JP6184530B2 - 放電装置 - Google Patents
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Description
まず始めに、スイッチ素子に通電する電流と、電源変動を平滑するための蓄電素子との関係について説明する。スイッチ素子に通電する電流が大きいほどエネルギー変動が大きくなるため、電源変動も大きくなる。エネルギー変動を電源に伝達させないためには、エネルギー変動を受けきれる容量を備えた蓄電素子が必要となる。従って、スイッチ素子に通電する電流が大きいほど、電源変動を平滑するための蓄電素子の容量は大きくなり、蓄電素子に充電されるエネルギーも大きくなる。
図1は、本発明の実施の形態1に係る放電装置の一例を説明する回路図である。本実施の形態1における放電装置は、制御部1、スイッチング部2、同容量である第1の蓄電素子3と第2の蓄電素子4、および電源装置5により構成されている。ここで、スイッチング部2は、第1のスイッチ素子21と第2のスイッチ素子22が直列接続されて構成されている。また、電源装置5は、スイッチ素子51と電源52が直列接続されて構成されている。
・第1の蓄電素子3は、電源装置5により、エネルギーが充電された状態であり、スイッチ素子51により電源52のプラス端子と切り離された状態である。
・第2の蓄電素子4は、エネルギーが空の状態である。
・スイッチング部2は、制御部1から制御信号を受け、第1のスイッチ素子21がOFF状態、第2のスイッチ素子22がON状態である。
(手順1)
まず、スイッチング部2は、制御部1から制御信号を受け、第1のスイッチ素子21をOFF状態からON状態に、第2のスイッチ素子22をON状態からOFF状態に切り換える。この結果、第1の蓄電素子3と第2の蓄電素子4は、第1のスイッチ素子21を介して直列に接続される。
次に、スイッチング部2は、制御部1から制御信号を受け、第1のスイッチ素子21をON状態からOFF状態に、第2のスイッチ素子22をOFF状態からON状態に切り換える。この結果、第1の蓄電素子3と第2の蓄電素子4は、切り離され、第2の蓄電素子4は、第2のスイッチ素子22を介して短絡状態となる。
次に、スイッチング部2は、制御部1から制御信号を受け、第1のスイッチ素子21をOFF状態からON状態に切り換える。この結果、第1の蓄電素子3および第2の蓄電素子4は、ともに短絡状態となる。
図2は、本発明の実施の形態1に係る第1のスイッチ素子21のトータル損失の時間応答波形を示す図である。図2において、横軸は時間、縦軸は第1のスイッチ素子21のトータル損失を示す。また、図2に示した(a)、(b)、(e)は、それぞれ、以下の内容を示している。なお、(b)、(c)については、後述する。
(b)は、第1のスイッチ素子21およびの第2のスイッチ素子22がONとなるアーム短絡時において、手順1よりも前の第1の蓄電素子3に充電されていたエネルギーを消費する際の第1のスイッチ素子21のトータル損失である。
(e)は、第1のスイッチ素子21における最大許容発熱量における最大許容損失である。
T=Rth×Ploss (1)
熱抵抗が一定であれば、最大許容発熱量における最大許容損失は、上式(1)から容易に求めることができる。
(i)は、第1のスイッチ素子21の最大定格温度を示している。
(j)は、第1のスイッチ素子21が最大トータル損失における温度に到達する時間を示している。
(効果1)第1のスイッチ素子21のみをON状態とする手順1においては、第1の蓄電素子3の電圧と第2の蓄電素子4の電圧が均衡すれば、それ以降の時間、第1のスイッチ素子21のON状態が継続していたとしても、第1の蓄電素子3から第2の蓄電素子4へのエネルギー移動が行われない。この結果、手順1を開始してから手順2に移行するまでの時間は、図3に示した時間(j)以上の値として設定すればよく、設定自由度が増大する。これにより、手順1から手順2への切り替えタイミングを、高性能制御ICを用いて高速処理する必要がなくなる。
(l)は、本実施の形態1の図2の構成(すなわち、放電抵抗6を有している場合)における第1のスイッチ素子21の通電電流を示している。
放電開始時の電流(突入電流)は、(k)よりも(l)の方が小さいことがわかる。
次に、本発明の実施の形態2に係る放電装置について説明する。図6は、本発明の実施の形態2に係る放電装置の一例を説明する回路図である。本実施の形態2における図6に示した構成は、先の実施の形態1における図1に示した構成と比較すると、電圧検出部7をさらに備えている点が異なっている。そこで、相違点である電圧検出部7の働きを中心に、以下に説明する。
・第1の蓄電素子3は、電源装置5により、エネルギーが充電された状態であり、スイッチ素子51により電源52のプラス端子と切り離された状態である。
・また、第2の蓄電素子4の電圧は、第1の蓄電素子3の電圧よりも低い任意の電圧であり、第2の蓄電素子4に充電されているエネルギーは、第1の蓄電素子3に充電されているエネルギーより小さい状態である。
・さらに、スイッチング部2は、制御部1から制御信号を受け、第1のスイッチ素子21がOFF状態であり、第2のスイッチ素子22がOFF状態である。
(手順1)
まず、電圧検出部7は、制御部1から制御信号を受けることで、スイッチ素子75、76をON状態とする。この結果、制御部1は、分圧抵抗71、72を用いて第1の蓄電素子3の電圧を検出し、分圧抵抗73、74を用いて第2の蓄電素子4の電圧を検出する。
制御部1は、電圧検出結果に基づいて、第1の蓄電素子3と第2の蓄電素子4の電圧値を比較する。ここで、先の前提として、第2の蓄電素子4の電圧が第1の蓄電素子3の電圧よりも低い任意の電圧であるとした。しかしながら、制御部1は、もしも、蓄電素子4の電圧が蓄電素子3の最大定格電圧であった場合には、スイッチ素子76をON状態とし、第2の蓄電素子4の電圧を、第1の蓄電素子3の最大定格電圧より低くする。また、制御部1は、第2の蓄電素子4の電圧が第1の蓄電素子3の電圧と同じであった場合には、手順4を実施する。
スイッチング部2は、制御部1から制御信号を受け、第1のスイッチ素子21をOFF状態からON状態に、第2のスイッチ素子22をON状態からOFF状態に切り換える。この結果、第1の蓄電素子3と第2の蓄電素子4は、第1のスイッチ素子21を介して直列に接続される。
次に、スイッチング部2は、制御部1から制御信号を受け、第1のスイッチ素子21をON状態からOFF状態に、第2のスイッチ素子22をOFF状態からON状態に切り換える。この結果、第1の蓄電素子3と第2の蓄電素子4は、切り離され、第2の蓄電素子4は、第2のスイッチ素子22を介して短絡状態となる。
先の実施の形態1で示した図2における(d)は、本実施の形態2における第2の蓄電素子4の電圧を、第1の蓄電素子3の最大定格電圧よりも低い任意の電圧に制御した場合における、第1のスイッチ素子21のトータル損失である。図2からわかるように、(d)は(e)を超えることはないため、第1のスイッチ素子21は、故障に至ることはない。
次に、本実施の形態3では、マルチレベルチョッパ回路に本発明の放電装置を適用する場合について説明する。図7は、本発明の実施の形態3に係る放電装置の一例を説明する回路図である。図7に示した構成は、先の実施の形態1における図1に示した構成と比較すると、スイッチング部2の構成が異なっている。図7において、符号2は実施の形態3に係るスイッチング部2を示している。そこで、相違点であるスイッチング部2の構成・働きを中心に、以下に説明する。
・第1の蓄電素子3は、電源装置5により、エネルギーが充電された状態であり、スイッチ素子51により電源52のプラス端子と切り離された状態である。
・第2の蓄電素子4は、エネルギーが空の状態である。
・スイッチング部2は、制御部1から制御信号を受け、第1のスイッチ素子21がOFF状態、第2のスイッチ素子22がON状態であるとともに、第3のスイッチ素子201および第4のスイッチ素子202がON状態である。
次に、本発明の実施の形態4に係る放電装置について説明する。図8は、本発明の実施の形態4に係る放電装置の一例を説明する回路図である。本実施の形態4における図8に示した構成は、先の実施の形態1における図1に示した構成と比較すると、スイッチング部2および蓄電部8(第2の蓄電素子に相当)が、3段の並列回路で構成されている点が異なっている。図8において、符号2は、本実施の形態4に係るスイッチング部2を示し、符号8は、本実施の形態4に係る3並列された第2の蓄電素子81〜83からなる蓄電部8を示している。
・第1の蓄電素子3は、電源装置5により、エネルギーが充電された状態であり、スイッチ素子51により電源52のプラス端子と切り離された状態である。
・蓄電部8を構成する3つの第2の蓄電素子81〜83は、いずれもエネルギーが空の状態である。
・スイッチング部2は、制御部1から制御信号を受け、第1のスイッチ素子21、23、25がOFF状態、第2のスイッチ素子22、24、26がON状態である。
(手順1)
実施の形態1と同様に、スイッチング部2は、制御部1から制御信号を受け、第1のスイッチ素子21、23、25をOFF状態からON状態に、第2のスイッチ素子22、24、26をON状態からOFF状態に切り換える。この結果、第1の蓄電素子3と、3つの第2の蓄電素子81〜83が並列接続されて構成された蓄電部8は、第1のスイッチ素子21、23、25を介して直列に接続される。
次に、実施の形態1と同様に、スイッチング部2は、制御部1から制御信号を受け、第1のスイッチ素子21、23、25をON状態からOFF状態に、第2のスイッチ素子22、24、26をOFF状態からON状態に切り換える。この結果、第1の蓄電素子3と蓄電部8は、切り離され、蓄電部8は、第2のスイッチ素子22、24、26を介して短絡状態となる。
次に、実施の形態1と同様に、スイッチング部2は、制御部1から制御信号を受け、第1のスイッチ素子21、23、25をOFF状態からON状態に切り換える。この結果、第1の蓄電素子3および蓄電部8は、ともに短絡状態となる。
Claims (8)
- 直列に接続された第1のスイッチ素子と第2のスイッチ素子を含んで構成されるスイッチング部と、
前記第1のスイッチ素子と前記第2のスイッチ素子が直列接続された前記スイッチング部の両端に並列に接続され、エネルギーが充電された第1の蓄電素子と、
前記スイッチング部の一部である前記第2のスイッチ素子の両端に並列に接続された第2の蓄電素子と、
前記第1のスイッチ素子および前記第2のスイッチ素子のON/OFF制御を行う制御部と
を備え、前記第1の蓄電素子に充電されたエネルギーを放電する放電装置であって、
前記制御部は、前記第1の蓄電素子に充電されたエネルギーの一部を前記第2の蓄電素子によって少なくとも1回は充電、放電させ、前記第1の蓄電素子に充電されたエネルギーを前記第1のスイッチ素子、前記第2のスイッチ素子のいずれか1つまたは全てで消費させながら放電させるように、前記第1のスイッチ素子および前記第2のスイッチ素子をON/OFF制御することで、前記第1の蓄電素子に充電されたエネルギーを、前記第2の蓄電素子に充電されるエネルギーに分割する手順1、前記手順1により前記第2の蓄電素子に充電されたエネルギーを放電する手順2、前記手順2の後に前記第1の蓄電素子に充電されているエネルギーを放電する手順3を順次実行する
放電装置。 - 請求項1に記載の放電装置において、
前記第1のスイッチ素子と、前記第2のスイッチ素子と、前記第2のスイッチ素子の両端に並列に接続された第2の蓄電素子とで構成される基本回路を複数並列接続した構成を有し、
前記制御部は、複数並列接続された前記基本回路のうちの少なくとも1つの回路に含まれる第1のスイッチ素子および第2のスイッチ素子をON/OFF制御することで、前記第1の蓄電素子に充電されたエネルギーの一部を前記ON/OFF制御する前記基本回路に含まれている第2の蓄電素子によって少なくとも1回は充電、放電させ、前記第1の蓄電素子に充電されたエネルギーを前記第1のスイッチ素子、および前記ON/OFF制御する前記基本回路に含まれている第2の蓄電素子のいずれか一部または全部で消費させながら放電させる
放電装置。 - 請求項1または2に記載の放電装置において、
前記第2の蓄電素子は、前記第1の蓄電素子よりも小さい容量であり、
前記制御部は、前記第1の蓄電素子に充電されたエネルギーの一部を前記第2の蓄電素子によって充電、放電させる前記手順1および前記手順2による動作を少なくとも2回は繰り返し行う
放電装置。 - 請求項1または2に記載の放電装置において、
前記制御部は、前記第1の蓄電素子に充電されたエネルギーの一部を前記第2の蓄電素子によって少なくとも1回は充電、放電させる際に、前記第2の蓄電素子の電圧を第1の蓄電素子の電圧よりも低い任意の電圧になるように前記第1のスイッチ素子および前記第2のスイッチ素子をON/OFF制御する
放電装置。 - 請求項1から4のいずれか1項に記載の放電装置において、
前記第2の蓄電素子に直列に接続された放電抵抗をさらに備え、
前記第2の蓄電素子と前記放電抵抗からなる直列回路が、前記第2のスイッチ素子の両端に並列に接続されており、
前記制御部は、前記第1のスイッチ素子および前記第2のスイッチ素子をON/OFF制御することで、前記第1の蓄電素子に充電されたエネルギーを、前記放電抵抗、前記第1のスイッチ素子、前記第2のスイッチ素子のいずれか一部または全部に消費させながら放電させる
放電装置。 - 請求項1から4のいずれか1項に記載の放電装置において、
前記第2の蓄電素子に直列に接続された誘導素子をさらに備え、
前記第2の蓄電素子と前記誘導素子からなる直列回路が、前記第2のスイッチ素子の両端に並列に接続されており、
前記制御部は、前記第1のスイッチ素子および前記第2のスイッチ素子をON/OFF制御することで、前記第1の蓄電素子に充電されたエネルギーを、前記誘導素子、前記第1のスイッチ素子、前記第2のスイッチ素子のいずれか一部または全部に消費させながら放電させる
放電装置。 - 請求項1から4のいずれか1項に記載の放電装置において、
前記第2の蓄電素子にそれぞれ直列に接続された放電抵抗および誘導素子をさらに備え、
前記第2の蓄電素子と前記放電抵抗と前記誘導素子からなる直列回路が、前記第2のスイッチ素子の両端に並列に接続されており、
前記制御部は、前記第1のスイッチ素子および前記第2のスイッチ素子をON/OFF制御することで、前記第1の蓄電素子に充電されたエネルギーを、前記放電抵抗、前記誘導素子、前記第1のスイッチ素子、前記第2のスイッチ素子のいずれか一部または全部に消費させながら放電させる
放電装置。 - 請求項1から4のいずれか1項に記載の放電装置において、
前記スイッチング部は、第3のスイッチ素子および第4のスイッチ素子をさらに含み、前記第1のスイッチ素子、前記第2のスイッチ素子、前記第3のスイッチ素子、前記第4のスイッチ素子の順に直列接続された構成を有し、
前記第2の蓄電素子は、前記スイッチング部の一部である前記第2のスイッチ素子と第3のスイッチ素子とで構成される直列回路の両端に並列に接続され、
前記制御部は、前記第1の蓄電素子に充電されたエネルギーの一部を前記第2の蓄電素子によって少なくとも1回は充電、放電させ、前記第1の蓄電素子に充電されたエネルギーを前記第1のスイッチ素子、前記第2のスイッチ素子、前記第3のスイッチ素子、および前記第4のスイッチ素子のいずれか一部または全部で消費させながら放電させるように、前記第1のスイッチ素子、前記第2のスイッチ素子、前記第3のスイッチ素子、および前記第4のスイッチ素子をON/OFF制御する
放電装置。
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