JP3484636B2 - 対称形dc/dcコンバータ - Google Patents
対称形dc/dcコンバータInfo
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Description
は降圧して電気エネルギを伝達するDC/DCコンバー
タに関し、詳しくは、対称形DC/DCコンバータに関
する。
しているエネルギ量に応じて電圧が変動するエネルギ貯
蔵装置として知られている。電気二重層キャパシタが用
いられる際に、充電もしくは放電する時には電圧を昇圧
あるいは降圧してエネルギを伝達する必要がある。
荷として電気自動車などのモーターを利用する場合、ブ
レーキ時などでモーターが逆に発電したときにそのエネ
ルギを回収することにより、システム全体のエネルギ効
率が大幅に高まる。
DCコンバータの機能を、どちらからエネルギが入って
も他方にエネルギを移送できるようにすることが重要に
なる。それぞれの方向用のDC/DCコンバータを用意
しスイッチで切り換える方法が考えられるが、これでは
装置全体が大きくなるため実用的ではない。そこで、一
つの回路で入力と出力を入れ替えても機能するDC/D
Cコンバータが不可欠となる。
ては、双方向コンバータと呼ばれるものが提案されてい
る。この従来の双方向DC/DCコンバータは、充電器
もしくは電源、例えば、電気二重層キャパシタと、負
荷、例えば、モーターとを接続する4端子を備えた回路
素子である。
タの一構成例(以下、従来技術1と呼ぶ)を示す回路図
である。図12を参照すると、双方向DC/DCコンバ
ータにおいては、電気二重層キャパシタ17からモータ
ー19に電力を供給してモーター19を動作させる場
合、スイッチ回路29を開放状態にしておいてスイッチ
回路27をPWMなどで制し、フォワード型コンバータ
回路として動作させる。
キャパシタ17に供給して充電させる場合、スイッチ回
路27を開放状態にしておいてスイッチ回路29をPW
Mなどで制御し、フォワード型コンバータ回路として動
作させる。
ンバータの他の構成例(特開2000−33445公報
参照、以下、従来技術2と呼ぶ)を示す回路図である。
方向DC/DCコンバータは、直流電源33と、コンデ
ンサ35を含む負荷37の間に設けられる。従来技術2
の双方向DC/DCコンバータ31は、スイッチ素子と
して、FETを用いており、具体的には、第1直列回路
43と第2直列回路49とインダクタンス23と図示し
ない制御装置とを備えている。第1直列回路43は、直
流電源に並列接続される第1FET39及び第2FET
41とを備える。また、第2直列回路49は、負荷に並
列接続される第3FET45及び第4FET47を備え
る。インダクタンス23は、第1FET39と第2FE
T41との接続点と第3FET45と第4FET47と
の接続点の間に設けられている。さらに、制御装置は、
前記直流電源33のエネルギを前記負荷37に供給し、
かつ前記コンデンサ35に蓄えられたエネルギを前記直
流電源33に回生するように、前記第1FET39、前
記第2FET41、前記第3FET45及び前記第4F
ET47の各ゲートを制御する構成である。
双方向コンバータでは、インダクタを複数備え回路構成
が複雑である。
圧が変動するするエネルギ貯蔵装置を用いる場合やモー
ター負荷で駆動・回生を行う場合に、そのエネルギー量
に対応した電圧変化量を含めたシステムとなる。そのた
め、どちらの方向にもエネルギを移送でさるだけでな
く、どちらの電圧がどれくらい高いかもしくは低いかに
応じて昇圧もしくは降圧を自由にできることが必要であ
る。
を複数組み合わせてシステムを構築する際には、その昇
圧比や降圧比を適切に設定してやることが必要となり、
従来の双方向コンバータでは対応できなかった。
の移送に対応した方向と、入出力の電圧比に対応した昇
圧比もしくは降圧比で動作する対称形DC/DCコンバ
ータを提供することにある。
ダクタのそれぞれの端子に一対のスイッチ手段を前記イ
ンダクタに対して対称形となるように接続したDC/D
Cコンバータであって、前記一対のスイッチ手段の内の
一方を入力、他方を出力として昇圧コンバータおよび降
圧コンバータとして動作し、かつ、前記入力を出力と
し、前記出力を入力としても昇圧コンバータおよび降圧
コンバータとして動作でき、入力及び出力のいずれか一
方もしくは両方に電気二重層キャパシタを接続したこと
を特徴とする対称形DC/DCコンバータを提供するも
のである。
て説明する。
称形DC/DCコンバータの回路図である。
形態による対称形DC/DCコンバータ51は、インダ
クタ23に一対のスイッチ手段53,53を接続してい
る。このスイッチ手段53,53を夫々制御することに
よって装置の入出力の方向や昇圧および降圧を選択す
る。
称形DC/DCコンバータの回路図である。図3は図2
の対称形DC/DCコンバータの第3及び第4端子を入
力として昇圧動作をした時の構成図である。図4は図2
の対称形DC/DCコンバータの第3及び第4端子を入
力として降圧動作をした時の構成図である。
形態による対称形DC/DCコンバータ55は、インダ
クタ23の両端にスイッチ部57,59と、61,63
との一端を接続し、各スイッチ部57,59と61,6
3の他端を、夫々端子65,67,69,71に接続す
るとともに、各スイッチ部57,59と61,63との
夫々の間に、コンデンサ73,73を夫々挿入し、端子
67,71を接続して、4端子とした構成である。
5,67を入力、第3及び第4端子69,71を出力に
した場合と、第1及び第2端子65,67を出力、第3
及び第4端子69,71を入力にした場合とに分けてそ
の動作をまとめて示している。
9、61,63のそれぞれの場合の動作を示しており上
記表1中で「ON」短絡状態、「OFF」は開放状態、
「SW」は、例えばPWM制御などで適当な昇圧比もし
くは降圧比になるようにON−OFFを断続的に行い制
御する状態、「D」は整流動作を示している。
5,67を入力、第3及び第4端子69,71を出力と
して、本発明の対称形DC/DCコンバータを昇圧コン
バータとして動作させている。
絡、スイッチ部59は「OFF」であるので開放、スイ
ッチ部61は「D」であるので整流動作を行うダイオー
ド75、スイッチ部63は「SW」であるのでスイッチ
回路77となり、適当な昇圧比になるように制御を行
う。
第2端子65、67を入力、第3及び第4端子69,7
1を出力として、本発明の第2の実施の形態による対称
形DC/DCコンバータを降圧コンバータとして動作さ
せている。
ッチ回路77として適当な降圧比になるように制御を行
う。また、スイッチ部59は「D」であるので整流動作
を行うダイオード75として機能し、スイッチ部61は
「ON」であるので短絡、スイッチ部63は「OFF」
であるので開放になる。
及び第4端子69,71を入力とした場合も、スイッチ
部の動作をスイッチ部57と59,61と63をそれぞ
れ入れ替えただけで、同様の動作を実現できる。
称形DC/DCコンバータを示す回路図である。図5を
参照すると、本発明の第3の実施の形態による対称形D
C/DCコンバータ55は、図2のスイッチ部57,5
9,61,63をスイッチ回路77と整流器75とを並
列に接続した構成を備えている。
バータにおいて、第1及び第2端子65,67を入力、
第3及び第4端子69,71を出力にした場合と、第1
及び第2端子65,67を出力、第3及び第4端子6
9,71を入力にした場合とに分けて、また、さらに、
それぞれの場合で昇圧もしくは降圧にする場合に分けて
スイッチ部の動作をまとめて示したものである。
動作「OFF」にした場合は、並列にダイオード75が
接続されているためスイッチ部の動作は整流動作「D」
となる。そのため、上記表1における開放動作「OF
F」の部分がすべて,上記表2において、整流動作
「D」に入れ替わる。
された箇所はそのスイッチ部のダイオードに対して順方
向に電圧がかからないために、開放動作と等価になり、
上記表1に示したものと同じ動作を行うことができる。
バータにおいては、スイッチ回路77のON・OFFの
みで上記表1に示したものと同様の動作を実現すること
ができる。
称形DC/DCコンバータを示す回路図である。図6を
参照すると、本発明の第4の実施の形態による対称形D
C/DCコンバータにおいては、図5に示すスイッチ回
路77としてFET81を用いた場合を示し、このFE
T81のボディーダイオード83を整流器として利用で
きる。
ード83よりも順電圧Vfが低くリカバリー時間の短い
高性能なダイオード75をFET81のボディーダイオ
ード83に夫々同じ方向で並列に接続すれば、ボディー
ダイオード83に影響なく対称形DC/DCコンバータ
として動作できる。
称形DC/DCコンバータを示す回路図である。図7を
参照すると、本発明の第5の実施の形態による対称形D
C/DCコンバータにおいては、図6に示すDC/DC
コンバータのダイオ一ド動作を同期整流によって実現
し、効率を改善するものである。
ペアンプ89の出力がマイナス側に飽和しないようにし
てアナログ制御できるようにダイオード21をFET8
1の一端に抵抗87を介して接続した構成を備えてい
る。
5の実施の形態によれば、エネルギ移送の方向を自由に
選択でき、かつ、昇圧および降圧をその比も自由に変更
して動作させることができる対称形DC/DCコンバー
タを提供することができる。
称形DC/DCコンバータの回路図である。図9は本発
明の第6の実施の形態による対称形DC/DCコンバー
タの動作を表すフローチャート図である。
形態による対称形DC/DCコンバータ91は、エネル
ギを移送する装置の構成は第2の実施の形態による対称
形DC/DCコンバータと同様である。エネルギを移送
するエネルギ貯蔵装置、発電装置、負荷の一例として電
気二重層キャパシタ17、太陽電池93および発光素子
95を接続している。制御装置97は電圧モニタ99,
101から各端子の電圧情報を、電流センサ103,1
05から各端子の電流情報を得ることができる。さらに
それらの情報から制御装置は状況を判断する機能を持
ち、スイッチ部57,59,61,63を開放および短
絡を高速切り換えできる状態、短絡状態、開放状態、一
方向に電流を流すことができる整流状態のいずれかに制
御することができるように接続されている。
形態による対称形DC/DCコンバータ91において
は、スイッチ部57,59,61,63の状態は制御装
置97によって制御される。制御装置97は電圧モニタ
99,101からの電圧の情報および電流センサ10
3,105からの電流の情報(ステップSA1)を判断
し(ステップSA2)、入力および出力をどちらの端子
にするか、および昇圧コンバータとして動作させるか降
圧コンバータとして動作させるかを決定する(ステップ
SA3)。
と、それに応じてスイッチ部57,59,61,63を
下記表3のような動作をするように設定し、SWの動作
をしているスイッチ部の開放および短絡の間隔を入出力
電圧の比に合わせて適当な値に設定する(ステップSA
4)。エネルギ移送を行った(ステップSA5)後、再
度電圧モニタ99,101からの電圧の情報および電流
センサ103,105からの電流の情報を制御装置が判
断し(ステップSA6)、次にどのように動作させるべ
きかを判断し、終了の指示がない限り通常はその動作を
繰り返す。
池93の発電電力を発光素子95で消費するだけでなく
余剰電力を電気二重層キャパシタ17に充電する構成を
備えている。太陽電池93が発光素子95を十分に発光
させることができるまで発電しているときに、電気二重
層キャパシタ17を充電する動作をさせることを制御装
置75が判断する。この時、電気二重層キャパシタ17
のエネルギ状態すなわち電圧値がどのような場合でも、
制御装置97が入力および出力の電圧を判断して昇圧お
よび降圧を決定し、電気二重層キャパシタ17に充電を
行う。さらに太陽電池93が発電していないときにも発
光素子95を発光させたい場合、電気二重層キャパシタ
17の電圧が発光素子95の発光に必要とする電圧より
高くても低くても適切な電圧に調節して発光素子95に
放電することにより発光素子95を必要とする輝度で発
光させることができる。
対称形DC/DCコンバータの回路図である。図11は
本発明の第7の実施の形態による対称形DC/DCコン
バータの動作を表すフローチャート図である。
の形態による対称形DC/DCコンバータにおいて、エ
ネルギを移送する装置の構成は第3の実施の形態による
対称形DC/DCコンバータと同じである。エネルギを
移送するエネルギ貯蔵装置、発電装置、負荷の一例とし
て電気二重層キャパシタ17、モーター19を接続して
いる,制御装置97は電圧モニタ99,101から各端
子の電圧情報を、電流センサ103,105から各端子
の電流情報を得ることができる。
のトルクの情報をトルク設定装置107を介して得るこ
とができる。さらにそれらの情報から制御装置97は状
況を判断する機能を持ち、それぞれのスイッチ回路77
を開放および短絡を高速切り換えできる状態、短絡状
態、開放状態のいずれかに制御することができるように
接続されている。
の形態による対称形DC/DCコンバータにおいては、
スイッチ回路77の状態は制御装置97によって制御さ
れる。制御装置97は電圧モニタ99,101からの電
圧の情報および電流センサ103、105からの電流の
情報、さらに外部から入力される情報すなわちここでは
トルク設定装置107からの要求されるトルクの情報を
判断し(ステップSB1,SB2、SB3)、入力およ
び出力をどちらの端子にするか(ステップSB4)、お
よび昇圧コンバータとして動作させるか降圧コンバータ
として動作させるかを決定する(ステップSB5)。
と、それに応じてスイッチ部57,59,61,63を
下記表4のような動作をするようにスイッチ回路77の
状態を設定し、SWの動作をしているスイッチ部のスイ
ッチ回路の開放および短絡の間隔を入出力電圧の比に合
わせて適当な値に設定する(ステップSB6)。エネル
ギ移送を行った(ステップSB7)後、再度電圧モニタ
99,101からの電圧の情報および電流センサからの
電流の情報を制御装置97が判断し、どのように動作さ
せるべきかを判断する(ステップSB8)。
らの信号をユーザーが希望するモーター19のトルクと
して、希望するトルクが実際に動作しているモーター1
9のトルクよりも少ない場合、例えば、モーター19が
回転している状態で回転停止を希望した場合、モーター
19は発電装置として作用する。この時、電気二重層キ
ャパシタ17のエネルギ状態すなわち電圧値がどのよう
な場合でも、またモータ19が出力する電圧値がどのよ
うな場合でも、制御装置97が入力および出力の電圧を
判断して昇圧および降圧を決定し、電気二重層キャパシ
タ17に充電を行う。希望するトルクが実際に動作して
いるモーター19のトルクよりも多い場合、例えば、モ
ーター19が止まっている状態である程度の回転を希望
した場合、モーター19は負荷として作用する。電気二
重層キャパシタ17の電圧がモーター19の動作に必要
とする電圧より高くても低くても適切な電圧に調節して
モーター19を駆動することができる。
エネルギの移送に対応した方向と、入出力の電圧比に対
応した昇圧比もしくは降圧比で動作する対称形DC/D
Cコンバータを提供することができる。
DCコンバータの回路図である。
DCコンバータの回路図である。
第4端子を入力として昇圧動作をした時の構成図であ
る。
第4端子を入力として降圧動作をした時の構成図であ
る。
DCコンバータを示す回路図である。
DCコンバータを示す回路図である。
DCコンバータを示す回路図である。
DCコンバータの回路図である。
DCコンバータの動作を表すフローチャート図である。
/DCコンバータの回路図である。
/DCコンバータの動作を表すフローチャート図であ
る。
タの構成を示す回路図である。
タの構成を示す回路図である。
Claims (8)
- 【請求項1】 1個のインダクタのそれぞれの端子に一
対のスイッチ手段を前記インダクタに対して対称形とな
るように接続したDC/DCコンバータであって、前記
一対のスイッチ手段の内の一方を入力、他方を出力とし
て昇圧コンバータおよび降圧コンバータとして動作し、
かつ、前記入力を出力とし、前記出力を入力としても昇
圧コンバータおよび降圧コンバータとして動作でき、入
力及び出力のいずれか一方もしくは両方に電気二重層キ
ャパシタを接続したことを特徴とする対称形DC/DC
コンバータ。 - 【請求項2】 請求項1に記載の対称形DC/DCコン
バータにおいて、インダクタのひとつの端子と直列に接
続された2個のスイッチ部の中間の端子を接続して前記
直列に接続された2個のスイッチ部の両端子にコンデン
サを並列に接続して前記両端子を対称形DC/DCコン
バータの入力端子または出力端子として構成し,同様に
前記インダクタのもうひとつの端子と直列に接続された
2個のスイッチ部の中間の端子を接続して前記直列に接
続された2個のスイッチ部の両端子にコンデンサを並列
に接続して前記両端子を対称形DC/DCコンバータの
入力端子または出力端子として構成し、前記入出力端子
のそれぞれ―方の端子を接続して構成していることを特
徴とする対称形DC/DCコンバータ。 - 【請求項3】 請求項1に記載の対称形DC/DCコン
バータにおいて、前記一対のスイッチ手段は4つのスイ
ッチ部を備え、前記スイッチ部が開放および短絡を適当
な間隔で高速切り換えできる機構と短絡状態を維持する
機構と一方向のみに電流を流せることが可能な整流機構
を備えていることを特徴とする対称形DC/DCコンバ
ータ。 - 【請求項4】 請求項1に記載の対称形DC/DCコン
バータにおいて、前記一対のスイッチ手段は4つのスイ
ッチ部を備え、前記スイッチ部を少なくとも一つが同期
整流方式を用いた整流機構を備えていることを特徴とす
る対称形DC/DCコンバータ。 - 【請求項5】 請求項1に記載の対称形DC/DCコン
バータにおいて、前記一対のスイッチ手段の一方は第1
及び第2のスイッチ部を備え、前記一対のスイッチ手段
の内の他方は第3及び第4のスイッチ部を備え、入出力
のそれぞれ一方を共通に接続している端子を入出力共通
端子とし、入力端子とインダクタの間の前記第1のスイ
ッチ部を短絡状態に、前記第1のスイッチ部とインダク
タとの間の接続部と入出力共通部との間の前記第2のス
イッチ部を開放状態に、出力端子とインダクタの間の第
3のスイッチ部をインダクタから出力端子に電流が流れ
る方向に整流される状態に、前記第3のスイッチ部とイ
ンダクタとの間の接続部と入出力共通部との間の第4の
スイッチ部を開放および短絡を適当な間隔で高速切り換
えできる状態にして、前記第1から第4のスイッチ部の
開放および短絡の切り換え間隔を制御することにより、
入力電圧を任意の電圧に昇圧して出力することができる
ことを特徴とする対称形DC/DCコンバータ。 - 【請求項6】 請求項1に記載の対称形DC/DCコン
バータにおいて、前記一対のスイッチ手段の一方は第1
及び第2のスイッチ部を備え、前記一対のスイッチ手段
の内の他方は第3及び第4のスイッチ部を備え、入力端
子とインダクタの間の前記第1のスイッチ部を開放およ
び短絡を適当な間隔で高速切り換えできる状態に、前記
第1のスイッチ部とインダクタとの間の接続部と前記入
出力共通部との間の前記第2スイッチ部を入出力共通部
からインダクタに電流が流れる方向に充電される状態
に、出力端子とインダクタの間の第3のスイッチ部を短
絡状態に、前記第3のスイッチ部とインダクタとの間の
接続部と入出力共通部との間の第4のスイッチ部を開放
状態にして、前記開放および短絡を切り換えることがで
きる前記第1から第4のスイッチ部の開放および短絡の
切り換え間隔を制御することにより、入力電圧を任意の
電圧に降圧して出力することができることを特徴とする
対称形DC/DCコンバータ。 - 【請求項7】 請求項1に記載の対称形DC/DCコン
バータにおいて、2つある入出力端子の両方の電圧もし
くは電流をそれぞれ測定し、前記入出力端子の状態を認
識することによってエネルギを移送する向きを自動的に
判断し、開放と短絡を適当な間隔で高速切り換えできる
状態、短絡を維持する状態、一方向のみに電流を流すこ
とが可能な状態のうち、任意の状態に4つのスイッチ部
を制御することが可能な制御装置を備え、前記4つのス
イッチ部は前記一対のスイッチ手段を構成していること
を特徴とする対称形DC/DCコンバータ。 - 【請求項8】 請求項1に記載の対称形DC/DCコン
バータにおいて、2つある入出力端子の両方の電圧もし
くは電流をそれぞれ測定し、前記入出力端子の状態を判
断し、前記入出力端子の状態の情報と外部から得られる
情報とを総合的に検討してエネルギを移送する向きを自
動的に判断し、開放と短絡を適当な間隔で高速切り換え
できる状態、短絡を維持する状態、一方向のみに電流を
流すことが可能な状態のうち、任意の状態に4つのスイ
ッチ部を制御することが可能な制御装置を備え、前記4
つのスイッチ部は前記一対のスイッチ手段を構成してい
ることを特徴とする対称形DC/DCコンバータ。
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