电力变换器的制作方法

本实用新型涉及一种具有电容性电力变换部的电力变换器，该电容性电力变换部通过切换多个开关元件，对多个电容器进行充放电从而对电压进行升降压。

背景技术：

在专利文献1中，公开了一种开关电容器(也称为充电泵电路)等的电容性电力变换器。到目前为止，电容性电力变换器未被用于要求大电力的系统。然而，近年来，从电力变换效率的观点出发，存在将电容性电力变换器用于大电流用途的尝试。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：美国发明专利第8619445号说明书

技术实现要素：

实用新型要解决的课题

专利文献1中记载的电容性电力变换器将开关元件接通断开，来对电容器进行充放电。若与电容性电力变换器连接的负载成为过载，负载电流成为大电流，则电容器过放电。在该状态下，若开关元件被接通并开始向电容器的充电，则产生冲击电流。冲击电流会成为引起元件破坏等的原因。

另一方面，在将电容性变换器用于大电力用途的情况下，为了提高电力变换效率，减小电容性电力变换器的开关元件的接通电阻来抑制接通电阻处的损耗很重要。但是，若减小开关元件的接通电阻，则产生的冲击电流更加变大，引起元件破坏等的可能性提高。因此，在将电容性变换器用于大电力用途的情况下，要求监视负载的状态，在不引起电容器的过放电的范围内使其动作。

通常，为了监视负载的状态，存在在流过负载电流的路径中设置电流检测用的电阻的方法。但是，随着负载电流增大，电流检测用电阻处的损耗增加，其结果，存在基于电容性电力变换器的电力变换效率降低的问题。进一步地，难以检测冲击电流这种具有瞬间较大的峰值的电流。

因此，本实用新型的目的在于，提供一种在不产生用于电流检测的损耗的情况下判定负载的状态的电力变换器。

用于解决课题的手段

本实用新型所涉及的电力变换器的特征在于，具备：电容性电力变换部，其具有多个电容器、多个开关元件和对所述多个开关元件进行开关控制的控制部，通过切换所述多个开关元件来对所述多个电容器进行充放电从而对电压进行升降压，并输出给负载；输入电压检测部，其对向所述电容性电力变换部的输入电压进行检测；输出电压检测部，其对来自所述电容性电力变换部的输出电压进行检测；和判定部，其对所述输入电压检测部检测出的输入检测值和所述输出电压检测部检测出的输出检测值进行比较，来判定所述负载的状态，所述控制部被进行开关控制以使得随着负载的增大而所述输出检测值的值线性地降低。

在该结构中，通过检测电容性电力变换部的输入电压和输出电压，来判定负载的状态(负载是否为过载等)。在该情况下，与在负载电流流动的路径设置电阻来检测负载电流的一般方法相比，能够抑制损耗，能够避免基于电容性电力变换部的电力变换效率的降低。此外，由于在全部负载区域具有随着负载电流的增大而输出电压线性地下降的特性，因此能够容易地进行负载状态的判定。

也可以是如下结构：所述判定部通过基于既定的电压变换比的规定值，运算所述输入检测值以及所述输出检测值的至少一个，对运算后的所述输入检测值与所述输出检测值进行比较，来判定所述负载的状态。

在该结构中，能够抑制损耗，避免基于电容性电力变换部的电力变换效率的降低，来判定负载的状态。

也可以是如下结构：所述判定部根据所述输入检测值、所述输出检测值和既定的等效电阻值，运算推断电流，基于所述推断电流来判定所述负载的状态。

在该结构中，能够抑制损耗，避免基于电容性电力变换部的电力变换效率的降低，来判定负载的状态。

所述电力变换器也可以具备：故障防止控制部，其基于所述判定部的判定结果，进行故障防止控制。

在该结构中，在过载的情况下，通过限制或者停止电力变换器的动作，能够抑制冲击电流的产生，避免由冲击电流引起的开关元件或者电容器的故障等。

也可以还具备：发送部，其发送所述判定部的判定结果。

也可以是如下结构：还具备感应性电力变换部，该感应性电力变换部与所述电容性电力变换部级联连接，具有电感器和开关元件，切换所述开关元件的状态来对向所述电感器的能量进行蓄放电从而对电压进行升降压。

在该结构中，由于能够防止由初级变换器的元件破坏引起的冲击电流的产生，因此能够防止后级的变换器的连锁式的元件破坏。

实用新型效果

根据本实用新型，与在紧接负载之前设置电阻来检测负载电流的一般的方法相比，能够抑制损耗，避免基于电容性电力变换部的电力变换效率的降低，来判定负载的状态。

附图说明

图1是实施方式1所涉及的电力变换器的电路图。

图2(A)以及图2(B)是用于对电容性电力变换部中的开关控制进行说明的图。

图3是用于对负载是否为过载的判定方法进行说明的图。

图4是表示电容性电力变换部的输出电压与负载电流的关系的图。

图5是表示另一例的过载的判定方法的图。

图6是表示另一例的过载的判定方法的图。

图7是实施方式2所涉及的电力变换器的电路图。

图8是将电容性电力变换部与感应性电力变换器级联连接的电力变换器的电路图。

具体实施方式

(实施方式1)

图1是实施方式1所涉及的电力变换器1的电路图。

电力变换器1具备：一对输入端子In1以及输入端子In2、一对输出端子Out1以及输出端子Out2。在输入端子In1以及输入端子In2连接直流电源。在输出端子Out1以及输出端子Out2连接负载。电力变换器1对从输入端子In1以及输入端子In2输入的直流电压进行降压，从输出端子Out1以及输出端子Out2输出。在本实施方式中，设为输入端子In2以及输出端子Out2是电路接地来进行说明。

电力变换器1具备：电容性电力变换部10、输入电压检测电路11、输出电压检测电路12、比较器13和控制部14。

电容性电力变换部10被连接于输入端子In1以及输入端子In2与输出端子Outl以及输出端子Out2之间。电容性电力变换部10例如是开关电容器，通过切换开关元件的状态来使电容器充放电，从而对输入电压进行降压。

电容性电力变换部10具有：开关元件S11、开关元件S12、开关元件S13、开关元件S14、开关元件S15、开关元件S16、开关元件S17、电容器C11、电容器C12和电容器C13。开关元件S11～S17通过控制部14而被进行开关控制。

开关元件S11和开关元件S12被连接在输入端子Inl与输出端子Out1之间。在开关元件S11与开关元件S12的连接点和接地之间，连接电容器C11与开关元件S14的串联电路。在输出端子Outl与接地之间，连接开关元件S16、电容器C12和开关元件S15的串联电路。在电容器C11与开关元件S14的连接点、和开关元件S16与电容器C12的连接点之间，连接开关元件S13。此外，在电容器C12与开关元件S15的连接点和输出端子Outl之间，连接开关元件S17。电容器C13被连接在输出端子Out1与输出端子Out2之间。电容器C11、电容器C12和电容器C13分别具有相同的电容。另外，电容器C11、电容器C12和电容器C13也可以是不同的电容。

以下，对电容性电力变换部10中的降压动作进行说明。

图2(A)以及图2(B)是用于对电容性电力变换部10中的开关控制进行说明的图。在本例中，考虑电容性电力变换部10将3.0V的输入电压降压为1.0V的输出电压的情况。

控制部14(参照图1)在第1状态下，如图2(A)所示，将开关元件S11、开关元件S13、开关元件S17设为接通，将开关元件S12、开关元件S14、开关元件S15、开关元件S16设为断开。在该情况下，如图2(A)的箭头所示，成为在输入端子In1与接地之间，连接电容器C1 1、电容器C12与电容器C13的串联电路的结构。在该情况下，由于输入电压为3.0V，因此向电容器C11、电容器C12和电容器C13分别充电1.0V的电压。

接下来，控制部14在第2状态下，如图2(B)所示，将开关元件S11、开关元件S13、开关元件S17设为断开，将开关元件S12、开关元件S14、开关元件S15、开关元件S16设为接通。在该情况下，如图2(B)所示，成为在输出端子Out1与接地之间，分别并联连接电容器C11、电容器C12、电容器C13的结构。因此，从输出端子Outl和输出端子Out2输出1.0V的电压。

这样，在电容性电力变换部10中，通过交替切换图2(A)的第1状态和图2(B)的第2状态，输入电压被降压到1/3。

返回到图1，在输入端子In1以及输入端子In2，连接输入电压检测电路11。输入电压检测电路11是包含电阻R11和电阻R12的分压电路。输入电压检测电路11对来自输入端子In1以及输入端子In2的输入电压进行分压并输出。输入电压检测电路11是本实用新型所涉及的“输入电压检测部”的一个例子。

在输出端子Outl以及输出端子Out2，连接输出电压检测电路12。输出电压检测电路12是包含电阻R21和电阻R22的分压电路。输出电压检测电路12对来自输出端子Outl以及输出端子Out2的输出电压进行分压并输出。输出电压检测电路12是本实用新型所涉及的“输出电压检测部”的一个例子。

输入电压检测电路11的输出电压和输出电压检测电路12的输出电压被输入到比较器13。比较器13对输入电压检测电路11以及输出电压检测电路12各自的输出电压进行比较，根据比较的结果，将H电平或者L电平的信号输出到控制部14。

控制部14根据比较器13的输出信号是H电平还是L电平，对连接于输出端子Out1以及输出端子Out2的负载侧的状态进行判定。所谓负载侧的状态，例如是指负载为过载状态，或者负载侧短路的状态等。以下，设为控制部14对负载是否为过载进行判定来进行说明。

若负载为过载，则电容性电力变换部10的输出电流(负载电流)变大。若输出电流变大，则电容性电力变换部10的电容器过放电。其结果，在对电容器进行充电时产生冲击电流，成为开关元件或者电容器的故障的原因。因此，控制部14对负载是否为过载进行判定，在是过载的情况下，例如，使电力变换器1的动作限制或者停止。由此，避免基于冲击电流的开关元件或者电容器的故障等。

控制部14将判定结果发送到外部、例如其他电路。

控制部14是本实用新型所涉及的“判定部”、“故障防止控制部”以及“发送部”的一个例子。

以下，对负载是否为过载的判定方法进行详述。

图3是用于对负载是否为过载的判定方法进行说明的图。图3是将图1简单化的图。

在图3中，将电容性电力变换部10的电压变换比表示为1/K，将电容性电力变换部10的输入电压表示为Vi，将输出电压表示为Vo，将负载电流表示为Ic，将电容性电力变换部10的等效电阻表示为Rsc。

在将理想状态下的电容性电力变换部10的输出电压表示为VIDEAL的情况下，通过VIDEAL＝Vi/K来进行表示。所谓理想状态，是指在电容性电力变换部10中未产生损耗的状态。若流动负载电流Ic，则产生电容性电力变换部10中的电压下降(Rsc*Ic)。在理想状态下，输入电压检测电路11以及输出电压检测电路12被常数设定为输出电压检测电路12的输出电压比输入电压检测电路11的输出电压高。

例如，电容性电力变换部10将12.0V的输入电压降压为4.0V。在这种情况下，输入电压检测电路11常数设定为分压比是1/12。输出电压检测电路12常数设定为分压比是1/2。这样，输入电压检测电路11的输出电压为1.0V，输出电压检测电路12的输出电压为2.0V。换句话说，输出电压检测电路12的输出电压比输入电压检测电路11的输出电压高。

在输出电压检测电路12的输出电压比输入电压检测电路11的输出电压高的情况下，比较器13输出L电平的信号。在比较器13的输出信号为L电平的情况下，控制部14判定为负载不是过载。

若流动负载电流，则如前所述，在电容性电力变换部10中产生电压下降。此时的输出电压Vo通过Vo＝VIDEAL-RSc*Ic＝Vi/K-Rsc*Ic来进行表示。

图4是表示电容性电力变换部10的输出电压Vo与负载电流Ic的关系的图。

如图4所示，随着负载电流Ic变大，电容性电力变换部10的输出电压Vo中产生线性的电压下降。该电压下降是输出电压Vo与理想电压VIDEAL(＝Vi/K)的背离程度。即，输出电压Vo比Vi/K低了电压(Rsc*Ic)的量。其结果，输出电压检测电路12的输出电压变得比理想状态下的输出电压检测电路12的输出电压低。若输出电压检测电路12的输出电压变得比输入电压检测电路11的输出电压低，则比较器13输出H电平的信号。控制部14在比较器13的输出信号为H电平的情况下，判定为负载是过载。

这样，控制部14通过对电容性电力变换部10的输入电压Vi和输出电压Vo进行检测，来监视输出电压Vo的电压下降，判定负载是否为过载。在本实施方式中，由于对输入电压与输出电压的电压差进行测量，来判定负载的状态，因此与设置负载电流检测用电阻的情况不同，不产生该电阻处的损耗。并且，在是过载的情况下，控制部14通过限制或者停止电容性电力变换部10的动作，来避免冲击电流的产生。具体而言，控制部14将全部或者一部分的开关元件设为断开。

另外，能够通过输入电压检测电路11与输出电压检测电路12的分压比，来调整基于控制部14的过载的判定电平。具体而言，通过对负载电流Ic变大、输出电压检测电路12的输出电压变得比输入电压检测电路11的输出电压低的电压值的条件进行调整，能够调整过载的判定电平。在理想状态下，若减小输入电压检测电路11的输出电压与输出电压检测电路12的输出电压的差分，则过载电流检测的阈值变低。另一方面，在理想状态下，若增大输入电压检测电路11的输出电压与输出电压检测电路12的输出电压的差分，则所述阈值变高。

在电源电压的变动较小的情况下，换句话说，在不受到电源电压变动的影响的情况下，通过图3的结构，能够进行过载的判定。以下，示出即使在电源电压的变动较大的情况下也能够进行的过载的判定方法的例子。

图5是表示另一例的过载的判定方法的图。

在本例中，未设置输出电压检测电路12。输入电压检测电路11常数设定为分压比与电容性电力变换部10的电压变换比1/K相同。输入电压检测电路11的输出被输入到比较器18的同相输入部。比较器18的输出被反馈输入到比较器18的反相输入部。比较器18的输出，经由电阻17，而被输入到比较器18的同相输入部。此外，在电阻17的输出侧(比较器18侧)连接恒流电路19。

向比较器18的反相输入部输入电容性电力变换部10的输出电压Vo。这里，将电阻17的电阻值表示为RLIM，将流过电阻17的电流表示为ILIM。由于输入电压检测电路11的分压比与电容性电力变换部10相同，因此输入电压检测电路11的输出电压通过理想状态下的电容性电力变换部10的输出电压VIDEAL＝Vi/K来进行表示。

向比较器18的同相输入部的输入电压VLIM通过VLIM＝VIDEAL-RLIM*ILIM＝Vi/K-RLIM*ILIM来进行表示。此外，如前所述，电容性电力变换部10的输出电压Vo通过Vo＝VIDEAL-Rsc*Ic＝Vi/K-Rsc*Ic来进行表示。

比较器18在输出电压Vo比输入电压VLIM高的情况下，输出L电平的信号。控制部14在比较器18的输出信号为L电平的情况下，判定为负载不是过载。此外，若输出电压Vo比输入电压VLIM低，则比较器18输出H电平的信号。控制部14在比较器18的输出信号为H电平的情况下，判定为负载是过载。

另外，输入电压VLIM能够通过任意地设定所述的参数、RLIM、ILIM，来适当变更。换句话说，过载的判定电平，通过根据电源的依赖性或者温度等来任意地设定所述的参数，从而能够进行调整。

此外，在比较器18是输出Vo与电压VLIM的误差放大的误差放大电路的情况下，控制部14能够对连续的负载电流Ic进行检测。

图6是表示另一例的过载的判定方法的图。

在本例中，输入电压检测电路11的输出被输入到包含电阻21、22、23、24和比较器25的放大电路。该放大电路输出对输入电压检测电路11的输出电压VIDEAL与输出电压Vo的误差进行了放大的电压Vdif。这里，将电阻21、22、23、24的阻抗分别表示为R21、R22、R23、R24，若设为R21＝R23，R22＝R24，则放大电路的输出电压Vdif通过Vdif＝(VIDEAL-Vo)*(R24/R23)来进行表示。由于输出电压Vo通过Vo＝VIDEAL-Rsc*Ic＝Vi/K-Rsc*Ic来进行表示，因此表示为Vdif＝Rsc*Ic*(R24/R23)。

比较器26对放大电路的输出电压Vdif与基准电压Vref进行比较。比较器26在电压Vdif比电压Vref高的情况下，输出H电平的信号。控制部14在比较器26的输出信号为H电平的情况下，判定为负载是过载。此外，若电压Vdif比电压Vref低，则比较器26输出L电平的信号。在比较器26的输出信号为L电平的情况下，判定为负载不是过载。这样，在图6所示的例子中，通过观察电压Vdif的下降，来判定负载的过载。

另外，通过任意地设定所述的参数、R23、R24、Vref，电压Vdif能够适当地变更。换句话说，过载的判定电平，通过根据电源的依赖性或者温度等来任意地设定所述的参数，能够进行调整。

(实施方式2)

图7是实施方式2所涉及的电力变换器2的电路图。在本例中，判定负载侧的状态的结构(方法)与实施方式1不同。以下，对该不同点进行说明。由于电容性电力变换部10、输入电压检测电路11和输出电压检测电路12的结构与实施方式1相同，因此省略说明。

电力变换器2具备AD变换器15A和AD变换器15B。AD变换器15A中，输入电压检测电路11的输出电压被输入，变换为数字值，并输出给控制部16。AD变换器15B中，输出电压检测电路12的输出电压被输入，变换为数字值，并输出给控制部16。

控制部16基于被输入的2个数字值、电容性电力变换部10的电压变换比1/K以及等效电阻Rsc，计算负载电流Ic。该计算的负载电流Ic是本实用新型所涉及的“推断电流”的一个例子。如实施方式1中说明的那样，输出电压Vo通过Vo＝Vi/K-Rsc*Ic来进行表示。Rsc、K已知，Vo和Vi可从AD变换器15A和AD变换器15B得到。其结果，控制部16能够计算负载电流Ic。

控制部16例如在未图示的存储部中预先存储阈值，对计算出的负载电流Ic与阈值进行比较，若大于阈值，则判定为负载是过载。这样，与实施方式1同样地，电力变换器2能够在不产生损耗、不降低电力变换效率的情况下，判定负载的状态。

另外，控制部16也可以考虑温度信息或者基于制造工艺的各元件的偏差，来进行负载电流Ic的计算。例如，电容性电力变换部10的等效电阻Rsc或者存储于存储部的阈值可以是固定值，也可以设为根据温度或者电压而变化的变量值。此外，也可以将预先计算出的值写入表格(查找表)，根据需要来参照该值。进一步地，也可以从外部进行修正。

此外，在实施方式1、2中，说明了降压用的电力变换器1，但本实用新型所涉及的“电力变换器”也能够进行升压。详细地，将图1所示的输出端子Out1和输出端子Out2设为输入侧，将输入端子Inl和输入端子IN2设为输出侧。由此，能够对来自输出端子Out1以及输出端子Out2的输入电压进行升压，并从输入端子In1以及输入端子IN2输出。这样，在电容性电力变换部10进行升压动作的电力变换器中，也能够同样地判定是否为过载状态。

此外，也可以设为如下结构：电容性电力变换部10的电压变换比1/K为固定倍率，不进行调整。这里，所谓调整，是指即使在电力变换器的输入电压、负载电流等发生了变动的情况下，也要将输出电压保持为恒定的控制。通过不在电容性电力变换部10进行调整，从而在整个负载区域具有随着负载电流的增大而输出电压线性地下降的特性，因此能够容易地进行负载状态的判定。

此外，也能够在电容性电力变换部10级联连接感应性电力变换器。

图8是将电容性电力变换部10与感应性电力变换器30级联连接的电力变换器3的电路图。

电容性电力变换部10和感应性电力变换器30在端子In1以及端子In2与端子Out1以及端子Out2之间被级联连接，使得电容性电力变换部10成为输入侧。

感应性电力变换器30是降压变换器。感应性电力变换器20具有：开关元件Q11、开关元件Q12、电感器L1、电容器C2和驱动器31。开关元件Q11是p型MOS-FET。开关元件Q12是n型MOS-FET。驱动器31对开关元件Q11与开关元件Q12进行开关控制。感应性电力变换器20将开关元件Q11和开关元件Q12接通断开，来对电容性电力变换部10的输出电压进行降压，并提供给与端子Out1以及端子Out2连接的负载。

通过设为该结构，能够防止由初级变换器的元件破坏引起的冲击电流的产生，因此能够防止后级的变换器的连锁的元件破坏。进一步地，通过将初级的电容性电力变换部10设为非调整级，使后级的感应性电力变换器30担任调整功能，从而能够输出稳定的电力，电力变换效率提高。

符号说明

C11、C12、C13...电容器

Ic...负载电流

Inl、In2...输入端子

Outl、Out2...输出端子

R11、R12、R21、R22...电阻

S11、S12、S13、S14、S15、S16、S17...开关元件

1、2、3...电力变换器

10...电容性电力变换部

11...输入电压检测电路(输入电压检测部)

12...输出电压检测电路(输出电压检测部)

13...比较器

14...控制部(判定部、故障防止控制部)

15A、15B...AD变换器

16...控制部(判定部、故障防止控制部)。