制御を開始するスイッチ手段駆動回路を備えた点に第２の特徴がある。

また、本発明は、前記自励発振型コンバータは、前記交流出力電圧が前記ＤＣ−ＤＣコンバータでデューティ制御を開始する前記予定値に至るまでに動作を開始するように構成されている点に第３の特徴がある。

第１の特徴によれば、発電機出力は、まず非絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ回路で降圧され、この降圧された出力をさらに入力値として自励発振型コンバータで安定化した出力を形成するので、発電機出力の変動幅が大きい場合であっても安定した出力動作が可能な電源装置を提供することができる。

また、自励発振型コンバータの前段に変圧器のない非絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータを設けているので、変圧器を有する場合のように電圧の立ち上がり遅れや変圧器での損失がない。したがって、低回転時の発電出力を効率よく取り入れることができる。

さらに、自励発振型コンバータは降圧された入力で動作するので、自励発振型コンバータの変圧器の耐圧を高く設定する必要がなく、電源装置全体の低コスト化を実現することができる。

第２の特徴によれば、低回転時には、非絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータはオン状態に維持されるので発電機出力を全て電力源として活用することが可能である。一方、発電機出力が予定値以上に上昇した時点でデューティ制御を開始して自励発振型コンバータの入力電圧が抑制される。したがって、低回転時は無駄なく発電電力を効率的に利用しつつ、回転上昇後も抑制された入力電圧に基づいて安定した出力を得ることができる。

第３の特徴によれば、非絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータの出力で動作する自励発振型コンバータでありながら、この自励発振型コンバータは非絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータが、設定された最大電圧を出力するよりも以前に、つまり低い回転数域から素速く立ち上がって安定した電源を形成することができる。

以下に図面を参照して本発明の一実施形態を詳細に説明する。図１は本発明の一実施形態に係る電源装置を含むエンジン発電装置の構成を示すブロック図である。エンジン発電装置としては、例えば、バッテリを備えていないか、バッテリを備えていてもバッテリが過放電であった場合等に手動で始動できるリコイルスタータを有するものが好適である。このエンジン発電機は、発電機１、整流回路２、ＤＣ−ＤＣダウンコンバータ回路３、自励発振型コンバータ（ＲＣＣ）４、およびＥＣＵ５を有する。発電機１はエンジンで駆動されて、例えば定格運転状態において交流３２０Ｖの３相交流を出力する。この３相交流は整流回路２で整流されて、例えば直流４５０Ｖの電圧になって降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ回路（以下、単に「ダウンコンバータ」という）３に入力される。ダウンコンバータ３は、入力された交流を半導体スイッチのスイッチングによるデューティ制御で所定の直流電圧、例えば４０Ｖに降圧する。

ダウンコンバータ３の出力側はＲＣＣ４の一次側に接続され、ＲＣＣ４の二次側は発電機１を駆動するエンジンの制御装置つまりＥＣＵ５に接続される。こうして、発電機１で発生した３相交流は、整流され、ダウンコンバータ３で例えば４０Ｖに降圧され、さらにＲＣＣ４で例えば１５Ｖの安定した電圧になって、ＥＣＵ５に制御電源として供給される。

図２はダウンコンバータ３の基本回路構成を示す図である。このダウンコンバータ３はトランスを有しない非絶縁型である。図中、前記整流回路２の出力側（電圧Ｖｉｎ）のプラス側およびマイナス側間には、入力用コンデンサ６と、フライホイルダイオード７と、出力用コンデンサ８と、出力電圧検出用の抵抗９，１０とが設けられる。

直流電源のマイナス側と出力用コンデンサ８のマイナス側との間に、Ｎチャネル型ＭＯＳ−ＦＥＴ１１とステップダウン用のチョークコイル（リアクトル）１２とが直列接続される。ＦＥＴ１１のゲートに電圧を印加するためにドライブ回路１３が設けられる。ドライブ回路１３は、ＦＥＴ１１を導通・非導通（オン・オフ）するための駆動信号を出力する。ドライブ回路１３から出力される駆動信号のデューティ（オン時間比）を決定するＰＷＭ信号（パルス信号）を形成するためのＰＷＭ回路１４が設けられる。ＰＷＭ回路１４は、ＰＷＭ信号のデューティを決定する基準電圧（三角波）Ｖｒｅｆを発生する発振回路（詳細は図３参照）２３を有する。この基準電圧Ｖｒｅｆと抵抗９，１０で分圧された電圧とを比較する比較器１５が設けられる。

抵抗９，１０で分圧された電圧が基準電圧Ｖｒｅｆより小さいとき、ＰＷＭ回路１４はＦＥＴ１１のオン状態を維持するため、１００％のデューティでＰＷＭ信号を出力する。一方、抵抗９，１０で分圧された電圧が基準電圧Ｖｒｅｆより大きいときには、ＰＷＭ回路１４は基準電圧Ｖｒｅｆと抵抗９，１０の分圧とで決定される１００％未満のデューティでＰＷＭ信号を出力する。

ＰＷＭ回路１４から出力されるＰＷＭ信号に従ってドライブ回路１３はＦＥＴ１１のゲートに駆動信号を供給し、出力用コンデンサ８はＦＥＴ１１のオン時間比に応じた電圧で充電される。出力用コンデンサ８で平滑された平均充電電圧が出力電圧Ｖｏｕｔである。出力電圧ＶｏｕｔはＲＣＣ４の一次側に接続される。

図３は整流回路２およびダウンコンバータ３の回路図、図４はＲＣＣ４の具体的な回路図例を示しており、図１，図２と同符号は同一または同等部分を示す。図３において、整流回路２はダイオードブリッジ回路からなる。入力用コンデンサ６は整流回路２で整流された発電機１の出力を充電、平滑して入力直流電圧を形成する。ドライブ回路１３は、フォトカプラ１６とインバータバッファ１７とインバータバッファ１７の電源電圧を形成するツェナーダイオード１８およびコンデンサ１９を含む。インバータバッファ１７に電源電圧が供給されると、インバータバッファ１７の出力がＦＥＴ１１のゲートに供給されてＦＥＴ１１はオンになる。ＦＥＴ１１のオン期間中のみ出力用コンデンサ８が充電される。

フォトカプラ１６は、発光ダイオード２０とフォトトランジスタ２１を備えており、発光ダイオード２０のカソードはＰＷＭ回路１４の比較器１５の出力側と接続されている。従って、ＰＷＭ回路１４からのＰＷＭ信号がオンの間、発光ダイオード２０は駆動され、フォトトランジスタ２１が導通してインバータバッファ１７の入力が反転すると、ＦＥＴ１１はオフになる。

フォトカプラ１６の発光ダイオード２０は、ＰＷＭ回路１４からのＰＷＭ信号によって付勢され、このＰＷＭ信号のデューティに基づいてフォトトランジスタ２１のオン時間比、つまりＦＥＴ１１のデューティが決定される。

ＰＷＭ回路１４は、出力電圧Ｖｏｕｔを代表する電圧（抵抗９，１０による分圧）が、発振回路２３で形成される基準電圧Ｖｒｅｆを超えた時に、１００％未満のデューティでＰＷＭ信号を出力する。抵抗９，１０による分圧は、出力電圧Ｖｏｕｔが所定値（例えば４０Ｖ）を越えたときに前記１００％デューティのＰＷＭ信号を出力するように設定し、常に出力電圧が４０Ｖに制限されるようにデューティ比が決定される。

図４において、ＲＣＣ４は、一次側コイル２４，２５と二次側コイル２６，２７とからなるトランス２８を有する。一次側コイル２４，２５は、ＦＥＴ２９、トランジスタ３０、およびフォトトランジスタ３１を有する自励発振回路に接続される。フォトトランジスタ３１は二次側のツェナーダイオード３２および発光ダイオード３３とともに、二次側を定電圧に制御するフィードバック回路を構成する。

ＲＣＣ４の一次側に接続されるダウンコンバータ３の出力用コンデンサ８の充電電圧つまり出力電圧Ｖｏｕｔは抵抗３４ａ、３４ｂおよび３４ｃで分圧されてＦＥＴ２９のゲートに印加される。ＦＥＴ２９がオンになると、コイル２４に電流が流れてコイル２５には巻線比に応じた電圧が発生する。コイル２５で発生する電圧によってコンデンサ３５の電圧が上昇し、トランジスタ３０がオンになる。トランジスタ３０がオンになることによってＦＥＴ２９はオフになる。

ＦＥＴ２９がオフになることにより、二次側のコイル２６，２７に、それぞれの巻線比に応じた電圧が発生し、出力用コンデンサ３６，３７が充電される。出力コンデンサ３７の電圧が所定値（例えば１５Ｖ）を超えると、発光ダイオード３３が付勢されてフォトトランジスタ３１がオンになる。そうすると、トランジスタ３０がオンになってＦＥＴ２９のゲート電圧が低下し、ＦＥＴ２９がオフになる。その結果、一次コイル２４に電流が流れなくなり、二次側に発生する電圧が低下する。こうして、二次側コイル２７の出力電圧が所定値つまり１５Ｖに保持される。二次側コイル２６からは、コイル２７の出力電圧と異なる出力電圧（例えば１７Ｖ）を得ることができる。

二次側コイル２６，２７の出力電圧はエンジン発電機を始動・制御するための電源として利用される。

上記動作をフローチャートによって説明する。図５において、ステップＳ１で発電が開始されて電力が入力される。ステップＳ２では、ＰＷＭ回路１４のデューティを１００％に設定する。なお、ここでいう１００％とは、実質的にＦＥＴ１１をオン状態に維持するためのデューティをいい、例えば、デューティ９５％程度も含むものとする。ＰＷＭ回路１４を１００％デューティに設定することによってＦＥＴ１１が実質的にオンになると発電機の出力電圧の上昇に伴って出力電圧Ｖｏｕｔが増大する。出力電圧が所定値（例えば４０ｖ）以上になるまではステップＳ２を維持し、出力電圧Ｖｏｕｔが所定値以上になったならば、ステップＳ３が肯定になり、ステップＳ４に移行する。ステップＳ４では、ＰＷＭ回路１４がデューティ１００％未満のＰＷＭ信号を出力し、ドライブ回路１３はこのＰＷＭ信号に従ってＦＥＴ１１をスイッチングする。すなわち、出力電圧Ｖｏｕｔが４０Ｖに維持されるようにスイッチングのデューディ比を制御する。

図６は、発電機１の回転数と電圧との関係を示す。図中、電圧Ｖｉｎは発電機１の出力電圧を示し、電圧Ｖｏｕｔはダウンコンバータ３の出力電圧を示し、電圧ＶＲＣＣはＲＣＣ４の二次側コイル２７の出力電圧を示す。図のように、発電機１の回転数の上昇に伴って電圧Ｖｉｎは増大するが、電圧Ｖｏｕｔは発電機１の回転数増大に拘わらず、所定値（例えば、４０Ｖ）でデューティ制御により制限され、上昇が抑制される。また、電圧ＶＲＣＣはＲＣＣ４の自励発振作用により、所定値（例えば、１５Ｖ）で安定化される。

電圧Ｖｏｕｔが所定値つまり４０Ｖに到達する以前にＲＣＣ４が動作を開始して電圧ＶＲＣＣが所定値つまり１５Ｖを発生するようにＦＥＴ２９のゲート電圧が設定される。図６に示すように、電圧ＶＲＣＣは電圧Ｖｏｕｔが４０Ｖに到達する回転数以下の低い回転数域で１５Ｖの安定した電圧を発生する。このように、自励発振型コンバータは、トランスによる昇圧機能を有しているので、この昇圧機能によって低回転数域で電圧Ｖｉｎを超えた安定した出力電圧ＶＲＣＣを得ることができる。

本実施形態によれば、リコイルスタータでエンジンの始動操作を行った時等のように、低回転領域において発電機で誘起される低電圧によっても十分な出力電圧が得られ、ＥＣＵを立ち上げるための安定した電源を確保することができる。

一方、エンジンが始動した後に回転数の上昇に伴って、発電機から高い出力電圧が発生した後もＮチャネルＦＥＴの高速スイッチングにより出力電圧を制限することで小型の自励型発振コンバータで高効率運転を行うことができる。

なお、本発明の制御電源は、エンジン発電機のＥＣＵの他、エンジンのチョーク開度制御用モータ、点火装置、バッテリ充電用、エンジンのスタータモータ用電源等、種々の電源装置として使用することができる。

本発明の一実施形態に係る電源装置を含むエンジン発電機の要部構成を示すブロック図である。 ダウンコンバータの基本構成を示す回路図である。 ダウンコンバータの具体的な回路図である。 ＲＣＣの具体的な回路図である。 電源回路の動作を示すフローチャートである。 発電機回転数と発電機出力電圧およびダウンコンバータの出力電圧およびＲＣＣの出力電圧との関係を示す図である。

符号の説明

１…発電機、 ３…ダウンコンバータ（非絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ）、 ４…ＲＣＣ（自励発振型コンバータ）、 ８…出力用コンデンサ、 １１…ＦＥＴ、 １２…チョークコイル、 １４…ＰＷＭ回路、 １５…比較器、 ２３…発振回路

Claims (3)

1. 交流発電機の出力を整流する整流回路と、該整流回路から出力された直流の降圧手段とを有する電源装置において、
   前記降圧手段が非絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータであり、
   前記非絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータの出力側に一次側が接続され、二次側を電源出力側とした自励発振型コンバータをさらに備えたことを特徴とする電源装置。
2. 前記非絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータをデューティ制御するためのスイッチ手段と、
   前記交流発電機の交流出力電圧が予定値を超えるまでは前記スイッチ手段のオン状態を継続し、前記交流出力電圧が予定値を超えた時点で前記スイッチ手段のデューティ制御を開始するスイッチ手段駆動回路を備えたことを特徴とする請求項１記載の電源装置。
3. 前記自励発振型コンバータは、前記交流出力電圧が前記ＤＣ−ＤＣコンバータでデューティ制御を開始する前記予定値に至るまでに動作を開始するように構成されていることを特徴とする請求項２記載の電源装置。

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