JP2008035620A

JP2008035620A - 双方向ｄｃ−ｄｃコンバータ

Info

Publication number: JP2008035620A
Application number: JP2006206320A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Yokoyama; 晋一横山; Fumiaki Ihara; 文明伊原
Original assignee: Fujitsu Telecom Networks Ltd
Current assignee: Fujitsu Telecom Networks Ltd
Priority date: 2006-07-28
Filing date: 2006-07-28
Publication date: 2008-02-14

Abstract

【課題】バッテリの充放電を行わせる双方向ＤＣ−ＤＣコンバータに関し、省スペース化並びに低コスト化を図る。
【解決手段】第１〜第４の電界効果トランジスタＱ１〜Ｑ４をフルブリッジ接続し、このフルブリッジ接続の一方の対向端子（第１，第３の電界効果トランジスタＱ１，Ｑ３の接続点と、第２，第４の電界効果トランジスタＱ２，Ｑ４の接続点との間）に電源３を接続し、他方の対向端子（第１，第２の電界効果トランジスタＱ１，Ｑ２の接続点と、第３，第４の電界効果トランジスタＱ３，Ｑ４の接続点との間）にチョークコイルＬ１を介してバッテリ１を接続し、第１〜第４の電界効果トランジスタＱ１〜Ｑ４のオン、オフを制御して、バッテリ１の充電又は放電を行わせる制御部４を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、バッテリの特性試験等に於けるバッテリの充電と放電との制御を行う双方向ＤＣ−ＤＣコンバータに関する。

バッテリの特性試験は、充電電流と端子電圧とを基にした充電特性と、放電電流と端子電圧とを基にした放電特性と、充電と放電との繰り返しによる充放電特性等を測定するものであり、従って、バッテリの充電を行う為の充電装置と、放電を行う為の電子負荷装置等の放電装置とを設ける場合が一般的である。例えば、図１１に示すように、試験するバッテリ１００に対して、バイアス電源１０１と昇圧チョッパ回路１０２と降圧チョッパ回路１０３と電源１０４とを設け、電源１０４の電圧を降圧チョッパ回路１０３により降圧してバッテリ１００を充電し、又放電は、バッテリ１００の端子電圧が零程度でも放電可能とする為のバイアス電源１０１を介して、昇圧チョッパ回路１０２により電源１０４の電圧より高くすることにより、電源１０４に戻すように放電を行わせるものである。

しかし、このようにバッテリの充電用の降圧チョッパ回路１０３と、放電用の昇圧チョッパ回路１０２等のそれぞれ専用の装置を設けることは、スペース的にも又コスト的にも不利である。そこで、充電用と放電用とのそれぞれの構成の一部を共通化した双方向ＤＣ−ＤＣコンバータが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この双方向ＤＣ−ＤＣコンバータは、降圧型チョッパ回路と昇圧型チョッパ回路との何れかの動作を行うように構成し、バッテリの充電を行う時は、降圧型チョッパ回路としてスイッチング動作を行う電界効果トランジスタを動作させ、且つ昇圧型チョッパ回路を構成する電界効果トランジスタの寄生ダイオードを利用し、又バッテリの放電を行う時は、昇圧型チョッパ回路としてスイッチング動作を行う電界効果トランジスタを動作させ、且つ降圧型チョッパ回路を構成する電界効果トランジスタの寄生ダイオードを利用する構成を有するものである。又電界効果トランジスタ等のスイッチング素子をブリッジ接続したフルブリッジコンバータは、各種の電源装置等に利用されている（例えば、特許文献２参照）。
特開２００３−３０４６４４号公報特開２００６−６７６７２号公報

従来例の例えば図１１に示す構成は、バッテリの充電用と放電用とのそれぞれ専用の構成を用いるものであるから、スペース的にもコスト的にも不利であり、又前記特許文献１に示す双方向ＤＣ−ＤＣコンバータは、充電用の降圧型チョッパ回路と放電用の昇圧型チョッパ回路との構成の一部を共用化して、スペース的並びにコスト的な点を改善することができるが、未だ充分ではない問題がある。

本発明は、従来の問題点を解決するもので、バッテリの充電用と放電用との構成を共用化して、省スペース化並びに低コスト化を図ることを目的とする。

本発明の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータは、バッテリの充電及び放電を行わせる双方向ＤＣ−ＤＣコンバータに於いて、電界効果トランジスタをフルブリッジ接続して、該フルブリッジ接続の一方の対向端子に電源を接続し、他方の対向端子にチョークコイルを介して前記バッテリを接続し、前記電界効果トランジスタのオン、オフを制御して、前記バッテリの充電又は放電を行わせる制御部を備えている。

又バッテリの充電及び放電を行わせる双方向ＤＣ−ＤＣコンバータに於いて、第１、第２の電界効果トランジスタを直列に接続し、第３、第４の電界効果トランジスタを直列に接続し、前記第１の電界効果トランジスタと前記第３の電界効果トランジスタとの接続点と前記第２の電界効果トランジスタと前記第４の電界効果トランジスタとの接続点とを電源に接続し、前記第１の電界効果トランジスタと前記第２の電界効果トランジスタとの接続点と前記第３の電界効果トランジスタと前記第４の電界効果トランジスタとの接続点とにチョークコイルを介して前記バッテリを接続し、前記第１〜第４の電界効果トランジスタのオン、オフを制御して、前記バッテリの充電又は放電を行わせる制御部とを備えている。

又前記制御部は、前記第１及び第４の電界効果トランジスタをオンとして前記電源から前記チョークコイルを介して前記バッテリを充電した後、前記第１及び第４の電界効果トランジスタをオフとして、前記第２及び第３の電界効果トランジスタの寄生ダイオードを介して前記チョークコイルの蓄積エネルギによる前記バッテリの充電電流を前記電源に回生電力として流す制御を行う構成を有するものである。

又前記制御部は、前記第１及び第４の電界効果トランジスタをオンとして前記電源から前記チョークコイルを介して前記バッテリを充電した後、前記第４の電界効果トランジスタをオンとして、該第４の電界効果トランジスタと前記第２の電界効果トランジスタの寄生ダイオードとを介して前記チョークコイルの蓄積エネルギによる前記バッテリの充電電流を流す制御を行う構成を有するものである。

又前記制御部は、前記第２及び第３の電界効果トランジスタをオンとして前記電源の電圧を前記バッテリの電圧と加算した電圧により前記チョークコイルを介して前記バッテリの放電を行い、前記第２及び第３の電界効果トランジスタをオフとして、前記チョークコイルの蓄積エネルギによる電圧と前記バッテリの電圧との和により前記第１及び第４の電界効果トランジスタの寄生ダイオードを介して前記電源に回生電力として前記バッテリの放電を継続させる制御を行う構成を有するものである。

又前記制御部は、前記第２の電界効果トランジスタをオンとして該第２の電界効果トランジスタと前記第４の電界効果トランジスタの寄生ダイオードとを介して前記バッテリの放電を行い、前記第２の電界効果トランジスタをオフとして、記チョークコイルの蓄積エネルギによる電圧と前記バッテリの電圧との和により前記第１及び第４の電界効果トランジスタの寄生ダイオードを介して前記電源に回生電力として前記バッテリの放電を継続させる制御を行う構成を有するものである。

フルブリッジ接続の電界効果トランジスタからなる構成を、バッテリの充電用と放電用とに共用化できるから、省スペース化並びに低コスト化を図ることができる。又チョークコイルの蓄積エネルギを利用することにより、バッテリの放電時のバイアス用の電源を不要とすることができる。

本発明の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータは、図１を参照して説明すると、第１〜第４の電界効果トランジスタＱ１〜Ｑ４をフルブリッジ接続し、このフルブリッジ接続の一方の対向端子（第１，第３の電界効果トランジスタＱ１，Ｑ３の接続点と、第２，第４の電界効果トランジスタＱ２，Ｑ４の接続点との間）に電源３を接続し、他方の対向端子（第１，第２の電界効果トランジスタＱ１，Ｑ２の接続点と、第３，第４の電界効果トランジスタＱ３，Ｑ４の接続点との間）にチョークコイルＬ１を介してバッテリ１を接続し、第１〜第４の電界効果トランジスタＱ１〜Ｑ４のオン、オフを制御して、バッテリ１の充電又は放電を行わせる制御部４を備えている。

図１は、本発明の実施例１の説明図であり、１はバッテリ、２は電流検出部、３は電源、Ｖｉｎ＋，Ｖｉｎ−は電源電圧、４は制御部、５，６は演算増幅器からなる誤差増幅器、７は制御信号出力部、ｃｏｎｔは（充電・放電）として示すように、バッテリ１に対する充電又は放電を指示する制御信号、Ｌ１はチョークコイル、Ｃ１，Ｃ２はコンデンサ、Ｑ１〜Ｑ４は第１〜第４の電界効果トランジスタを示し、点線で示すダイオードは、寄生ダイオードを示す。この第１〜第４の電界効果トランジスタＱ１〜Ｑ４の中の第１、第２の電界効果トランジスタＱ１，Ｑ２を直列に接続し、第３、第４の電界効果トランジスタＱ３，Ｑ４を直列に接続したフルブリッジ接続構成とし、フルブリッジ接続の一方の対向端子、即ち、第１，第３の電界効果トランジスタＱ１，Ｑ３の接続点と第２，第４の電界効果トランジスタＱ２，Ｑ４の接続点との間に電源３を接続し、他方の対向端子、即ち、第１，第２の電界効果トランジスタＱ１，Ｑ２の接続点と第３，第４の電界効果トランジスタＱ３，Ｑ４の接続点との間にチョークコイルＬ１を介してバッテリ１を接続する。

又バッテリ１の充電電流又は放電電流を電流検出部２により検出して、誤差増幅器５により参照電圧ｒｅｆと比較し、その差分を誤差増幅器６に入力し、鋸歯状波信号との比較によるパルス幅変調信号を形成して制御信号出力部７に入力する。参照電圧ｒｅｆは、所望の充電電流又は放電電流の設定値に対応した値とするものである。制御信号出力部７は、バッテリ１の充電又は放電を指示する制御信号ｃｏｎｔに従って、第１〜第４の電界効果トランジスタＱ１〜Ｑ４のオン、オフを制御すると共にそのオン期間を制御する。

以下図２〜図９を参照してバッテリの充電及び放電の動作を説明する。なお、電流検出部２と制御部４とは図示を省略している。又図２〜図５はバッテリの充電時の動作、図６〜図９はバッテリの放電時の動作を示すもので、制御ステージを、第１ステージ、第２ステージＳｔａｇｅ１，Ｓｔａｇｅ２とし、各ステージに於ける電界効果トランジスタＱ１〜Ｑ４のオンはＯＮとして示し、オフは無印として示す。又各ステージに於ける電界効果トランジスタのオン期間は、図１に示す電流検出部２による検出電流値が設定値を超えないように、前述のように、制御部４により制御される。又制御ステージは、第１、第２の２ステージからなる場合を示すが、更に増加して細かい制御を行うことも可能である。

又バッテリの充電の場合、充電制御を示す制御信号ｃｏｎｔを、図１に示す制御部４の制御信号出力部７に入力する。それにより、電界効果トランジスタＱ１〜Ｑ４のオン、オフを制御する制御信号がそれぞれのゲートに印加される。この充電制御の場合、図２と図３とに示す制御と、図４と図５とに示す制御との何れかを選択することができるもので、図２に於いては、第１ステージに、制御信号出力部７（図１参照）から第１，第４の電界効果トランジスタＱ１，Ｑ４の黒丸印で示すゲート端子に制御信号を加えることにより、電界効果トランジスタＱ１，Ｑ４をオンとし、第２，第３の電界効果トランジスタＱ２，Ｑ３をオフのままとする。それにより、電源３から矢印方向に電流が流れてバッテリ１を充電する。次の第２ステージでは、図３に示すように、第１〜第４の電界効果トランジスタＱ１〜Ｑ４をオフとする。この時、チョークコイルＬ１による蓄積エネルギにより、第２，第３の電界効果トランジスタＱ２，Ｑ３の寄生ダイオードを介して矢印方向に電流が流れ、バッテリ１の充電を継続すると共に、電源３に回生電力として供給する方向の電流が流れる。

図４と図５とに示す制御は、第１ステージに、第１，第４の電界効果トランジスタＱ１，Ｑ４の黒丸印で示すゲート端子に制御信号を加えてオンとし、第２，第３の電界効果トランジスタＱ２，Ｑ３はオフとする。それにより、図４に示すように、バッテリ１を充電する矢印方向の電流が流れる。この第１ステージは、図２に示す場合と同様である。次の第２ステージに、図５に示すように、第４の電界効果トランジスタＱ４の黒丸印で示すゲート端子に制御信号を加えてオンとし、第１〜第３の電界効果トランジスタＱ１〜Ｑ３をオフとする。それにより、チョークコイルＬ１による蓄積エネルギにより、オン状態となった電界効果トランジスタＱ４と、オフ状態の電界効果トランジスタＱ２の寄生ダイオードとを介して、矢印方向の電流が流れることにより、バッテリ１の充電を継続する。

又バッテリの放電の場合も、図６と図７とに示す制御と、図８と図９とに示す制御との何れかを選択することができるものであり、図６に於いては、第１ステージに於いて第２，第３の電界効果トランジスタＱ２，Ｑ３の黒丸印で示すゲート端子に制御信号を加えてオンとする。それにより、バッテリ１の電圧と電源３の電圧との和による電圧によって、矢印方向にバッテリ１の放電電流が流れる。この場合、バッテリ１の電圧が零に近い状態であっても、バイアス電源を必要とすることなく、バッテリ１の放電を行わせることができる。次の第２ステージに於いては、図７に示すように、第１〜第４の電界効果トランジスタＱ１〜Ｑ４をオフとする。その時、チョークコイルＬ１の蓄積エネルギにより、バッテリ１の電圧を昇圧した状態となり、電界効果トランジスタＱ１，Ｑ４の寄生ダイオードを介して電源３側に、矢印で示すように、バッテリ１の放電電流が流れる。この放電制御に於いても、図１に示す電流検出部２による検出電流が設定値を超えないように、オン期間を制御することができる。

又図８と図９とに示す制御は、図８に示すように、第１ステージに第２の電界効果トランジスタＱ２の黒丸印で示すゲート端子に制御信号を加えてオンとすると、このオン状態の第２の電界効果トランジスタＱ２と、オフ状態の第４の電界効果トランジスタＱ４の寄生ダイオードとを介して、矢印方向にバッテリ１の放電電流が流れる。次の第２ステージには、図９に示すように、第１〜第４の電界効果トランジスタＱ１〜Ｑ４をオフとする。それ時、チョークコイルＬ１の蓄積エネルギにより、バッテリ１の電圧を昇圧した状態となり、第１，第４の電界効果トランジスタＱ１，Ｑ４の寄生ダイオードを介して電源３側に、矢印で示すように、バッテリ１の放電電流が流れ、バッテリ１の放電を継続することができる。

図１０は、本発明の実施例２の説明図であり、２０はバッテリ、２１は回生型バッテリ充放電システム、２２は双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ、２３は交流回生コンバータ、２４は絶縁トランス、２５は制御コンピュータ、２６は安全保護部、２７は計測部を示す。双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２２は、前述の実施例１により説明した双方向ＤＣ−ＤＣコンバータであり、バッテリ２０の充電及び放電を制御する。又双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２２の電源として、交流回生コンバータ２３と絶縁トランス２４とを介して、例えば、３相交流２００Ｖ又は４００Ｖ（３φＡＣ２００Ｖ／４００Ｖ）を用いる場合を示す。

又制御コンピュータ２５は、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２２によるバッテリ２０の充電又は放電を制御し、又計測部２７によりバッテリ２０の充放電特性の測定を行わせ、又安全保護部２６を制御して、バッテリ２０と双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２２と交流回生コンバータ２３に障害が発生しないように監視する。バッテリ２０の充電は、絶縁トランス２４を介して交流回生コンバータ２３に入力される交流電圧を直流電圧に変換し、その直流電圧を双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２２に入力してバッテリ２０に充電電流を供給する。又前述の図３、図７及び図９に示すように、充電と放電との過程に於いて電源への電流が流れる場合、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２２から交流回生コンバータ２３側に電流が流れる状態であり、交流回生コンバータ２３は、この直流の電流を３相交流に変換し、絶縁トランス２４を介して交流電源側への回生電力とする。従って、バッテリ２０の充電及び放電を、共通の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２２により行うものであるから、省スペース化と低コスト化とを図ることができる。

本発明の実施例１の説明図である。本発明の実施例１の動作説明図である。本発明の実施例１の動作の説明図である。本発明の実施例１の動作の説明図である。本発明の実施例１の動作の説明図である。本発明の実施例１の動作の説明図である。本発明の実施例１の動作の説明図である。本発明の実施例１の動作の説明図である。本発明の実施例１の動作の説明図である。本発明の実施例２の説明図である。従来例の説明図である。

符号の説明

１バッテリ
２電流検出部
３電源
４制御部
Ｑ１〜Ｑ４第１〜第４の電界効果トランジスタ
Ｌ１チョークコイル
Ｃ１，Ｃ２コンデンサ

Claims

バッテリの充電及び放電を行わせる双方向ＤＣ−ＤＣコンバータに於いて、
電界効果トランジスタをフルブリッジ接続して、該フルブリッジ接続の一方の対向端子に電源を接続し、他方の対向端子にチョークコイルを介して前記バッテリを接続し、前記電界効果トランジスタのオン、オフを制御して、前記バッテリの充電又は放電を行わせる制御部を備えた
ことを特徴とする双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ。
バッテリの充電及び放電を行わせる双方向ＤＣ−ＤＣコンバータに於いて、
第１、第２の電界効果トランジスタを直列に接続し、第３、第４の電界効果トランジスタを直列に接続し、前記第１の電界効果トランジスタと前記第３の電界効果トランジスタとの接続点と前記第２の電界効果トランジスタと前記第４の電界効果トランジスタとの接続点とを電源に接続し、前記第１の電界効果トランジスタと前記第２の電界効果トランジスタとの接続点と前記第３の電界効果トランジスタと前記第４の電界効果トランジスタとの接続点とにチョークコイルを介して前記バッテリを接続し、前記第１〜第４の電界効果トランジスタのオン、オフを制御して、前記バッテリの充電又は放電を行わせる制御部とを備えた
ことを特徴とする双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ。
前記制御部は、前記第１及び第４の電界効果トランジスタをオンとして前記電源から前記チョークコイルを介して前記バッテリを充電した後、前記第１及び第４の電界効果トランジスタをオフとして、前記第２及び第３の電界効果トランジスタの寄生ダイオードを介して前記チョークコイルの蓄積エネルギによる前記バッテリの充電電流を前記電源に回生電力として流す制御を行う構成を有することを特徴とする請求項２記載の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ。
前記制御部は、前記第１及び第４の電界効果トランジスタをオンとして前記電源から前記チョークコイルを介して前記バッテリを充電した後、前記第４の電界効果トランジスタをオンとして、該第４の電界効果トランジスタと前記第２の電界効果トランジスタの寄生ダイオードとを介して前記チョークコイルの蓄積エネルギによる前記バッテリの充電電流を流す制御を行う構成を有することを特徴とする請求項２記載の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ。
前記制御部は、前記第２及び第３の電界効果トランジスタをオンとして前記電源の電圧を前記バッテリの電圧と加算した電圧により前記チョークコイルを介して前記バッテリの放電を行い、前記第２及び第３の電界効果トランジスタをオフとして、前記チョークコイルの蓄積エネルギによる電圧と前記バッテリの電圧との和により前記第１及び第４の電界効果トランジスタの寄生ダイオードを介して前記電源に回生電力として前記バッテリの放電を継続させる制御を行う構成を有することを特徴とする請求項２記載の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ。
前記制御部は、前記第２の電界効果トランジスタをオンとして該第２の電界効果トランジスタと前記第４の電界効果トランジスタの寄生ダイオードとを介して前記バッテリの放電を行い、前記第２の電界効果トランジスタをオフとして、記チョークコイルの蓄積エネルギによる電圧と前記バッテリの電圧との和により前記第１及び第４の電界効果トランジスタの寄生ダイオードを介して前記電源に回生電力として前記バッテリの放電を継続させる制御を行う構成を有することを特徴とする請求項２記載の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ。