[发明专利]充电系统以及充电方法

说明书

技术领域

本发明涉及抑制在充电器中使用的半导体开关的发热的技术。

背景技术

通过DC/DC变换器对二次电池充电的充电器，以脉冲宽度控制(PWM：Pulse Width Modulation)方式或频率控制(PFM：Pulse Frequency Modulation)方式对MOS-FET那样的半导体元件的开关元件进行开关控制，把直流的输入电压生成为直流的输出电压。在PWM方式中，开关元件使相当于导通期间和截止期间的总计时间的周期所对应的开关频率恒定来控制导通期间，在PFM方式中，使导通期间恒定来控制截止期间，由此使开关频率变化，将输出电压控制在一定的范围内。

充电器除了开关元件以外还包含控制用的IC芯片、电感器以及滤波电容器。开关元件需要将工作中的发热引起的温度上升抑制在预定的范围以下。开关元件，由导通电阻、栅极充电电荷量、导通时间以及截止时间等元件固有的常数、和输入电压以及输出电流(充电电流)等电路常数以及开关频率决定发热量。

在充电器的设计中，当决定输入电压以及输出电流时，选定开关元件来决定开关频率。DC/DC变换器原理上在输出电压中包含脉动成分，因此也考虑此时允许的脉动含有率。开关频率越低，脉动含有率越多。此后，选定适合于输出电流的电感器，最后决定用于将脉动电压收敛在允许范围内的电容器。在此，开关频率越低发热量越小，因此可以使用小型的开关元件，但是相反脉动电流增大，因此存在用于将脉动电压收敛在预定范围内的电感器以及滤波电容器大型化的问题。

锂离子二次电池以恒压恒流方式充电。在锂离子二次电池的充电中，在维持安全、抑制劣化的发展方面，需要严格管理针对电池电芯的充电电压的上限，设置过电压保护电路来控制充电电压的最大值。在恒压区域中进行充电的期间，充电器的输出电压达到了最大值，因此，当叠加在输出电压上的脉动电压大时，过电压保护电路工作。

另外，当降低恒压区域中的输出电压的设定，即使脉动电压增大，过电压保护电路也不工作时，充电结束时的满充电容量减小，因此，不必要地降低输出电压，这是不理想的。因此，此前在采用PWM方式的DC/DC变换器的充电器中，为了在恒压区域中使过电压保护电路不工作，从恒流区域的充电开始到恒压区域的充电为止，固定地使用了某种程度的高开关频率。

专利文献1以及专利文献2公开了一种开关稳压器，其在轻负荷时降低振荡频率来改善效率，在重负荷时提高振荡频率来获得良好的响应特性和低脉动电压。专利文献3公开了通过峰值保持电路监视脉流的峰值，通过恒流恒压方式对锂离子电池充电的技术。

专利文献

专利文献1：日本特开平11-155281号公报

专利文献2：日本特开2010-178608号公报

专利文献3：日本特许第3620118号公报

发明内容

近年来，在锂离子二次电池中，采用了可以流过大充电电流，在短时间内充电的急速充电型的锂离子二次电池。对急速充电型的锂离子二次电池进行急速充电的充电器需要流过大电流，因此，DC/DC变换器的开关元件的电力损失引起的发热成为问题。也存在采用大容量的开关元件来应对的方法，但是存在尺寸增大，另外成本也上升的问题。

当对二次电池的充电特性进行分析时可知，充电器与向设备供给电力的DC/DC变换器不同，在从充电初期到结束为止的整体充电期间不需要将脉动含有率收敛在预定范围内。因此，如果可以基于该充电特性，在充电期间中的一定的范围内降低开关频率，则能够通过不采用超过需要的大容量的开关元件的充电器进行急速充电。

因此，本发明的目的在于，提供可以采用小容量的开关元件，以大充电电流进行充电的充电系统。而且，本发明的目的在于，提供能够采用适合于通常充电的开关元件来进行急速充电的充电系统。而且，本发明的目的在于，提供在这种充电系统中采用的充电方法以及安装了这种充电系统的便携式计算机。

本发明涉及通过脉冲宽度控制方式对直流的输入电压进行开关控制的充电系统。在脉冲宽度控制方式中，使开关频率恒定来调整占空比，控制输出电压。开关频率高，则输出电压中包含的脉动电压减少，可以生成高质量的输出电压。在输出电压上叠加的脉动电压使过电压保护电路工作。