JPH06165407A

JPH06165407A - スイッチングコンバータ式充電器

Info

Publication number: JPH06165407A
Application number: JP35225192A
Authority: JP
Inventors: Toyonori Akiba; 豊知秋葉
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1992-11-24
Filing date: 1992-11-24
Publication date: 1994-06-10

Abstract

(57)【要約】【目的】力率がよく、６０〜７０℃の環境温度で長寿
命、また軽量小型な充電器を得る。【構成】電力系主回路が全波整流器のみでなる電源整
流回路と、一対の半導体スイッチ、リアクトル、プッシ
ュプル形トランス、整流器からなる電流形スイッチング
コンバータである。リアクトルの二次巻線は整流器を介
して負荷の蓄電池に接続される。半導体スイッチの時比
率は通常５０％〜７５％の範囲にあり、充電器入力電流
が交流電源の電圧に比例追従するよう時比率を制御す
る。時比率が５０％以下になっても、リアクトルの二次
回路が動作して異常電圧を生じない。充電器入力電流は
連続電流である。充電器保護のため、スイッチの制御電
源を蓄電池から供給する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、主として車載用蓄電池
等の充電器に係るものであり、詳しくは交流電源（一般
に商用電源）からの供給電圧を蕃電池電圧に変換して定
電流または定電圧で充電するための電力変換部分の構成
とその制御に関するものである。本発明の用途は蓄電池
の充電に限定されるものではなく、高精度を要しない数
十〜数百Ｗの定電流または定電圧装置として利用でき
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、車載用蓄電池の充電器としては、
図５に例示するように交流電源１の電圧をトランス５０
で所要電圧に降圧した後、全波整流器５１を介して蓄電
池５２を充電するものや、サイリスタやトライアック等
を使用して充電電流を制御するもの等がある。

【０００３】また、充電器を軽量、小型化する方法とし
て、スイッチング電源を利用したものがある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来の技術で述べたも
ののうち前者においては、容量が大きくなるとトランス
の寸法、重量共に大きくなる。また、電源電圧１サイク
ルの中での充電期間は、図６に示すように電源電圧６０
が蓄電池電圧６１を上回る期間に限られる。このような
尖頭電流は力率の低下を招く。

【０００５】後者のスイッチング電源の入力部には通
常、図７に例示するように平滑コンデンサ７１があり、
電解コンデンサを使用している。平滑コンデンサへの充
電は、電源電圧がコンデンサ電圧を上回る期間に限られ
るので前者と同様の力率低下がある。

【０００６】電解コンデンサは高温に弱く、スイッチン
グ電源の寿命は電解コンデンサの寿命で決まると言われ
ている。充電器の使用環境は６０〜７０℃と比較的高温
な場合があるので、これに耐える長寿命の電解コンデン
サの使用が必要である。

【０００７】スイッチング電源の力率改善策として、ス
イッチング電源の前段に、図８に要部を例示するような
力率改善装置（例えば、ＣＱ出版社トランジスタ技術
１９９０年９月号別冊参照）を設けることがある。
半導体スイッチ（以下、スイッチと言う）８２を高周波
開閉するとともに、平滑コンデンサ８４への充電電流の
波形が電源電圧のそれに比例するようスイッチ閉の時比
率（１サイクル中の閉時間の比率で以下、時比率と言
う）を制御するものである。この装置も平滑コンデンサ
として電解コンデンサを使用するので前述の考慮が必要
である。

【０００８】本発明の回路は図９に示す非エネルギー回
生形の電流形コンバータ（例えば、コロナ社原田他
スイッチングコンバータの基礎Ｐ３７参照）が基礎と
なっている。後で詳述するように、図９の構成では過負
荷保護動作等でスイッチの時比率を５０％以下にする
と、リアクトルやトランスの残留エネルギーが吸収され
ず、異常電圧を生じスイッチ等が破損する。また、後述
するように本発明の回路では平滑コンデンサがなく、整
流回酪の出力電圧が大幅に変化するので、全波整流電圧
に応ずる時比率の制御が必要である。

【０００９】本発明は、従来の技術が有するこのような
問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とすると
ころは、力率がよく、６０〜７０℃の環境温度に耐えて
長寿命、また軽量、小型な、充電器を提供しようとする
ものである。

【００１０】

【課題解決するための手段】本発明の構成は、蓄電池が
定電圧で大容量のコンデンサーと等価であることに着目
してなされている。以下図１〜図３を参照して説明す
る。上記目的を達成するため、本発明における充電器
は、電力系主回路が全波整流器のみでなる電源整流回路
と、スイッチ、リアクトル、トランス、整流器からなる
スイッチングコンバータで構成される。上記リアクトル
は二次巻線を有し、その一方の端子は整流器を介して負
荷の蓄電池の一方の電極に、他の端子は蓄電池の他方の
電極に接続される。トランスＢはプッシュプル形であ
る。

【００１１】蓄電池７の電圧と整流器（５、６）の順電
圧の和をＶＯ、トランスＢの一次巻線と、二次巻線の巻
線数比をＮＴ、交流電源電圧の最大値をＥＭＡＸとし
てＥＭＡＸ＜ＮＴ ×ＶＯを満たすようにＮＴを決定す
る。リアクトルＡの一次巻線８と二次巻線１０の巻線数
比ＮＲはスイッチの耐電圧とＥＭＡＸを考慮して決定す
る。

【００１２】スイッチ（３、４）の開閉周波数は交流電
源のそれに比し十分大きく選ぶ。スイッチ（３、４）の
開閉周波数は一定で、図２のＣ，Ｄに示すように互いに
位相差１８０°で開閉する。また、時比率は通常５０％
〜７５％の範囲にあり、両スイッチの閉期間は一部重な
っている。

【００１３】参照電流波４０の発生器即ち、交流電源と
同一周波数且つ同期した、平均値が充電器の定格出力電
流に比例する正弦波全波の発生器と、リアクトルＡの一
次巻線８の電流（以下、一次電流と言う）の検出手段
と、参照電流波と一次電流を比較してスイッチの時比率
を制御する手段で制御系を構成し、一次電流を参照電流
波に追従させる。具体例は実施例の項で述べる。

【００１４】上記制御系の直流電源を蓄電池７から供給
する。

【００１５】スイッチ（３、４）の開閉周波数を一定と
せず、トランスＢの磁束の振幅が一定となるよう、電源
電圧の変化に応じて周波数制御を行ってもよい。

【００１６】

【作用】先ず、時比率が５０％〜７５％の範囲にある通
常動作の場合を説明する。この場合、どの時点でもスイ
ッチ（３、４）のいずれかが閉であるから、一次電流は
連続して流れている。スイッチ（３、４）が共に閉の期
間はトランスＢが短絡状態で、リアクトルＡの一次巻線
８に全電圧がかかり、リアクトルにエネルギーが蓄積さ
れる。この期間、リアクトルＡの二次巻線１０（以下、
二次巻線と言う）には整流器９に阻止されて電流が流れ
ない。

【００１７】トランスＢの状態につき補足説明する。先
行して閉じているスイッチに流れている電流の方が他方
のそれより大きいが、各々の電流増加率は同じである。
各々の電流による磁束が逆向きとなるようにしてあるか
ら増加磁束分が相殺され、トランス磁束は一定となり誘
起電圧を生じない。

【００１８】どちらかのスイッチが開になると、前記の
ように充電時のトランス一次電圧は電源電圧より大きい
ので、リアクトルＡの一次巻線８の意圧は逆極性とな
り、電源電圧との和がトランスの一次巻線にかかる。蓄
電池７への充電動作は、その時点での電源電圧の大きさ
により次の二つのモードのいずれかになる。

【００１９】一つは、電源電圧の大きさＥが小さい領
域、即ちＥ＋ＮＲ×ＶＯ＜ＮＴ×ＶＯの場合で、リア
クトルのエネルギーは二次巻線を介して蓄電池に放出さ
れる。リアクトルの一次巻綜８の電圧が蓄電池の充電電
圧に相当するＮＲ×ＶＯになると、その値にクランプ
され、電源電圧との和即ち、トランスＢの一次巻線にか
かる電圧は蓄電池を充電するに足る電圧ＮＴ×ＶＯに
達しない。

【００２０】他の一つは、電源電圧の大きさＥが大きい
領域即ちＥ＋ＮＲ×ＶＯ＞ＮＴ×ＶＯの場合で、リ
アクトルのエネルギーはトランスＢを経て蓄電池に放出
される。トランスＢの一次巻線にかかる電圧が蓄電池を
充電するに足る電圧ＮＴ×ＶＯとなると、トランス一
次電圧がその値にクランプされ、リアクトルＡの一次巻
線８の電圧は蓄電池を充電するに足る電圧ＮＲ×ＶＯ
に達しない。

【００２０】かくしてリアクトルに蓄積されたエネルギ
ーは、電源電圧の大きさＥが小さい領域では二次巻綜を
介して、Ｅが大きい領域ではトランスを介して蓄電池に
放出される。全波整流器２の出力電圧は時間と共に大幅
に変化するが、リアクトルに上述のような機能があるた
め、電源電圧のほぼ全期間にわたって充電動作が行われ
る。

【００２１】次に、従来の技術の項で述べた時比率が５
０％以下、即ちスイッチ３、４が共に開となった場合を
説明する。リアクトルが付勢された状態でスイッチ３、
４が共に開となってリアクトルの一次巻線の両端電圧が
上昇しても、前記のようにＮＲ×ＶＯが上限であり、リ
アクトルのエネルギーが二次巻線を介して蓄電池に放出
され、異常電圧を生じない。

【００２２】前述のスイッチ（３、４）の時比率制御に
より、一次電流の波形が全波整流器２の出力電圧と同位
相で大きさがこれに比例する。

【００２３】スイッチ（３、４）の制御回路の直流電源
を蓄電池７から供給するようにしておくと、蓄電池を充
電器に未接続のまま充電器の電源を投入してもスイッチ
（３、４）がインタロックされる。蓄電池を未接続のま
まで電源を投入し、スイッチ（３、４）が動作すると、
リアクトルに蓄積されたエネルギーが吸収されず、異常
電圧が発生してスイッチ等が破損する。

【００２４】

【実施例】実施例について図１〜図４を参照して説明す
る。図１の構成、作用は説明済みで、ここでは数値例等
の補足説明をする。交流電源１を１００Ｖの商用電源、
蓄電池７の電圧を２４Ｖ、整流器（５、６、９）の順電
圧を１Ｖ、リアクトルのＮＲを２、トランスのＮＴを６
とすると、蓄電池への充電電流は全波整流器２の出力電
圧が０〜１００Ｖの範囲ではリアクトルの二次巻線か
ら、１００Ｖ〜１４１Ｖの範囲ではトランスから供給さ
れる。尚、充電器から蓄電池までのケーブルが長い場
合、整流器（５、６、９）の直後に蓄電池と並列にコン
デンサを接続するとよい。

【００２５】図２のＣ、Ｄは時比率が７５％の場合で、
このとき充電期間の比率が最大となる。スイッチング周
波数は例えば１００ｋＨｚである。Ｆは蓄電池充電電流
の、Ｇは一次電流のタイムチヤートであるが、判りやす
いよう電源電圧が一定即ち、時比率が一定の場合を示し
ている。これは図９の場合に相当する。本発明の場合の
一次電流の模式図が図４で、後で説明する。

【００２６】図３は、スイッチの時比率制御系の要部ブ
ロック図である。全波整流器２、参照電流波発生器３０
以外はプッシュプルの片側のみを図示している。

【００２７】参照電流波発生器３０は例えば、図示しな
いフォトカプラを介して全波整流器２の出力電圧を取り
出したものとする。同出力の電圧変動が無視出来ない場
合これを補償する。

【００２８】一次電流は変流器３１を介して検出する。
尚、一次電流の代わりに蓄電池７の充電電流を検出して
使用してもよい。

【００２９】Ｈは公知のスイッチング電源ＩＣである。
参照電流波発生器３０の出力電圧と変流器３１の検出電
圧の差を比較部３２で増幅し、パルス幅制御部３３でパ
ルス幅即ち時比率の制御を行う。

【００３０】図４の４１は上記の制御で得られる一次電
流の模式図であって、交流電源と同じ周波数の成分は参
照電流波４０と同形である。時比率は電源電圧の大きさ
と、その増加率によって変化する。

【００３１】

【発明の効果】本発明は、上述のとおり構成されている
ので、次に記載する効果を奏する。

【００３２】請求項１の充電器においては、リアクトル
の作用で、電源電圧が０となる時点を除く全期間で充電
動作が行われる。一次電流が連続しているので、充電器
から発生するスイッチングノイズが少ない。リアクトル
が二次巻線を有し、負荷の蓄電池に接続されているの
で、過負荷保護動作等でスイッチの時比率が５０％以下
になっても、充電器に異常電圧が発生しない。整流コン
デンサがないので長寿命である。高周波のスイッチング
コンバータであるから軽量、小型である。

【００３３】請求項２の充電器においては、一次電流が
交流電源と同位相で、電流の大きさが電源電圧のそれに
比例するので、充電器の力率がよい。

【００３４】請求項３の充電器においては、スイッチの
制御系の直流電源を負荷の蓄電池から供給するので、蓄
電池を充電器に未接続のまま充電源を投入してもスイッ
チがインタロックされ、スイッチ等を破損することがな
い。

【図面の簡単な説明】

【図１】充電器の電力系主回路図である。

【図２】主回路要部のタイムチャートである。

【図３】半導体スイッチの開閉時比率制御系の要部ブロ
ック図である。

【図４】参照電流波及び一次電流の模式図である。

【図５】充電器の従来技術の例を示す回酪図である。

【図６】充電電流の従来技術の例を示す図である。

【図７】スイッチング電源の要部の例を示すブロック図
である。

【図８】力率改善装置の要部の例を示すブロック図であ
る。

【図９】非エネルギー回生形の電流形コンバータの要部
を示す回路図である。

【符号の説明】

Ａ、８１、９３リアクトルＢ、Ｊ、５０トランスＣ半導体スイッチ３のタイムチャートＤ半導体スイッチ４のタイムチャートＦ充電電流のタイムチャートＧリアクトル一次巻線電流のタイムチャートＨスイッチング電源ＩＣ１交流電源２、５１、７０、８０全波整流器３、４、８２、９１、９２半導体スイッチ５、６、９、８３、９４、９５整流器７、５２、７３、８６蓄電池８一次巻線１０二次巻線２０閉期間２１開期間２２充電電流２３スイッチ３、４同時閉時のリアクトル一次巻線電
流２４スイッチ３、４いずれか開時のリアクトル一次巻
線電流３０参照電流波発生器３１変流器３２比較部３３パルス幅制御部４０参照電流波４１リアクトル一次巻線電流４２、６０電源電圧５０トランス６１蓄電池電圧６２充電電流７１、８４平滑コンデンサ７２、８５電力変換部９０直流電源９６コンデンサ９７負荷

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電力系主回路が全波整流器（２）、半導
体スイッチ（３、４）、リアクトル（Ａ）、トランス
（Ｂ）、整流器（５、６）で構成され、リアクトル
（Ａ）は二次巻線（１０）を有し、その一端が整流器
（９）を経て負荷の蓄電池（７）に接続されてなるスイ
ッチングコンバータ式充電器。
【請求項２】リアクトル（Ａ）の一次巻線（８）の電
流が全波整流器（２）の出力電圧に比例するよう半導体
スイッチ（３、４）の開閉時比率を制御する請求項１記
載のスイッチングコンバータ式充電器。
【請求項３】半導体スイッチ（３、４）の制御系の直
流電源を蓄電池（７）から供給する請求項１及び２記載
のスイッチングコンバータ式充電器。