电源装置的制作方法

本发明涉及在多个二次电池的输出侧连接切断负载电流的电流切断开关而成的电源装置，尤其涉及在以大电流向负载供给电流的状态、或者负载短路而流动大电流的状态下即便电流切断开关被切换为断开状态，电流切断开关也不会被在切换时产生的反冲电压雪崩击穿的电源装置。

背景技术：

电源装置设置了防止二次电池的过充电以及过放电，进而在过电流、电池温度变得比设定温度高时切断电流的电流切断开关。电流切断开关连接至二次电池的输出侧，切断充电电流以及负载电流。作为电流切断开关，使用作为半导体元件的fet。(参照专利文献1、2)

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开平9-163612号公报

专利文献2：日本特开2009-177937号公报

技术实现要素：

发明要解决的课题

专利文献1、2中记载的电池包将充电开关和放电开关串联连接在二次电池的输出侧，来防止二次电池的过充电、过放电。该电路结构的电池包若在连接电感性负载的状态下切断电流，则会产生反冲电压。反冲电压由于负载的电感中流动的电流的变化而产生，用以下所示的理论式来表不。

(反冲电压)＝-(负载的电感)×di/dt

此时产生的反冲的能量与负载的电感和电流的二次方的乘积成比例地变大。由于反冲电压与负载电流的变化率成比例地急剧变大，因此负载电流大的电源装置在切断电流的瞬间会对电流切断开关施加相当高的反冲电压。若该反冲电压超过电流切断开关的最大反向电压，则电流切断开关发生雪崩击穿。在此时产生的反冲的能量大的情况下，以至于雪崩击穿。电源装置并非始终连接具有电感的负载，但由于与电源装置连接的布线中也具有电感，因此无法使得完全没有负载的电感。尤其是，随着与负载连接的布线变长，电感变大，反冲电压和反冲的能量也变高。因此，电源装置具有在将电流切断开关切换为断开状态的瞬间产生反冲电压，该反冲电压使电流切断开关雪崩击穿的潜在风险。由于电源装置被使用于各种用途，因此负载电感、电流根据用途而变动。电源装置在电感增加，以端子间的短路时为代表供给大电流的状态下产生更大的反冲电压，因此在各种用途中能够安全使用的电源装置可靠地防止因反冲电压导致的电流切断开关的雪崩击穿是极其重要的。

关于因反冲电压导致的电流切断开关的雪崩击穿，在输出侧反向地连接二极管而能够吸收。其原因在于，反冲电压成为与输出电压反向的电压，呈由输出侧的电路和二极管形成的闭合回路。不过，若该电路结构的电源装置与充电器反向连接，则在二极管中流动过大的短路电流，因此在反向连接的状态下无法确保安全性。关于反向连接的安全性，与二极管串联地将熔丝、ptc所构成的尖峰吸收电路连接在正负的输出侧而能够消除。该尖峰吸收电路在将充电器反向连接的状态下，因二极管的过大电流而使熔丝熔断，或者使ptc跳闸来切断过大电流或者使过大电流衰减。然而，将熔丝串联连接的尖峰吸收电路一旦熔丝被熔断就无法保护电流切断开关以受到反冲电压影响，此外，连接ptc的尖峰吸收电路在跳闸时ptc的电阻增加，因此存在无法有效地防止因反冲电压导致的电流切断开关的雪崩击穿的缺点。

本发明正是以解决以往的上述缺点为目的而开发的。本发明的重要目的在于，提供一种可靠地防止因反冲电压导致的电流切断开关的雪崩击穿的同时防止将充电器反向连接时的过电流，来确保高的安全性的电源装置。

用于解决课题的手段以及效果

本发明的电源装置具备：多个二次电池；在二次电池的输出侧连接的半导体元件的电流切断开关；控制电路，将电流切断开关控制为接通断开；和尖峰吸收电路，连接在二次电池和电流切断开关的输出侧，由半导体元件的保护用开关和二极管的串联电路构成；小信号开关，将保护用开关控制为接通断开；和延迟电路，从电流切断开关被切换为断开状态的电流切断定时到预先设定的设定时间(t)，将小信号开关保持为接通状态。二极管相对于二次电池的正以及负的输出侧被反向地连接，延迟电路从电流切断开关的电流切断定时到设定时间(t)，将小信号开关保持为接通状态，接通状态的小信号开关将保护用开关设为接通状态，由尖峰吸收电路使在电流切断时产生的反冲电压衰减。

以上的电源装置具有如下特征，即，能够可靠地防止由于在对负载电流进行电流切断时产生的超过最大额定电压的反冲电压导致作为半导体元件的电流切断开关的雪崩击穿。尤其是，以上的电源装置具有如下特征，即，在输出线连接长的布线而布线的电感变大，此外切断时的电流相当大的使用状态下，电流切断开关被切换为断开，在电流切断时，即便处于产生高电压的反冲电压的状态，也能够可靠地阻止因作为半导体元件的电流切断开关的反冲电压导致的雪崩击穿。

在电源装置连接电感性负载来切断电流时，瞬间产生的反冲电压起因于在切断电流时蓄积于电感性负载的电感的电流的能量(e)。蓄积于电感性负载的电流的能量因将反冲电压放电而被消耗。

在切断电感性负载的电流时，蓄积于电感(l)的电流的能量(e)如用以下的式表示的那样，与负载的电流的二次方和电感的乘积成比例地变大。

e＝1/2(l×i2)

其中，l为与负载连接的电感性负载的电感，i为切断时的电流。

关于与电源装置连接的负载的电感不仅是负载自身为电机、线圈等的电感性负载，还相加布线的电感。因此，在变长时布线的电感变大，因此若经由长的布线将负载连接至电源装置，则基于布线的电感变得无法忽略。尤其是，大输出的电源装置连接各种负载，因此即便有布线变长的用途，由于基于长的布线的电感，反冲电压也会变高。因此，被使用于各种用途的电源装置可靠地防止因反冲电压导致的电流切断开关的雪崩击穿是极其重要的。

以上的电源装置在产生反冲电压的定时，将尖峰吸收电路的保护用开关设为接通状态，来防止因反冲电压导致的保护用开关的雪崩击穿。以上的电源装置直至从电流切断开关被切换为断开状态而电流被切断的瞬间经过了设定时间(t)，延迟电路将小信号开关保持为接通状态，接通状态的小信号开关将保护用开关设为接通状态，将保护用开关设为接通状态的尖峰吸收电路将反冲的能量作为电流能量经由二极管流动，从而迅速地衰减。在将保护用开关设为接通状态而将反冲电压进行放电时，在二极管的两端产生的电压、即二极管的正向的电压降极其低，约0.6v，即便假设将两个二极管串联连接，二极管的电压降也只不过为1.2v，因此保护用开关处于接通状态，尖峰吸收电路的两端的电压被限制为1.2v。因此，在保护用开关的接通状态下，在输出端子产生的尖峰电压极其低，尖峰电压不会使断开状态的电流切断开关雪崩击穿。此外，尖峰电压在二极管中短路而被衰减，因此尖峰电压迅速地衰减。

此外，以上的电源装置在将电流切断开关切换为断开状态之后，限于给定的时间将电流切断开关切换为接通状态，然后保持为断开状态，因此在通常的使用状态下保护用开关被保持为断开状态。若在将保护用开关设为断开状态的电源装置反向连接充电器，则断开状态的保护用开关切断二极管的电流。因此，能够防止将充电器反向连接而在二极管中流动过大电流的弊端。进而，尖峰吸收电路在与二极管串联连接的元件以不使用熔丝、ptc的方式连接了半导体元件的保护用开关，因此能够防止因反冲电压导致的雪崩击穿，此外，即便反复与充电器反向连接也能够可靠地防止雪崩击穿。以往的、二极管串联连接熔丝的尖峰吸收电路若与充电器反向连接则熔丝熔断，然后无法防止雪崩击穿，此外，若ptc跳闸，则电阻增大，安全性下降。以上的电源装置实现如下特征，即，在防止因反冲电压导致的电流切断开关的雪崩击穿的同时实现充电器的反向连接中的安全性。

本发明的电源装置能够将电流切断开关设为防止二次电池的过放电的放电开关。该电源装置具有如下特征，即，控制电路检测二次电池的剩余容量，若二次电池被过放电，则将放电开关切换为断开状态，能够防止二次电池的过放电。

本发明的电源装置能够在过电流切断开关的输出侧连接防止电池的过放电(过充电)的放电(充电)开关，将在放电开关的输出侧连接的尖峰吸收电路连接至电流切断开关与放电(充电)开关的连接点。

本发明的电源装置能够将电流切断开关、充电开关和保护用开关设为fet，此外，本发明的电源装置能够在保护用开关的输入侧连接恒压二极管。

附图说明

图1是本发明的实施例涉及的电源装置的电路图。

图2是表示图1所示的电源装置吸收反冲电压的状态下的通电状态的电路图。

图3是表示在图1所示的电源装置反向连接了充电器的状态下的通电状态的电路图。

具体实施方式

以下，基于附图来说明本发明的实施例。不过，以下所示的实施例只是例示用于使本发明的技术思想具体化的电源装置，本发明不将电源装置确定为以下的电源装置。

进而，在本说明书中，对于“权利要求书”以及“用于解决课题的手段一栏”中示出的构件，附记与实施例所示的构件对应的编号，以使得易于理解权利要求书。不过，不应该将权利要求书所示的构件确定为实施例的构件。

图1所示的电源装置具备：多个二次电池1；在二次电池1的输出侧连接的半导体元件的电流切断开关2；控制电路3，将电流切断开关2控制为接通断开；尖峰吸收电路4，处于二次电池1和电流切断开关2的输出侧，连接至电源装置的输出侧；小信号开关7，将尖峰吸收电路4的保护用开关6控制为接通断开；和延迟电路8，从电流切断开关2被切换为断开状态的电流切断定时到预先设定的设定时间(t)，将小信号开关7保持为接通状态。

多个二次电池1被串联连接，提高了输出电压。尤其是，大电力的电源装置将多个二次电池1串联连接来提高输出电压，此外，将多个二次电池1并联连接来增大输出电流、能够充放电的容量。大电力的电源装置由于对负载供给的电流大，因此在切断电流时瞬间产生的尖峰电压也变高。高电压的尖峰电压成为使得作为保护元件连接的fet等放电开关雪崩击穿的原因，但本发明的电源装置具有能够有效地防止因尖峰电压导致的半导体元件的雪崩击穿的特征。因此，本发明的电源装置适合于能够对负载供给大电力的装置，即，将多个二次电池串联或并联连接的、例如将容量设为1kwh以上的电源装置。

不过，即便在小容量的电源装置中，若连接电感性负载且放电开关被切换为断开状态，则由于电感性负载的电感也会产生高的尖峰电压，该尖峰电压也有时会使fet等放电开关雪崩击穿，因此本发明并非将电源装置确定为大容量的装置。

图1的电源装置以与切断负载电流的电流切断开关2串联的方式串联连接为了防止二次电池1的过充电而连接的充电开关9。电流切断开关2是防止二次电池1的过放电的放电开关，将放电开关的电流切断开关2和充电开关9设为半导体开关元件。图中的电源装置将放电开关的电流切断开关2和充电开关9的半导体开关元件设为mosfet。两组mosfet相互被串联连接地连接在二次电池1与输出端子之间，防止二次电池1的过放电、过充电。mosfet是能够控制大电流的半导体元件，尤其是接通状态下的电压降比晶体管小，因此具有能够减小接通状态下的半导体元件的电力损耗的特征。不过，本发明的电源装置并非将电流切断开关2和充电开关9确定为mosfet，例如，也能够使用晶体管、igbt等半导体元件。

控制电路3将充电开关9和被并用为防止二次电池的过放电的放电开关的电流切断开关2控制为接通断开。进而，控制电路3经由延迟电路8而将尖峰吸收电路4的保护用开关6控制为接通断开。控制电路3在二次电池1未被充放电的状态下，将电流切断开关2和充电开关9设为断开状态，在对二次电池1进行充放电的状态下，将电流切断开关2和充电开关9设为接通状态。进而，控制电路3检测负载的短路、过电流并将电流切断开关2切换为断开状态，若检测到二次电池1的充满电，则将充电开关9切换为断开状态。

尖峰吸收电路4是半导体元件的保护用开关6和二极管5的串联电路，二极管5与二次电池1的正以及负的输出侧电压的反向连接。保护用开关6为mosfet。不过，对于保护用开关6，也能够使用晶体管、igbt等半导体开关元件来取代fet。尖峰吸收电路4防止在作为电流切断开关2的放电开关被切换为断开状态而负载电流被切断的瞬间产生的反冲电压。在切断电感性负载中流动的电流的瞬间，产生与电感性负载的电感和电流的变化率成比例的反冲电压。该反冲电压在被切换为断开状态的瞬间被施加于半导体元件的两端。若反冲电压超过半导体元件的最大额定电压，则半导体元件雪崩击穿。尖峰吸收电路4的保护用开关6从切断负载电流的电流切断定时到设定时间(t)，被保持为接通状态。接通状态的保护用开关6使产生的反冲电压在二极管5中短路，而对反冲电压进行吸收。反冲电压被反向地施加于正负的输出端子，因此经由与输出端子反向连接的二极管5被短路。

保护用开关6的mosfet的栅极经由分压电阻(r1、r2)而与小信号开关7连接，在栅极与源极之间连接了将输入至保护用开关6的mosfet的栅极的电压限制为设定电压的恒压二极管zd1。分压电阻(r1、r2)将保护用开关6的栅极与源极之间的电压分压为r1/(r1+r2)来输入，进而由分压电阻(r1、r2)分压并输入的电压由恒压二极管zd1限制为设定电压而输入至保护用开关6的栅极。保护用开关6从电流切断开关2被切换为断开状态而负载电流被切断的电流切断定时到设定时间(t)，从接通状态的小信号开关7向栅极输入接通电压而被保持为接通状态，对反冲电压进行吸收。

尖峰吸收电路4的保护用开关6不始终被保持为接通状态。其原因在于，防止在电源装置的输出端子反向连接充电器而在二极管5流动过大电流。因此，保护用开关6限于电流切断定时到设定时间(t)被保持为接通状态，然后由小信号开关7切换为断开状态。

小信号开关7以从延迟电路8输入的信号来控制保护用开关6的接通断开。小信号开关7在接通状态下向保护用开关6输入接通信号。不过，即便在小信号开关7的接通状态下，若电流切断开关2处于接通状态，则保护用开关6也会成为断开状态。其原因在于，接通状态的电流切断开关2将保护用开关6的栅极与源极之间短路，将栅极电压设为0v。

接通状态的小信号开关7将作为保护用开关6的fet的栅极连接至二次电池1的负侧。在该状态下，若电流切断开关2的fet成为断开状态，则保护用开关6的fet在漏极与栅极之间施加电流切断开关2的源极与漏极之间的接通电压，将保护用开关6设为接通状态。其原因在于，在电流切断开关2的源极与漏极之间施加反冲电压。因此，保护用开关6在小信号开关7为接通且电流切断开关2为断开的状态下成为接通状态。

延迟电路8从将电流切断开关2切换为断开状态的电流切断定时到设定时间(t)，经由小信号开关7将保护用开关6保持为接通状态，在经过了设定时间(t)之后，将保护用开关6切换为断开状态。延迟电路8由与输入线连接的输入二极管d1、与该输入二极管d1串联连接的输入电阻r3、确定设定时间(t)的时间常数确定用的定时电容器c1和定时电阻r4的并联电路、以及与该并联电路并联连接的恒压二极管zd2构成，将恒压二极管zd2的两端连接在作为小信号开关7的fet的栅极与源极之间。

定时电容器c1和定时电阻r4的时间常数确定设定时间(t)。以由定时电容器c1的静电电容和定时电阻r4的电阻值的乘积确定的时间常数来确定延迟电路8的设定时间(t)。增大时间常数而使得设定时间(t)变长，相反，减小时间常数而使得设定时间(t)变短。定时电容器c1和定时电阻r4的时间常数考虑反冲电压的衰减时间来设定，例如设定为200μsec以上且10msec以下，优选设定为500μsec以上且3msec以下，进而优选设定为500μsec以上且2msec以下。

延迟电路8以从控制电路3输入的控制信号来将小信号开关7控制为接通断开。图中的电源装置将输入至电流切断开关2的信号作为控制信号而输入至延迟电路8。该控制信号是在电流切断开关2的接通状态下成为“高(high)”且在断开状态下成为“低(low)”的信号。输入至延迟电路8的“高”信号经由输入二极管d1和输入电阻r3对确定时间常数的定时电容器c1进行充电而将小信号开关7设为接通状态。若电流切断开关2被切换为断开状态而运算电路的输入信号被从“高”切换为“低”，则定时电容器c1依次被定时电阻r4放电，在经过了设定时间(t)之后，小信号开关7被切换为断开状态。

在电源装置的通常的使用状态下，为了对负载供给电力，电流切断开关2处于接通状态。在该状态下输入至电流切断开关2的“高”信号被输入至延迟电路8，将小信号开关7设为接通状态。即便小信号开关7处于接通状态，接通状态的电流切断开关2也将保护用开关6的栅极和源极短路，而将保护用开关6保持为断开状态。即，在通常的使用状态下，保护用开关6被保持为断开状态。

若电流切断开关2被切换为断开状态，则延迟电路8的设定时间(t)中，将接通信号输入至小信号开关7而将小信号开关7保持为接通信号。在该状态下，若电流切断开关2被切换为断开状态而负载电流被切断，则电流切断开关2不将保护用开关6的栅极与源极之间短路，经由分压电阻(r1、r2)而向保护用开关6的栅极输入接通信号。因此，在从电流切断开关2被切换为断开状态的电流切断定时起到经过设定时间(t)为止的期间，保护用开关6被保持为接通状态。接通状态的保护用开关6经由二极管5将反冲电压短路，来防止因电流切断开关2的反冲电压导致的雪崩击穿。在切断负载电流的瞬间产生的反冲电压在二极管5被短路，而迅速地衰减。延迟电路8的设定时间(t)设定为反冲电压消失的时间，因此若经过设定时间(t)，则延迟电路8将小信号开关7切换为断开状态，将保护用开关6切换为断开状态。尖峰吸收电路4在反冲电压衰减之后，将保护用开关6切换为断开状态。被切换为断开状态的保护用开关6阻止在电源装置的输出端子反向连接充电器的状态下在二极管5中流动过大电流。

以上的电源装置按以下的动作防止因在将电流切断开关2切换为断开状态的瞬间产生的反冲电压而电流切断开关雪崩击穿，此外，防止在输出端子反向连接充电器的状态下的弊端。

1.二次电池未被充放电的状态

在该状态下，控制电路3将电流切断开关2、充电开关9和小信号开关7设为断开状态。关于小信号开关7，从控制电路3向电流切断开关2输出的“低”信号经由延迟电路8被输出而成为断开状态。由于断开状态的小信号开关7，尖峰吸收电路4的保护用开关6成为断开状态。

若在该状态下输出端子被短路，则不会通过处于断开状态的电流切断开关2而使得二次电池1被放电。此外，即便连接充电器，由于断开状态的电流切断开关2也不会流动充电电流，此外，即便反向连接充电器，由于断开状态的保护用开关6，也不会在尖峰吸收电路4的二极管5中流动电流。

2.二次电池被充放电的状态

在该状态下，控制电路3将电流切断开关2的电流切断开关2、充电开关9和小信号开关7设为接通状态。关于小信号开关7，从控制电路3向电流切断开关2输出的“高”信号经由延迟电路8被输入而成为接通状态。虽然小信号开关7成为接通状态，但接通状态的电流切断开关2将保护用开关6的栅极与源极短路，因此保护用开关6不向栅极输入接通信号而被保持为断开状态。

3.在电流切断开关和充电开关的接通状态下输出端子被短路的状态

若输出端子被短路，则控制电路3检测短路电流并将电流切断开关2切换为断开状态。若电流切断开关2被切换为断开状态，则负载电流被切断而在输出端子产生反冲电压，但由于反冲电压，在如图2的箭头所示的方向上流动电流，在电流切断开关2的两端、即作为电流切断开关2的fet的漏极与源极之间产生电压，该电压将尖峰吸收电路4的保护用开关6切换为接通状态。在该状态下，关于保护用开关6的fet，经由接通状态的小信号开关7输入至栅极的电压由与输入侧连接的恒压二极管zd1限制为设定电压而被输入，从而被切换为接通状态。即，保护用开关6在保护用开关6的fet被切换为断开状态的瞬间被切换为接通状态。

接通状态的保护用开关6在切断负载电流的瞬间被切换为接通状态，因此在切断电流的瞬间产生的反冲电压经由保护用开关6而在二极管5中被短路。因此，不会使得反冲电压上升从而被切换为断开状态的电流切断开关2的fet雪崩击穿。

4.输出端子被短路而反冲电压衰减的状态

若在保护用开关6被切换为接通状态之后经过延迟电路8的设定时间(t)而反冲电压衰减，则小信号开关7被切换为断开状态，保护用开关6被切换为断开状态。小信号开关7以从延迟电路8输出的“低”信号被切换为断开状态。延迟电路8若在电流切断开关2被切换为断开状态之后经过设定时间(t)，则将输出从“高”切换为“低”，将小信号开关7切换为断开状态。

图1的延迟电路8在电流切断开关2被切换为断开状态的瞬间，来自控制电路3的输入信号从“高”变为“低”，但该延迟电路8在输入信号从“高”变为“低”时，以“高”信号被充电的定时电容器c1由定时电阻r4放电，在经过设定时间(t)时，定时电容器c1被放电，将输出从“高”切换为“低”。从延迟电路8输出的“低”信号将小信号开关7切换为断开状态。断开状态的小信号开关7切断作为保护用开关6的fet的栅极电压，将保护用开关6的fet设为断开状态。即，在经过延迟电路8的设定时间(t)时，小信号开关7成为断开状态，断开状态的小信号开关7将保护用开关6切换为断开状态。将该状态示于图3。

因此，在该状态下即便在电源装置的输出侧反向连接充电器，也如图3所示由于处于断开状态的保护用开关6也不会在尖峰吸收电路4的二极管5中流动过大电流。

产业上的可利用性

本发明的电源装置能够作为与长的布线、电感性负载连接的大电力装置而有效且安全地使用。

符号说明

1...二次电池；

2...电流切断开关；

3...控制电路；

4...尖峰吸收电路；

5...二极管；

6...保护用开关；

7…小信号开关；

8...延迟电路；

9...充电开关。