JP2006271089A

JP2006271089A - 昇圧チョッパ装置及び昇圧チョッパ装置のスイッチング周波数制御方法

Info

Publication number: JP2006271089A
Application number: JP2005084567A
Authority: JP
Inventors: Akikuni Kato; 彰訓加藤
Original assignee: Kawamura Electric Inc
Current assignee: Kawamura Electric Inc
Priority date: 2005-03-23
Filing date: 2005-03-23
Publication date: 2006-10-05

Abstract

【課題】スイッチング素子とリアクトルの周波数特性を利用して高効率で安定した運転を実施できる。
【解決手段】スイッチング素子１、リアクトル２、整流素子３、平滑コンデンサ４に加えて、入力電力検出装置５、出力電力検出装置６、スイッチング素子のスイッチングを制御する制御回路７を有し、制御回路７は、入力電力と出力電力の差ΔＷを予め設定した設定値Ｗと比較して、ΔＷ＞Ｗであれば、スイッチング周波数を低下させ、ΔＷ＜Ｗであれば、スイッチング周波数を上昇させる制御を実施する。
【選択図】図１

Description

本発明は、スイッチング素子、リアクトル、整流素子、平滑コンデンサ等を用いて、直流電源を昇圧する昇圧チョッパ装置に関する。

従来の昇圧チョッパ装置は、図２の回路図に示すように構成され、直流電源を一定周期でオン／オフするスイッチング素子２１、スイッチング素子２１がオン時に直流電源２２からのエネルギーを蓄積し、オフ時に蓄積エネルギー並びに直流電源からのエネルギーを負荷に供給するためのリアクトル２３、スイッチング素子２１がオフ時に負荷へエネルギーを供給する経路を形成する整流素子２４、整流素子２４を介してスイッチング素子２１に並列的に設けられた両端から負荷に直流電圧を出力する平滑コンデンサ２５を有している（例えば、特許文献１参照）。
そして、出力電圧が目標電圧に達するようにスイッチング素子２１へゲート信号を送り、スイッチング素子のオン／オフのデューティー比を変えて電圧制御を行い、昇圧動作を実施している。

特開平６−１３３５４１号公報（第４図）

上述するように、昇圧チョッパ装置は、スイッチング素子２１のオン／オフのデューティー比を変えることで出力電圧を決定している。しかし、装置自体の変換効率を見てみると、装置を構成する個々の素子の損失特性は異なるし、個体誤差、温度特性誤差があるため、常に良好な効率で運転されるわけではなかった。また、製品毎に効率のばらつきが発生していたし、運転中の効率が低下しても、効率を上げるよう制御されてはいなかった。

上記するような素子を備えた昇圧チョッパ装置の場合、効率低下の主要因は、スイッチング素子２１のスイッチング損失とリアクトル２３の損失であることが分かっている。そして、スイッチング素子２１のスイッチング損失は、スイッチング周波数と比例関係があり、スイッチング周波数を低くすればスイッチング損失は低減される。但し、スイッチング周波数を低くし過ぎると、スイッチング制御による電圧制御の兼ね合いで動作が不安定になる虞がある。
一方、リアクトル２３はスイッチング周波数を低くすると、インピーダンスが減少して電流が増えるので銅損が増加することになるし、鉄損はスイッチング周波数が高くなると増加する特性を有している。

そこで、本発明はこのような問題点に鑑み、個々の素子特性にばらつきがあっても、スイッチング素子とリアクトルの周波数特性を利用して常に高効率で而も安定した運転を実施できる昇圧チョッパ装置及び昇圧チョッパ装置のスイッチング周波数制御方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決する為に、請求項１に記載の発明は、スイッチング素子、リアクトル、整流素子、平滑コンデンサを備えて、入力直流電圧を昇圧して出力する昇圧チョッパ装置において、入力する電力を検出する入力電力検出手段と、出力する電力を検出する出力電力検出手段と、前記スイッチング素子のスイッチング周波数を制御するスイッチング周波数制御手段とを有し、前記スイッチング周波数制御手段は、入力電力と出力電力の差ΔＷを求める差演算部と、予め設定した設定値Ｗと前記差ΔＷを比較する比較部と、比較した結果がΔＷ＞Ｗであれば、スイッチング周波数を低下させ、ΔＷ＜Ｗであれば、スイッチング周波数を上昇させる信号を出力するスイッチング周波数決定部とを有し、入力電力と出力電力の差が前記設定値に等しくなるよう制御することを特徴とする。
この構成により、スイッチング素子とリアクトルの電力損失の合計を小さく維持でき、且つ動作が不安定になることが無く、高効率で安定した運転を実施できる。

請求項２の発明は、スイッチング素子、リアクトル、整流素子、平滑コンデンサを備えて、入力直流電圧を昇圧して出力する昇圧チョッパ装置のスイッチング周波数制御方法であって、入力電力と出力電力の差ΔＷが、予め設定した設定値Ｗに対して、ΔＷ＞Ｗであれば、前記スイッチング素子のスイッチング周波数を低下させ、ΔＷ＜Ｗであれば、スイッチング周波数を上昇させ、入力電力と出力電力の差が設定値に等しくなるよう制御することを特徴とする。
この方法により、スイッチング素子とリアクトルの電力損失の合計を小さく維持でき、且つ動作が不安定になることが無く、高効率で安定した運転を実施できる。

本発明によれば、スイッチング素子とリアクトルの電力損失の合計を小さく維持でき、且つ動作が不安定になることが無く、高効率で安定した運転を実施できる。

以下、本発明を具体化した実施の形態を、図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明に係る昇圧チョッパ装置の回路ブロック図を示し、１はスイッチング素子、２はリアクトル、３は整流素子、４は平滑コンデンサ、５は入力電力検出装置、６は出力電力検出装置、７はスイッチング素子１を制御する制御回路、８ａは入力端子、８ｂは出力端子、９は直流電源を示している。

制御回路７は、入力電力と出力電力の差を演算する差演算部１０、予め設定した設定値と比較する比較部１１、比較した結果を基に所定式による演算を行い、スイッチング周波数を決定するスイッチング周波数決定部１２を有している。一方で制御回路７は、出力電圧のＰＩ制御を行うＰＩ演算部１４、制御信号生成部１５を有し、スイッチング周波数決定部１２の出力によりキャリア三角波の大きさを変化させ、ＰＩ演算値と比較してスイッチング素子１のゲート信号を生成している。尚、各回路は図示しないマイクロコンピュータにより制御されて演算を実施している。

上記構成のスイッチング素子１のスイッチング周波数制御は、次の手順で実施される。
（１）入力電力Ｗｉと出力電力Ｗｏの差ΔＷ（Ｗｉ−Ｗｏ）を計算する。
（２）差ΔＷの目標値として設定値Ｗを予め設定しておき、誤差α（設定値Ｗ−電力差ΔＷ）を計算する。
（３）キャリア係数（１＋Ｋ・α）を計算する。
（４）基本キャリアにキャリア係数（１＋Ｋ・α）を乗算する（スイッチング周波数を変える。）。
（５）出力電圧のＰＩ制御と（４）とを比較してスイッチング素子１へのゲート信号を作る。

上記制御により、電力差ΔＷ＞設定値Ｗであれば、１＋Ｋ・α＜１となるため、基本キャリアにキャリア係数（１＋Ｋ・α）を乗算した値は基本キャリアより小さくなる。即ち、スイッチング周波数は低下する。また、電力差ΔＷ＜設定値Ｗのときは、１＋Ｋ・α＞１となり、逆にスイッチング周波数は上昇する。
この結果、この昇圧チョッパ装置は、入出力電力差が大きい時は周波数を下げてスイッチング損失を低減させ、入出力電力差が小さい時は周波数を上げて安定した動作を維持させる動作をする。

尚、電力差ΔＷが設定値より小さい時は、高効率な運転を実施していると見ることができるが、実際には回路を構成する素子には特性ばらつきがあり、低周波数でスイッチングさせた場合、動作が不安定に成る場合がある。そのため、動作が不安定に成ることがない値として設定値を設定し、この設定値を下回るとスイッチング周波数を上げるよう制御している。また、出力電圧は、目標電圧と出力電圧の差を求めてＰＩ制御を実施し、フィードバック制御により、スイッチング素子のデューティー比を制御している。

このように、制御回路は出力電圧を制御すると共にスイッチング周波数制御手段として動作し、リアクトルとスイッチング素子の損失合計が小さく且つ良好な動作を維持するよう制御を実施でき、高効率で安定した運転が可能となる。

尚、上記実施形態の場合、入力電力と出力電力の電力差を監視して、スイッチング周波数の制御信号をキャリア三角波の大きさを変化させて作成し、ＰＩ演算値と比較してゲート信号を作成しているが、ＰＩ制御による電圧制御と周波数制御による効率制御を独立させても良い。

本発明に係る昇圧チョッパ装置の実施形態の一例を示す回路図である。従来の昇圧チョッパ装置の回路図である。

符号の説明

１・・スイッチング素子、２・・リアクトル、３・・整流素子、４・・平滑コンデンサ、５・・入力電力検出装置（入力電力検出手段）、６・・出力電力検出装置（出力電力検出手段）、７・・制御回路（スイッチング周波数制御手段）、１０・・差演算部、１１・・比較部、１２・・スイッチング周波数決定部。

Claims

スイッチング素子、リアクトル、整流素子、平滑コンデンサを備えて、入力直流電圧を昇圧して出力する昇圧チョッパ装置において、
入力する電力を検出する入力電力検出手段と、出力する電力を検出する出力電力検出手段と、前記スイッチング素子のスイッチング周波数を制御するスイッチング周波数制御手段とを有し、
前記スイッチング周波数制御手段は、入力電力と出力電力の差ΔＷを求める差演算部と、予め設定した設定値Ｗと前記差ΔＷを比較する比較部と、比較した結果がΔＷ＞Ｗであれば、スイッチング周波数を低下させ、ΔＷ＜Ｗであれば、スイッチング周波数を上昇させる信号を出力するスイッチング周波数決定部とを有し、入力電力と出力電力の差が前記設定値に等しくなるよう制御することを特徴とする昇圧チョッパ装置。
スイッチング素子、リアクトル、整流素子、平滑コンデンサを備えて、入力直流電圧を昇圧して出力する昇圧チョッパ装置のスイッチング周波数制御方法であって、
入力電力と出力電力の差ΔＷが、予め設定した設定値Ｗに対して、ΔＷ＞Ｗであれば、前記スイッチング素子のスイッチング周波数を低下させ、ΔＷ＜Ｗであれば、スイッチング周波数を上昇させ、入力電力と出力電力の差が設定値に等しくなるよう制御することを特徴とする昇圧チョッパ装置のスイッチング周波数制御方法。