JP2006060953A - Power supply unit - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ユーザ側の仕様に合わせて接続された負荷において、当該負荷が無負荷から重負荷まで変化する場合でも、最大効率となるよう出力特性を調整する電源装置に関する。 The present invention relates to a power supply apparatus that adjusts output characteristics so that maximum efficiency can be achieved even when the load changes from no load to heavy load in a load connected in accordance with user specifications.
従来、例えばスイッチング電源,無停電電源装置などに代表される電源装置の効率は、最大定格負荷時を前提に検討されてきた。すなわち、電源装置は、製品仕様で設定された最大定格負荷を接続した時に最も効率がよくなるように設計するのが一般的であった。具体的に言うと、最大定格負荷が100Wの電源であれば100W出力時の効率を最大にするよう設計し、又一般のカタログにおいても効率スペックは最大定格でうたわれている。これを示したものが図6であるが、同図は、負荷率100%付近で最大効率となるように設計された出力特性(効率特性)を示している。なお、負荷率とは、最大定格負荷に対する現在の負荷電力の割合(負荷率=(負荷電力/最大定格負荷)×100)をいう。 Conventionally, efficiencies of power supply devices represented by, for example, switching power supplies and uninterruptible power supply devices have been studied on the premise of the maximum rated load. That is, the power supply device is generally designed so as to be most efficient when the maximum rated load set in the product specification is connected. Specifically, if the maximum rated load is a power supply of 100 W, it is designed to maximize the efficiency at the time of 100 W output, and in general catalogs, the efficiency specification is sung at the maximum rating. This is shown in FIG. 6, which shows output characteristics (efficiency characteristics) designed to achieve maximum efficiency near a load factor of 100%. The load factor refers to the ratio of the current load power to the maximum rated load (load factor = (load power / maximum rated load) × 100).
ところがユーザ側では、100%負荷を連続で使用することは稀で、70%〜80%ぐらいディレーティングして使用している。ユーザやピーク時は最大定格出力が必要だが、通常は20%程度の負荷しか使わないユーザも多い。このような条件下での使用においては、電源装置の効率は100%負荷では良好となるが、20%負荷では効率が低下してしまうこととなる。従って、ユーザ側にとってみると、軽負荷,中間負荷などでは電源装置の能力を最大限に発揮させることができず、結果的に損失として多くのエネルギーを無駄にしていることになる。 However, on the user side, it is rare that 100% load is continuously used, and 70% to 80% is derated and used. The user needs a maximum rated output during peak hours, but many users usually use only a load of about 20%. In use under such conditions, the efficiency of the power supply device is good at 100% load, but the efficiency decreases at 20% load. Therefore, from the viewpoint of the user, it is impossible to maximize the performance of the power supply device with a light load, an intermediate load, etc., and as a result, a lot of energy is wasted as a loss.
このような問題を解決する手段として、特許文献1には、負荷電流の変化の大小に応じて、電源装置の制御方式を変更する電源装置が開示されている。これは、負荷検出部で検出した負荷電流がしきい値より小さい場合はRCC方式で電源制御を行い、一方、負荷電流がしきい値より大きい場合は共振方式で電源制御を行なうというものであり、電源装置の負荷電力出力時に発生する負荷電流の変化に応じて、電源制御方式を切り替えることで効率を高めている。
しかし、上記従来の電源装置では、負荷電流の変化が激しい場合に、電源制御方式が頻繁に切り替ってしまうという問題があった。電源制御方式の切り替えが短時間に集中して発生すると、電源制御方式が安定しないため、電源装置の出力が低下する虞がある。 However, the conventional power supply apparatus has a problem that the power supply control system is frequently switched when the load current changes drastically. If the switching of the power supply control method is concentrated in a short time, the power supply control method is not stable, and the output of the power supply device may be reduced.
また、負荷電流の変化に合わせて、早めに電源制御方式を切り替えるため、2つのしきい値を設けることでヒステリシス特性を持たせているが、該2つのしきい値で挟まれた応差部分では2つの電源制御方式のどちらも採り得るため、中間負荷では電源制御方式が最適化されないという問題があった。とりわけ、負荷電流が前記応差部分でのみ変化する場合では、負荷電流のリップル(脈動)やサージ電流などで一時的にしきい値を超えてしまうと、電源制御方式が最適でない方に切り替ってしまう虞があり、一旦電源制御方式が切り替ってしまうと、前記ヒステリシス特性から負荷電流がある程度低下又は増加しなければ元の電源制御方式に戻ることができず、かえって効率が悪くなることもある。 In addition, in order to switch the power supply control system as soon as the load current changes, hysteresis characteristics are provided by providing two threshold values. However, in the hysteresis portion sandwiched between the two threshold values, Since either of the two power control methods can be adopted, there is a problem that the power control method is not optimized with an intermediate load. In particular, when the load current changes only at the hysteresis portion, if the threshold is temporarily exceeded due to ripple (pulsation) or surge current of the load current, the power supply control method is switched to the non-optimal one. There is a possibility that once the power supply control method is switched, it is not possible to return to the original power supply control method unless the load current is reduced or increased to some extent from the hysteresis characteristics, and the efficiency may be deteriorated.
そこで本発明は上記問題点に鑑み、種々の負荷条件に応じて、電源効率が最大になるよう自動的に調整する電源装置を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a power supply device that automatically adjusts power supply efficiency to be maximized according to various load conditions.
本発明における請求項1の電源装置では、負荷条件を検出する検出手段と、前記検出手段からの検出結果に基づき一定期間中の前記負荷条件を監視して、最も頻度の高い最頻負荷条件を判別する監視手段と、前記最頻負荷条件で電源効率が最大となるように出力特性を調整する調整手段と、前記出力特性で負荷に電力を出力する出力手段とを備えている。 In the power supply device according to the first aspect of the present invention, the load condition is detected, and the load condition during a predetermined period is monitored based on the detection result from the detection means, and the most frequent load condition is determined. Monitoring means for determining, adjusting means for adjusting output characteristics so that power supply efficiency is maximized under the mode load condition, and output means for outputting power to the load with the output characteristics.
本発明は、電源装置の出力特性を調整することにより、負荷条件に対する電源効率のピーク値をシフトさせることができることに着目してなされたものであり、検出手段により実際に検出された負荷条件を、監視手段で監視し、調整手段により当該負荷条件に最適な出力特性となるよう自動的に調整することで、負荷条件が種々に変化しても、電源効率を最大にすることができる。また、所定の期間内で検出された負荷条件のうち検出頻度の高い最頻負荷条件で電源効率が最大となるように出力特性を調整するため、出力特性が頻繁に変更されることがなく、出力を安定させることができる。 The present invention has been made paying attention to the fact that the peak value of the power supply efficiency with respect to the load condition can be shifted by adjusting the output characteristics of the power supply device. The load condition actually detected by the detection means is determined. The power supply efficiency can be maximized even when the load condition changes variously by monitoring with the monitoring means and automatically adjusting the adjusting means so as to obtain the optimum output characteristic for the load condition. In addition, the output characteristics are not frequently changed in order to adjust the output characteristics so that the power supply efficiency is maximized under the most frequent load conditions with high detection frequency among the load conditions detected within a predetermined period. The output can be stabilized.
本発明の請求項1によると、ユーザ側の負荷条件で電源効率を最大にすることができるため、出力損失が少なく、省エネルギーに大きく貢献することができる。また、出力特性が頻繁に変更されることがなく、出力を安定させることができる。 According to the first aspect of the present invention, since the power efficiency can be maximized under the load condition on the user side, the output loss is small and it can greatly contribute to energy saving. Further, the output characteristics are not frequently changed, and the output can be stabilized.
以下、添付図面を参照しながら、本発明における電源装置の好ましい実施例を説明する。 Hereinafter, preferred embodiments of a power supply device according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
図1は、本実施例における電源装置1の全体構成を示したブロック図である。同図において、電源装置1は、入力端子20に接続された電力供給源としての商用交流電源2から供給される交流電力を整流することで直流供給電力を得る例えばダイオードブリッジ回路などからなる入力フィルター及び整流回路部3と、前記直流供給電力から高調波成分を取り除き昇圧する例えばアクティブフィルタ回路からなる力率改善部4と、力率改善部4の出力側に発生する直流入力電圧を所要の負荷電圧に変換して出力する例えば絶縁型DC/DCコンバータからなる出力手段としての出力部5と、出力部5から出力される負荷電力(負荷電圧及び負荷電流)を検出する検出手段としての負荷条件検出部9と、当該負荷電力を外部に出力する出力端子21と、後述する例えばマイクロコンピュータやDSPなどからなる出力制御部10とにより構成され、出力端子21にはユーザ側の仕様に応じた負荷Lが接続される。
FIG. 1 is a block diagram showing the overall configuration of the power supply device 1 in this embodiment. In FIG. 1, a power supply device 1 is an input filter composed of, for example, a diode bridge circuit that obtains DC supply power by rectifying AC power supplied from a commercial
負荷条件検出部9は、出力部5から出力される負荷電圧を抵抗6,7により分圧することで検出し、一方、例えばカレントトランス及び電圧変換抵抗などからなる電流検出手段8により負荷電流を検出する。これらは、出力端子21に接続されたユーザ側の負荷Lを特徴づける負荷条件として検出され、出力制御部10に入力される。ここで、負荷条件とは、例えば負荷電流,負荷電圧,負荷電力,位相,インピーダンスなど負荷に関する電気的な各種条件をいい、本実施例では、このうち負荷電流,負荷電圧,負荷電力を検出するようにしている。
The load condition detection unit 9 detects the load voltage output from the
出力制御部10は、負荷条件検出部9で検出された検出結果としての負荷条件を所定のサンプリング周期でディジタル信号(離散時間信号)に変換するA/D変換手段11と、A/D変換手段11でディジタル信号に変換された負荷条件を監視して、最も頻度の高い最頻負荷条件を判別する負荷条件監視手段12と、最頻負荷条件で電源効率が最大となるように出力部5の出力特性を調整する出力特性調整手段13とから構成され、所謂帰還制御回路として機能し、出力部5ひいては当該負荷電力を制御する。すなわち、出力制御部10は、負荷電圧を安定させるための帰還回路として、負荷条件検出部9で検出された負荷電圧の変動に応じて、出力部5を構成するスイッチング素子のパルス導通幅を例えばPWM制御などの周知の制御方法で可変制御すると共に、A/D変換手段11,負荷条件監視手段12,及び出力特性調整手段13により、接続されたユーザ側の負荷Lに合わせ、その負荷条件で電源装置1の効率が最大になるように出力部5ひいては当該負荷電力の出力特性を自動的に調整する。
The
出力制御部10を構成する負荷条件監視手段12は、ユーザ側の装置に搭載された際に、負荷条件検出部9で検出された検出結果に基づき、負荷条件を例えば電源投入時や負荷電力安定時などのある一定期間モニター(監視)し、最も頻度の高い負荷条件である最頻負荷条件を判別する。そして、最頻負荷条件と電源装置1の最大定格とから負荷率を算出する。負荷率の算出に用いる負荷条件としては、検出頻度の高いものの他に、検出した負荷条件のピーク値や平均値を用いてもよく、この場合ノイズによる検出誤差を考慮した演算手段又は回路構成を採るのが好ましい。ところで、A/D変換手段11は、負荷条件検出部9で検出された負荷条件(アナログ信号)を出力制御部10で取り扱い易いディジタル信号に変換するために設けられているが、上記のように、基準値の算出に用いる負荷条件としてピーク値や平均値を用いるために、出力制御部10の入力段にピークホールド回路や平滑回路などを設けた場合には、A/D変換手段11を省略してもよい。
The load condition monitoring means 12 constituting the
一方、出力特性調整手段13は、負荷条件監視手段12により判別された最頻負荷条件から算出された負荷率で最大効率となるよう、出力部5の構成要素や前記スイッチング素子の発振周波数などの電源装置1自体の内部状態を変更することで、出力部5の出力特性を自動的に調整する所謂オートチューニングを行う。
On the other hand, the output characteristic adjusting means 13 adjusts the components of the
例えば、予め出力制御部10に記憶された出力特性の選出対象が、図2乃至図5で示すように、負荷率20%から負荷率80%まで20%刻みで最大効率をシフトさせたものであるとする。これらの選出対象には、各出力特性毎に所定の幅で適合範囲が割り付けられており、例えば負荷率20%で最大効率となる出力特性(図2)では、当該適合範囲は負荷率0%(無負荷)〜29%となる。従って、負荷条件監視手段11により算出された負荷率が25%のときは、これに該当する適合範囲を有する図2の出力特性が選出されることとなる。すなわち、出力特性調整手段13は、負荷条件監視手段11により算出された負荷率で最大効率となるものを、図2乃至図5で示した出力特性から選出し、当該選出した出力特性で負荷電力が出力されるよう、出力部5ひいては電源装置1の内部状態を変更することで、電源装置1の効率を自動的に調整する。
For example, as shown in FIGS. 2 to 5, the selection target of the output characteristics stored in advance in the
なお、前記出力部5の構成要素としては、例えば、回路方式(トポロジー),補助電源方式,共振条件を決定している各種定数,トランス、コイルの巻き数及びインダクタンスなどがあり、これらを適宜変更することで、出力部5の出力特性を自動的に調整する。具体的に言うと、例えば、出力部5に設けられた例えばスイッチング素子やリレーなどから成る切替手段5aに切替信号を出力することで、当該構成要素を変更する。
The components of the
次に、本発明の作用について説明する。 Next, the operation of the present invention will be described.
商用交流電源2からの交流電力が、入力端子20を介して電源装置1の入力フィルター及び整流回路部3に供給されると、該入力フィルター及び整流回路部3は、当該交流電力を直流供給電力に変換する。このとき、入力フィルター及び整流回路部3の力率改善部4側には、高調波成分を含む脈動した直流供給電圧が発生する。力率改善部4では、前記直流供給電圧から高調波成分を取り除くと共に、昇圧した直流入力電圧を出力部5に出力する。出力部5では、スイッチング素子をスイッチング動作(オン・オフ動作)させて、トランスの一次巻線に前記直流入力電圧を断続的に印加することで、二次巻線側に電圧を誘起させ、整流平滑した後、出力端子21を介して負荷電圧ひいては負荷電力を負荷Lに出力する。なお、以上の説明は、出力部5を絶縁型DC/DCコンバータで構成した場合についての説明である。
When AC power from the commercial
負荷Lに出力される負荷電力は、負荷条件検出部9により負荷条件として検出される。より詳細には、負荷条件検出部9は、負荷電圧を抵抗6,7により分圧することで検出し、一方、電流検出手段8では、カレントトランスで検出した負荷電流を電圧変換抵抗で電圧に変換することで検出する。検出された負荷条件は、出力制御部10を構成するA/D変換手段11でディジタル信号に変換され、負荷条件監視手段12でモニターされる。負荷条件監視手段12は、負荷条件検出部9からの検出結果に基づき電源投入時から一定期間中の当該負荷条件をモニターして、最も頻度の高い最頻負荷条件を判別し、当該最頻負荷条件と電源装置1の最大定格とから現在接続されている負荷Lに対する負荷率を算出する。
The load power output to the load L is detected as a load condition by the load condition detection unit 9. More specifically, the load condition detection unit 9 detects the load voltage by dividing the load voltage with the resistors 6 and 7, while the current detection unit 8 converts the load current detected with the current transformer into a voltage with the voltage conversion resistor. To detect. The detected load condition is converted into a digital signal by the A / D conversion means 11 constituting the
出力特性調整手段13は、負荷条件監視手段12により算出された負荷率で最大効率となる出力特性を、予め出力制御部10に記憶された出力特性の中から選出し、当該選出した出力特性で負荷電力が出力されるよう出力部5の切替手段5aに切替信号を出力する。出力部5では、切替手段5aにより、共振条件を決定している定数可変,発振周波数可変,補助電源方式の切り替え,トランス、コイルのインダクタンス可変などの構成要素が変更されるため、出力特性調整手段13により選出された前記出力特性で負荷Lに負荷電力を出力する。なお、最初の電源投入時では、ユーザ側の負荷条件が不明であるため、出力特性の初期設定を従来と同様の負荷率100%で最大効率となるもの(図6参照)としておけばよい。また、ユーザ側で一度接続された負荷Lは、頻繁に取り替えられることは稀なので、出力特性調整手段13により選出された出力特性を出力制御部10に記憶させ、再起動時には、前回選出された出力特性を初期設定とするように構成すれば、電源投入時から最適な出力特性となり、より損失を少なくすることができる。
The output characteristic adjusting means 13 selects an output characteristic that has the maximum efficiency at the load factor calculated by the load condition monitoring means 12 from the output characteristics stored in advance in the
このようにして、実際接続されている負荷Lの負荷条件に応じて、出力部5ひいては電源装置1の内部状態を変更することで、電源装置1の効率を自動的に調整することができる。従って、電源装置1の出力損失が少なくなるように、負荷条件に応じた電源効率とすることができるため、省エネルギーに大きく貢献することができる。また、本実施例では、所定の期間内で検出された負荷条件のうち検出頻度の高い最頻負荷条件で電源効率が最大となるように出力特性を調整するため、出力特性が頻繁に変更されることがなく、出力を安定させることができる。もちろん、負荷条件を出力制御部10を構成する負荷条件監視手段12によりリアルタイム(実時間)でモニターするようにしてもよい。このようにすれば、負荷条件が種々に変化しても、電源装置1の効率を常に最大にすることができる。とりわけ、負荷変動が大きい機器を負荷Lとする場合には、電源装置1をリアルタイムでオートチューニングするよう構成するのが好ましい。
In this way, the efficiency of the power supply device 1 can be automatically adjusted by changing the
以上のように本実施例では、負荷Lの負荷条件を検出する検出手段としての負荷条件検出部9と、負荷条件検出部9からの検出結果に基づき一定期間中の前記負荷条件を監視して、最も頻度の高い最頻負荷条件を判別する監視手段としての負荷条件監視手段12と、前記最頻負荷条件で電源効率が最大となるように出力特性を調整する調整手段としての出力特性調整手段13と、前記出力特性で負荷Lに電力を出力する出力手段としての出力部5とを備えている。
As described above, in this embodiment, the load condition detection unit 9 as a detection unit that detects the load condition of the load L, and the load condition during a certain period are monitored based on the detection result from the load condition detection unit 9. A load
本発明は、電源装置1の出力特性を調整することにより、負荷条件に対する電源効率のピーク値をシフトさせることができることに着目してなされたものであり、負荷条件検出部9により実際に検出された負荷条件を、負荷条件監視手段12で監視し、出力特性調整手段13により当該負荷条件に最適な出力特性となるよう自動的に調整することで、負荷条件が種々に変化しても、電源効率を最大にすることができる。また、所定の期間内で検出された負荷条件のうち検出頻度の高い最頻負荷条件で電源効率が最大となるように出力特性を調整するため、出力特性が頻繁に変更されることがなく、出力を安定させることができる。従って、ユーザ側の負荷条件で電源効率を最大にすることができるため、出力損失が少なく、省エネルギーに大きく貢献することができる。また、出力特性が頻繁に変更されることがなく、出力を安定させることができる。
The present invention has been made in view of the fact that the peak value of the power supply efficiency with respect to the load condition can be shifted by adjusting the output characteristics of the power supply device 1, and is actually detected by the load condition detection unit 9. The load
なお、本発明は、上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更可能である。出力特性は効率特性に限らず、例えば伝送特性,補償時間特性など電源装置の出力に関する全ての特性に対して適用できる。例えば、電源装置1の効率を最大とする若しくはノイズを抑制するため、負荷条件検出部9に負荷Lのインピーダンスを計測する手段を設け、出力制御部10により電源装置1側と負荷Lとのインピーダンスマッチング(整合)を行うようにしてもよい。又、出力部5以外に、入力フィルター及び整流回路部3や力率改善部4にそれぞれ切替手段3a,4aを設けることにより、入力フィルターや整流回路,及び力率改善回路についても、その構成を負荷条件に最適に切り換えて対応しても良い。その他、例えば、負荷電圧が所定の第一の閾値を超えて低下した場合に、出力能力を増加させ、負荷電圧が所定の第二の閾値を超えて増加した場合には、出力能力を減少させるように補助電源を切り替えるよう構成することで、負荷条件に応じて出力能力(最大定格電力)を増減するようにしてもよい。このようにすることで、ユーザ側の負荷に対する適応力をさらに向上させることができる。
In addition, this invention is not limited to the said Example, It can change in the range which does not deviate from the meaning of this invention. The output characteristics are not limited to the efficiency characteristics, and can be applied to all characteristics relating to the output of the power supply device such as transmission characteristics and compensation time characteristics. For example, in order to maximize the efficiency of the power supply device 1 or suppress noise, the load condition detection unit 9 is provided with means for measuring the impedance of the load L, and the impedance between the power supply device 1 side and the load L is controlled by the
また、出力制御部10を、負荷条件を検出せずに、予め設定されたタイムチャートプログラムに従って出力特性を変更するようにすることも可能である。
It is also possible for the
本発明は、電源装置であればどのようなものでも適用可能であり、出力電力も直流出力と交流出力とのどちらでもよく、出力方式として各種スイッチング電源方式が採用可能であり、さらには負荷電流を一定に制御する電流源に適用してもよい。 The present invention can be applied to any power supply device, the output power may be either DC output or AC output, various switching power supply systems can be adopted as output systems, and load current The current source may be applied to a current source that is controlled to be constant.
5 出力部(出力手段)
9 負荷条件検出部(検出手段)
12 負荷条件監視手段(監視手段)
13 出力特性調整手段(調整手段)
5 Output section (output means)
9 Load condition detector (detection means)
12 Load condition monitoring means (monitoring means)
13 Output characteristics adjustment means (Adjustment means)
Claims (1)
Detecting means for detecting a load condition; monitoring means for monitoring the load condition during a predetermined period based on a detection result from the detecting means; and determining the most frequent mode load condition; and the mode load condition A power supply apparatus comprising: adjustment means for adjusting output characteristics so that power supply efficiency is maximized; and output means for outputting power to a load with the output characteristics.
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