JP2017147887A - 電源システム - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で突入電流の発生を防止する。【解決手段】充放電可能な第１電源２０が接続される低電圧側電源端子１８，４３と充放電可能な第２電源３０が接続される高電圧側電源端子１６，４１とを有し、低電圧側電源端子と高電圧側電源端子との間で直流電圧変換を行う非絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータ１１と、第１電源と低電圧側電源端子との間にドレイン端子およびソース端子が接続されたトランジスタ１４，１５と、所定の抵抗値を有するゲート抵抗を介してトランジスタのゲート端子へ充電または放電を行う駆動回路１３と、を備え、駆動回路は、トランジスタをオンさせて第１電源を低電圧側電源端子に接続する場合、所定の抵抗値に基づいて第１電源からトランジスタおよびＤＣ／ＤＣコンバータを介して高電圧側電源端子へ流れる電流のピーク値を低減する電源システムである。【選択図】図１

Description

本発明は、電源システムに関する。

特許文献１は、車両用電源システムの一例を開示する。特許文献１に記載されている車両用電源システムは、直流電圧変換を行う非絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータを備え、非絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータの入出力側に充放電可能な第１電源と第１電源より定格電圧が高い第２電源とがそれぞれ接続されている。この車両用電源システムでは、高電圧側の第２電源の電圧が低電圧側の第１電源の電圧を下回った場合に発生する第１電源から第２電源側への突入電流を次の構成によって防止している。すなわち、特許文献１に記載されている車両用電源システムは、非絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータの第１電源側の端子と第２電源側の端子とをトランジスタを介して接続し、第２電源の電圧が第１電源の電圧より低下した場合に、このトランジスタに流れる電流を一定電流とするフィードバック制御を実行する。この構成によって特許文献１に記載されている車両用電源システムでは突入電流の発生が防止される。

特開２００７−１０４８６５号公報

特許文献１に記載されている電源システムでは、第１電源と第２電源との間に設けたトランジスタによる定電流制御によって突入電流が防止される。しかしながら、定電流制御を行うために、回路構成が複雑化してしまったり、部品点数が増加してしまったりする。そのため、大きさやコストが増加してしまうという課題がある。

本発明は、上記の事情を考慮してなされたものであり、簡単な構成で突入電流の発生を防止することができる電源システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の一態様は、充放電可能な第１電源が接続される低電圧側電源端子と充放電可能な第２電源が接続される高電圧側電源端子とを有し、前記低電圧側電源端子と前記高電圧側電源端子との間で直流電圧変換を行う非絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータと、前記第１電源と前記低電圧側電源端子との間にドレイン端子およびソース端子が接続されたトランジスタと、所定の抵抗値を有するゲート抵抗を介して前記トランジスタのゲート端子へ充電または放電を行う駆動回路と、を備え、前記駆動回路は、前記トランジスタをオンさせて前記第１電源を前記低電圧側電源端子に接続する場合、前記所定の抵抗値に基づいて前記第１電源から前記トランジスタおよび前記ＤＣ／ＤＣコンバータを介して前記高電圧側電源端子へ流れる電流のピーク値を低減する、電源システムである。

また、本発明の本発明の一態様は、上記の電源システムであって、前記トランジスタの突入電流と発生損失とオン時間とが所定の範囲に収まるように前記所定の抵抗値が設定されている。

また、本発明の本発明の一態様は、上記の電源システムであって、前記第２電源がコンタクタを介して前記高電圧側電源端子に接続されていて、前記高電圧側電源端子の電圧が前記第１電源の電圧より低い場合、前記コンタクタが開状態のときに前記トランジスタがオンして前記第１電源を前記ＤＣ／ＤＣコンバータに接続し、前記高電圧側電源端子の電圧が前記第１電源の電圧とほぼ一致した場合に前記ＤＣ／ＤＣコンバータを起動して昇圧動作を行い、前記高電圧側電源端子の電圧が前記第２電源の電圧とほぼ一致した場合に前記コンタクタが閉状態とされて前記高電圧側電源端子に前記第２電源が接続される。

本発明によれば、駆動回路が、所定の抵抗値を有するゲート抵抗を介してトランジスタのゲート端子を充電または放電するので、所定の抵抗値に基づいて第１電源からトランジスタおよびＤＣ／ＤＣコンバータを介して高電圧側電源端子へ流れる電流のピーク値が低減される。これによれば、ゲート抵抗の抵抗値を適切な値に設定するだけで突入電流の発生を防止することができ、構成を簡単化することができる。

本発明の一実施形態の概略構成を示したブロック図である。 図１に示した双方向非絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータ１１の構成例を示したブロック図である。 図１に示した接続遮断部１２の構成例を示したブロック図である。 図１に示した電源システム１０の動作特性のシミュレーション結果の一例を示した図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。図１は、本発明の一実施形態の概略構成を示したブロック図である。図１に示した本実施形態の電源システム１０は、自動車用直流４８Ｖ電源システム１に含まれている。図１に示した電源システム１０は、双方向非絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータ１１と、接続遮断部１２とを備える。また、電源システム１０は、高電圧側電源端子１６と、高電圧側接地端子１７と、低電圧側電源端子１８と、低電圧側接地端子１９とを備える。

高電圧側電源端子１６には、充放電可能な第２電源の一構成例である４８Ｖバッテリ３０の正極端子が、フューズ３４とコンタクタ３５とを介して接続されている。４８Ｖバッテリ３０は、例えばリチウムイオンバッテリである。また、高電圧側電源端子１６には、補機モータ３１、システムＥＣＵ（電子制御ユニット）３２等の４８Ｖ直流電力系の電気負荷３３が接続されている。一方、低電圧側電源端子１８には、充放電可能な第１電源の一構成例である１２Ｖバッテリ２０の正極端子が接続されている。１２Ｖバッテリ２０は、例えば鉛バッテリである。また、低電圧側電源端子１８には、補機モータ２１、システムＥＣＵ２２等の１２Ｖ直流電力系の電気負荷２３が接続されている。また、高電圧側接地端子１７と低電圧側接地端子１９とは共通の車体アースに接続されている。

双方向非絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータ１１は、高電圧側電源端子４１と、高電圧側接地端子４２と、低電圧側電源端子４３と、低電圧側接地端子４４とを備える。高電圧側電源端子４１は高電圧側電源端子１６に接続されている。高電圧側接地端子４２は高電圧側接地端子１７に接続されている。低電圧側電源端子４３は接続遮断部１２が備える２個のトランジスタ１４および１５を介して低電圧側電源端子１８に接続されている。低電圧側接地端子４４は低電圧側接地端子１９に接続されている。双方向非絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータ１１は低電圧側電源端子４３と高電圧側電源端子４１との間で直流電圧変換を行う。ただし、この構成では、トランジスタ１４およびトランジスタ１５が各端子間に介在しているため低電圧側電源端子１８の電圧と低電圧側電源端子４３の電圧とは異なる。そのため、双方向非絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータ１１は、低電圧側電源端子１８において低電圧側の制御電圧を検出してもよい。なお、トランジスタ１４および１５はそれぞれ複数のトランジスタが並列に接続された構成であってもよい。

接続遮断部１２は、駆動回路１３とトランジスタ１４とトランジスタ１５を備える。トランジスタ１４および１５はｎチャネルＭＯＳＦＥＴ（金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ）である。トランジスタ１４とトランジスタ１５は、電源逆接続防止と双方向非絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータ１１の内部短絡防止のために、それぞれの内部ダイオードを逆向きに直列接続される。この場合、トランジスタ１４のドレイン端子とトランジスタ１５のドレイン端子とが接続されている。トランジスタ１４のソース端子は低電圧側電源端子４３に接続されている。トランジスタ１５のソース端子は低電圧側電源端子１８に接続されている。トランジスタ１４のゲート端子とトランジスタ１５のゲート端子は駆動回路１３に接続されている。なお、上記内部ダイオードは、寄生ダイオード（ボディダイオード）と意図的に実装された環流ダイオードの両方の意味を含む。また、トランジスタ１４および１５はそれぞれ複数のトランジスタが並列に接続された構成であってもよい。

次に、図２を参照して、図１に示した双方向非絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータ１１の構成例について説明する。図２に示した双方向非絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータ１１には、例えば、複数のＤＣ／ＤＣコンバータ４６を並列に接続し、位相をずらして動作させるインターリーブ方式を適用することができる。図２に示した双方向非絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータ１１は、高電圧側フィルタ回路４５と、複数のＤＣ／ＤＣコンバータ４６と、低電圧側フィルタ回路４７とを備える。各相のＤＣ／ＤＣコンバータ４６は、コンデンサ５１および５２と、トランジスタ５３および５４と、コイル５５と、図示していない駆動回路、制御回路等を有している。ただし、コンデンサ５１および５２は、複数のＤＣ／ＤＣコンバータ４６間で共用されていてもよい。トランジスタ５３および５４はｎチャネルＭＯＳＦＥＴである。また、トランジスタ５３および５４はそれぞれ複数のトランジスタが並列に接続された構成であってもよい。

高電圧側フィルタ回路４５は、一方の一対の入出力端子を高電圧側電源端子４１および高電圧側接地端子４２に接続し、他方の一対の入出力端子をコンデンサ５１の両端子に接続する。低電圧側フィルタ回路４７は、一方の一対の入出力端子を低電圧側電源端子４３および低電圧側接地端子４４に接続し、他方の一対の入出力端子をコンデンサ５２の両端子に接続する。コンデンサ５１の負側の端子は、コンデンサ５２の負側の端子とトランジスタ５４のソース端子とに接続されている。コンデンサ５１の正側の端子は、トランジスタ５３のドレイン端子に接続されている。コンデンサ５２の正側の端子は、コイル５５の一方の端子に接続されている。コイル５５の他方の端子は、トランジスタ５３のソース端子とトランジスタ５４のドレイン端子とに接続されている。

以上の構成において、双方向非絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータ１１は、高電圧側電源端子４１に入力された４８Ｖ系の直流電圧を１２Ｖ系の直流電圧に降圧して低電圧側電源端子４３から出力したり、低電圧側電源端子４３に入力された１２Ｖ系の直流電圧を４８Ｖ系の直流電圧に昇圧して高電圧側電源端子４１から出力したりする。

次に、図３を参照して、図１に示した駆動回路１３の構成例について説明する。図３に示した駆動回路１３は、ゲート充放電回路６１と、ゲート抵抗６２とを備える。ゲート抵抗６２の一方の端子はトランジスタ１４のゲート端子とトランジスタ１５のゲート端子とに接続されている。ゲート抵抗６２の他方の端子はゲート充放電回路６１に接続されている。ゲート充放電回路６１は、トランジスタ１４およびトランジスタ１５をオンまたはオフさせるため、ゲート抵抗６２を介してトランジスタ１４およびトランジスタ１５の各ゲート端子へ充電または放電を行う。この充放電の時間がトランジスタ１４および１５のオンまたはオフ間の相互移行時間となり、その移行時間中はトランジスタ１４および１５の動作特性に従い、所定の抵抗値がドレイン端子とソース端子との間に発生する。この充放電時間が短ければオンまたはオン間の相互移行が速くなり、長ければこれらの相互移行も遅くなる。なお、この充放電時間は、トランジスタ１４および１５のゲート端子に接続されるゲート抵抗６２の値で決まる。また、図３では、充電時の電流の流れを実線の矢印で示し、放電時の電流の流れを破線の矢印で示している。

本実施形態では、上記ゲート抵抗６２の抵抗値を適切に設定し、それによりオンまたはオフ間の相互移行時間に発生するトランジスタ１４および１５のドレイン−ソース間抵抗成分を利用して突入電流を低減させるものである。つまり、本実施形態は、オンまたはオフ間の相互移行時間中に、４８Ｖ直流電力系の電気負荷３３に含まれている静電容量成分（負荷に搭載される平滑回路キャパシタなど）へのプリチャージ処理を行うものである。より具体的には、設計諸元である「突入電流（プリチャージ電流）」、「トランジスタ発生損失」および「トランジスタのオンまたはオフ間の相互移行時間」が設計許容範囲内になるように、当該ゲート抵抗６２の抵抗値を決定する。

次に、図４を参照して、ゲート抵抗６２の抵抗値を変化させた場合のトランジスタ１４または１５の動作特性のシミュレーション結果について説明する。図４は、１２Ｖの直流電力系の電圧が１６Ｖで、４８Ｖ直流電力系の電気負荷３３に所定の静電容量値を設定した場合に、上記ゲート抵抗６２の抵抗値を１０ｋΩ、２０ｋΩ、５０ｋΩ、および１００ｋΩに変化させたときの「突入電流（プリチャージ電流）」、「トランジスタのドレイン−ソース間電圧値」および「トランジスタ発生損失」を計算した結果を示す。横軸は時間であり、縦軸は電流値、電圧値および損失電力値である。

図４にあるとおり、この場合１００ｋΩのゲート抵抗６２を適用することで、突入電流はピークで３０Ａ程度に低減され、トランジスタの発生損失もピークで１００Ｗ程度に抑えられる。また、この場合、トランジスタのオフからオンへの移行時間は６．５ｍｓｅｃ程度になる。

また、本実施形態の電源システム１０は例えば次のようにして安全に動作させることができる。すなわち、トランジスタ１４および１５をオンさせて双方向非絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータ１１を起動する際に、高電圧側電源端子１６の電圧が１２Ｖバッテリ２０の電圧より低いとき、電源システム１０は次のように動作させることができる。（１）まず、コンタクタ３５を開状態としてトランジスタ１４および１５をオンして１２Ｖバッテリ２０を双方向非絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータ１１に接続する。ただし、こことき双方向非絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータ１１は停止状態のままである。（２）次に、オン状態のトランジスタ１４および１５と双方向非絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータ１１内のトランジスタ５３の内部ダイオードを介して１２Ｖバッテリ２０から出力された電流が流れていき、高電圧側電源端子１６の電圧が１２Ｖバッテリ２０の電圧とほぼ一致した場合に双方向非絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータ１１を起動して昇圧動作を開始する。（３）次に、高電圧側電源端子１６の電圧が４８Ｖバッテリ３０の電圧とほぼ一致した場合にコンタクタ３５を閉状態として高電圧側電源端子１６に４８Ｖバッテリ３０が接続される。

上記（１）〜（３）の動作においては、４８Ｖ直流電力系に接続されている静電容量成分を１２Ｖ直流電力系の電位までプリチャージした後、双方向非絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータ１１を起動して双方向非絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータ１１が昇圧モード動作を行う。双方向非絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータ１１を昇圧モードで動作させながら、４８Ｖ直流電力系に接続されている静電容量成分を４８Ｖバッテリ３０の電位まで充電し、プリチャージを完了する。これにより、その後４８Ｖバッテリ３０と高電圧側電源端子１６とを接続するコンタクタ３５をオンしても、４８Ｖ直流電力系に突入電流を流さないようにすることができる。

なお、上記の動作の制御は、例えば４８Ｖ直流電力系の電気負荷３３や１２Ｖ直流電力系の電気負荷２３に含まれた他のシステムを制御するためのＥＣＵによって行ったり、電源システム１０の制御用に設けられた制御回路によって行ったりすることができる。また、双方向非絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータ１１の起動は、高電圧側電源端子１６の電圧が１２Ｖバッテリ２０の電圧とほぼ一致した場合に行ってもよいし、高電圧側電源端子１６から出力される電流がほぼゼロもしくは設計的に許容可能な電流値以下となった場合に行ってもよい。同様に、コンタクタ３５を閉状態とするタイミングは、高電圧側電源端子１６の電圧が４８Ｖバッテリ３０の電圧とほぼ一致した場合であってもよいし、高電圧側電源端子１６から出力される電流がほぼゼロもしくは設計的に許容可能な電流値以下となった場合であってもよい。

上述したように、本実施形態によれば、例えば、フィードバック制御による電流制御回路や高電圧側および低電圧側に付加的な突入電流低減回路（プリチャージ回路）を実装することが不要となり、サイズおよびコストを低減できる。また、部品点数を減らすことで、システム全体の信頼度を向上できる。ここで、付加的な突入電流低減回路（プリチャージ回路）とは、例えば、トランジスタ１４および１５と同様のスイッチ回路に抵抗を直列に接続した回路をトランジスタ１４および１５と並列に設けた回路である。

なお、本発明の実施形態は上記のものに限定されない。例えば、トランジスタ１４および１５は互いにソース端子を接続することで直列接続されていてもよい。また、双方向非絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータ１１が図２に示した構成を有する場合、トランジスタ１４とトランジスタ１５のうちトランジスタ１５を省略してもよい。またトランジスタ１４および１５はＭＯＳＦＥＴに代えてＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）としてもよい。また、１２バッテリ２０はリチウムイオン電池等他の種類の２次電池であってもよい。また、４８Ｖバッテリ３０は鉛バッテリ等他の種類の２次電池であってもよい。また、上記実施形態は、自動車用４８Ｖシステムだけでなく、例えば、同回路構成を持ち、電圧の違う他用途のシステムに適用することができる。

１…自動車用直流４８Ｖ電源システム
１０…電源システム
１１…双方向非絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータ
１２…接続遮断部
１３…駆動回路
１４、１５…トランジスタ
１６、４１…高電圧側電源端子
１７、４２…高電圧側接地端子
１８、４３…低電圧側電源端子
１９、４４…低電圧側接地端子
２０…１２Ｖバッテリ
３０…４８Ｖバッテリ
６１…ゲート充放電回路
６２…ゲート抵抗

Claims (3)

1. 充放電可能な第１電源が接続される低電圧側電源端子と充放電可能な第２電源が接続される高電圧側電源端子とを有し、前記低電圧側電源端子と前記高電圧側電源端子との間で直流電圧変換を行う非絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータと、
   前記第１電源と前記低電圧側電源端子との間にドレイン端子およびソース端子が接続されたトランジスタと、
   所定の抵抗値を有するゲート抵抗を介して前記トランジスタのゲート端子へ充電または放電を行う駆動回路と、
   を備え、
   前記駆動回路は、
   前記トランジスタをオンさせて前記第１電源を前記低電圧側電源端子に接続する場合、前記所定の抵抗値に基づいて前記第１電源から前記トランジスタおよび前記ＤＣ／ＤＣコンバータを介して前記高電圧側電源端子へ流れる電流のピーク値を低減する、
   電源システム。
2. 前記トランジスタの突入電流と発生損失とオン時間とが所定の範囲に収まるように前記所定の抵抗値が設定されている
   請求項１に記載の電源システム。
3. 前記第２電源がコンタクタを介して前記高電圧側電源端子に接続されていて、
   前記高電圧側電源端子の電圧が前記第１電源の電圧より低い場合、前記コンタクタが開状態のときに前記トランジスタがオンして前記第１電源を前記ＤＣ／ＤＣコンバータに接続し、
   前記高電圧側電源端子の電圧が前記第１電源の電圧とほぼ一致した場合に前記ＤＣ／ＤＣコンバータを起動して昇圧動作を行い、
   前記高電圧側電源端子の電圧が前記第２電源の電圧とほぼ一致した場合に前記コンタクタが閉状態とされて前記高電圧側電源端子に前記第２電源が接続される
   請求項１または２に記載の電源システム。

Images