JP2007336745A - 昇圧チョッパ回路 - Google Patents
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Abstract
【課題】低温時においても所望な出力電圧を安定して得ることが可能な昇圧チョッパ回路を提供することを目的とする。
【解決手段】入力段に設けられるチョークコイル52と、出力段に設けられるコンデンサ55と、チョークコイル52とコンデンサ55との間に設けられるMOSFET53と、チョークコイル52とグランドとの間に設けられるMOSFET54と、温度検出部3と、出力電圧Voutに基づいてMOSFET53、54の動作を制御する制御部2とを備えて昇圧チョッパ回路1を構成し、その制御部2は、温度検出部3により検出される温度tが閾値TH以下である場合、出力電圧Voutのサンプリング数を増加させてそれらの出力電圧Voutの移動平均VoutAを求め、その移動平均VoutAに基づいてMOSFET53、54の動作を制御する。
【選択図】図1
【解決手段】入力段に設けられるチョークコイル52と、出力段に設けられるコンデンサ55と、チョークコイル52とコンデンサ55との間に設けられるMOSFET53と、チョークコイル52とグランドとの間に設けられるMOSFET54と、温度検出部3と、出力電圧Voutに基づいてMOSFET53、54の動作を制御する制御部2とを備えて昇圧チョッパ回路1を構成し、その制御部2は、温度検出部3により検出される温度tが閾値TH以下である場合、出力電圧Voutのサンプリング数を増加させてそれらの出力電圧Voutの移動平均VoutAを求め、その移動平均VoutAに基づいてMOSFET53、54の動作を制御する。
【選択図】図1
Description
本発明は、スイッチング素子をオン、オフさせることにより入力電圧を昇圧する昇圧チョッパ回路に関する。
図5は、既存の昇圧チョッパ回路を示す図である。
図5に示す昇圧チョッパ回路50は、コンデンサ51と、チョークコイル52と、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)53、54と、コンデンサ55とを備えて構成されている。
図5に示す昇圧チョッパ回路50は、コンデンサ51と、チョークコイル52と、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)53、54と、コンデンサ55とを備えて構成されている。
すなわち、コンデンサ51は昇圧チョッパ回路50の入力段に設けられ、コンデンサ55は昇圧チョッパ回路50の出力段に設けられている。また、チョークコイル52の一方端はコンデンサ51に接続され、チョークコイル52の他方端はMOSFET54のドレインに接続されている。また、MOSFET54のソースはグランドに接続されている。また、MOSFET53のドレインはコンデンサ55に接続され、MOSFET53のソースはMOSFET54のドレインに接続されている。
このように構成される昇圧チョッパ回路50は、MOSFET53、54が交互にオン、オフを繰り返すことにより入力電圧を昇圧する。すなわち、MOSFET54がオン、MOSFET53がオフすると、チョークコイル52にエネルギーが蓄積され、MOSFET54がオフ、MOSFET53がオンすると、チョークコイル52に蓄積されたエネルギーによりMOSFET53のドレイン電圧が上昇しコンデンサ55に電荷が蓄積される。これらの動作が繰り返されることにより入力電圧が昇圧される。
ところで、MOSFET54のオン期間では、出力電流は全てコンデンサ55に蓄積される電荷の持ち出しに頼ることになるため、当然大きな容量のコンデンサ55が必要である。また、入力電圧は出力電圧に比べて低く入力側には出力側に比べ大電流が流れるため、コンデンサ51の容量も大きくする必要がある。そのため、コンデンサ51、55は、体格やコストを考えると、電解コンデンサを使用することが有効である。
しかしながら、上記昇圧チョッパ回路50を例えば車載用回路として使用する場合、昇圧チョッパ回路50には−40℃付近からの動作保証が必須になるが、−40℃付近という低温時では電解コンデンサのESR(Equivalent Series Resistance)が増大する。電解コンデンサを使用してコンデンサ51、55を構成する場合、ESRが増大すると昇圧チョッパ回路50の入力電圧や出力電圧に含まれるリプルが大きくなってしまう。そのため、少なくとも昇圧チョッパ回路50の出力電圧に基づいてMOSFET53、54の動作を制御する場合では、出力電圧に含まれるリプルが大きくなると、安定した出力電圧検出が困難になるため、MOSFET53、54の動作制御の安定性が失われ出力電圧の発振の原因になるという問題がある。
そこで、上記昇圧チョッパ回路50に温度検出部を備え、その温度検出部で検出される温度が閾値以下の低温時になると、MOSFET54の駆動信号のデューティを、出力電圧に含まれるリプルを抑えることが可能な値に変化させるものがある(例えば、特許文献1参照)。
特開2002−112535号公報
しかしながら、上述のように、低温時になるとMOSFET54の駆動信号のデューティを変化させる昇圧チョッパ回路50では、MOSFET54の駆動信号のデューティが温度検出部で検出される温度に依存して変化してしまうため、所望な出力電圧が得られ難くなってしまうという問題がある。
そこで、本発明では、低温時においても所望な出力電圧を安定して得ることが可能な昇圧チョッパ回路を提供することを目的とする。
上記の課題を解決するために本発明では、以下のような構成を採用した。
すなわち、本発明の昇圧チョッパ回路は、入力段に設けられるインダクタと、出力段に設けられるコンデンサと、インダクタとコンデンサとの間に設けられる整流手段と、インダクタとグランドとの間に設けられるスイッチング素子と、温度検出手段と、少なくとも出力電圧に基づいてスイッチング素子の動作を制御する制御手段とを備える。また、制御手段は、温度検出手段により検出される温度が閾値以下である場合、出力電圧のサンプリング数を増加させてそれらの出力電圧の移動平均を求め、その移動平均に基づいてスイッチング素子の動作を制御する。
すなわち、本発明の昇圧チョッパ回路は、入力段に設けられるインダクタと、出力段に設けられるコンデンサと、インダクタとコンデンサとの間に設けられる整流手段と、インダクタとグランドとの間に設けられるスイッチング素子と、温度検出手段と、少なくとも出力電圧に基づいてスイッチング素子の動作を制御する制御手段とを備える。また、制御手段は、温度検出手段により検出される温度が閾値以下である場合、出力電圧のサンプリング数を増加させてそれらの出力電圧の移動平均を求め、その移動平均に基づいてスイッチング素子の動作を制御する。
このように、低温時において、各出力電圧の移動平均を求めることにより、出力電圧に含まれるリプルを抑えることができるので、安定した出力電圧を得ることができる。また、その移動平均が目標の出力電圧に近づくようにスイッチング素子の動作を制御することにより、所望な出力電圧を得ることができる。従って、低温時においても所望な出力電圧を安定して得ることができる。
また、上記制御手段は、温度検出手段により検出される温度が閾値以下である場合、出力電圧のサンプリング数を2以上にしてそれらの出力電圧の移動平均を求め、その移動平均に基づいてスイッチング素子の動作を制御するように構成してもよい。
また、本発明の昇圧チョッパ回路は、入力段に設けられるインダクタと、出力段に設けられるコンデンサと、インダクタとコンデンサとの間に設けられる整流手段と、インダクタとグランドとの間に設けられるスイッチング素子と、少なくとも出力電圧に基づいてスイッチング素子の動作を制御する制御手段とを備える。また、制御手段は、出力電圧の変化量が所定値より大きい場合、出力電圧のサンプリング数を増加させてそれらの出力電圧の移動平均を求め、その移動平均に基づいてスイッチング素子の動作を制御する。
このように構成しても、低温時において所望な出力電圧を安定して得ることができる。
また、上記制御手段は、出力電圧の変化量が所定値より大きい場合、出力電圧のサンプリング数を2以上にしてそれらの出力電圧の移動平均を求め、その移動平均に基づいてスイッチング素子の動作を制御するように構成してもよい。
また、上記制御手段は、出力電圧の変化量が所定値より大きい場合、出力電圧のサンプリング数を2以上にしてそれらの出力電圧の移動平均を求め、その移動平均に基づいてスイッチング素子の動作を制御するように構成してもよい。
また、上記制御手段は、今回サンプリングした出力電圧とその前にサンプリングした出力電圧との差分が所定値以上である場合、それらの出力電圧の移動平均を求め、その移動平均に基づいてスイッチング素子の動作を制御するように構成してもよい。
また、上記制御手段は、複数サンプリングした出力電圧のうち最大値と最小値との差分が所定値以上である場合、それらの出力電圧の移動平均を求め、その移動平均に基づいて前記スイッチング素子の動作を制御するように構成してもよい。
本発明によれば、昇圧チョッパ回路において、低温時に所望な出力電圧を安定して得ることができる。
以下、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。
図1は、本発明の実施形態の昇圧チョッパ回路を示す図である。なお、図5に示す構成と同じ構成には同じ符号を付している。
図1は、本発明の実施形態の昇圧チョッパ回路を示す図である。なお、図5に示す構成と同じ構成には同じ符号を付している。
図1に示す昇圧チョッパ回路1は、コンデンサ51と、チョークコイル52(インダクタ)と、MOSFET53(整流手段)と、MOSFET54(スイッチング素子)と、コンデンサ55と、制御部2(制御手段)と、温度検出部3(温度検出手段)とを備えて構成されている。また、制御部2は、温度検出部3で検出される温度t及びコンデンサ55にかかる出力電圧Voutに基づいて、MOSFET53、54をそれぞれ駆動させるための駆動信号を出力する。
なお、制御部2は、例えば、CPUにより構成されるものとする。また、制御部2は、さらにコンデンサ51にかかる入力電圧Vinも使用して駆動信号を出力してもよい。また、コンデンサ51、55は、例えば、電解コンデンサとする。また、温度検出部3は、例えば、サーミスタ(正または負の温度係数をもつサーミスタ)とし、昇圧チョッパ回路1外部周辺または内部の雰囲気温度やコンデンサ51やコンデンサ55の周辺温度を検出するものとする。また、MOSFET53の代わりにダイオードを使用してもよい。また、MOSFET53、54の代わりにIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)を使用してもよい。また、昇圧チョッパ回路1は、チョークコイル52の代わりにフライバック型のトランス(インダクタ)を備えて構成してもよい。このように構成する場合、MOSFET54のドレインはトランスの一次側コイルの一方端に接続され、MOSFET54のソースはグランドに接続されているものとする。また、トランスの一次側コイルの他方端はコンデンサ51に接続され、トランスの二次側コイルはMOSFET53やダイオードなどの整流部を介してコンデンサ55に接続されるものとする。
図2は、制御部2の動作を示すフローチャートである。
まず、制御部2は、前回Vout(N:0〜6)として格納した出力電圧VoutをVout(N+1)として格納すると共に、前回Vout7として格納した出力電圧Voutを削除する。その後、入力される出力電圧VoutをVout0として格納する(ステップS1)。
まず、制御部2は、前回Vout(N:0〜6)として格納した出力電圧VoutをVout(N+1)として格納すると共に、前回Vout7として格納した出力電圧Voutを削除する。その後、入力される出力電圧VoutをVout0として格納する(ステップS1)。
なお、図2のフローチャートでは、後述するように、入力される出力電圧Voutの移動平均の回数を8回(23回)に設定しているため、8個の出力電圧Voutを格納する構成であるが、少なくとも移動平均の回数以上の数、出力電圧Voutを格納できればよい。
次に、制御部2は、入力される温度tを格納する(ステップS2)。
次に、制御部2は、格納した温度tが閾値TH以下であるか否かを判断する(ステップS3)。
次に、制御部2は、格納した温度tが閾値TH以下であるか否かを判断する(ステップS3)。
温度tが閾値TH以下でないと判断した場合(ステップS3がNo)、制御部2は、Vout0として格納した出力電圧Voutに基づいてデューティd1の変化量Δd1を求め、その変化量Δd1と前回のデューティd1との加算値を今回のデューティd1とする(ステップS4)。例えば、変化量Δd1は下記数1に示すようにPI制御により求める。なお、デューティd1を計算する際にサンプリングした出力電圧Voutは、Vout0として格納した出力電圧Voutだけであり、サンプリング数は1である。
なお、Vouttargetを目標の出力電圧とし、PをPI制御のP(Proportional)項の定数とし、IをPI制御のI(Integral)項の定数とする。
一方、温度tが閾値TH以下であると判断した場合(ステップS3がYes)、制御部2は、Vout0〜Vout7として格納した各出力電圧Voutの移動平均VoutAを求める(ステップS5)。例えば、移動平均VoutAは下記数2により求める。
一方、温度tが閾値TH以下であると判断した場合(ステップS3がYes)、制御部2は、Vout0〜Vout7として格納した各出力電圧Voutの移動平均VoutAを求める(ステップS5)。例えば、移動平均VoutAは下記数2により求める。
なお、出力電圧Voutの移動平均の回数は特に限定されないが、チョークコイル52やMOSFET53、54などの特性や昇圧チョッパ回路1の動作制御の応答性などを考慮して出力電圧Voutに含まれるリプルをできるだけ抑えることが可能な回数に設定することが望ましい。
次に、制御部2は、求めた移動平均VoutAに基づいてデューティd2の変化量Δd2を求め、その変化量Δd2と前回のデューティd2との加算値を今回のデューティd2とする(ステップS6)。例えば、デューティΔd2は下記数3に示すようにPI制御により求める。なお、デューティd2を求める際にサンプリングされた出力電圧Voutは、Vout0〜Vout7として格納した各出力電圧Voutであり、サンプリング数は8である。
そして、制御部2は、求めたデューティd1またはデューティd2に基づいてMOSFET53、54のそれぞれの駆動信号を求めて出力する(ステップS7)。
なお、駆動信号を求める際の制御方式は、PWM(Pulse Width Modulation)制御やPFM(Pulse Frequency Modulation)制御など特に限定されない。
なお、駆動信号を求める際の制御方式は、PWM(Pulse Width Modulation)制御やPFM(Pulse Frequency Modulation)制御など特に限定されない。
図3(a)は、常温時の出力電圧Voutに含まれるリプルを示す図である。また、図3(b)は、低温時の出力電圧Voutに含まれるリプルを示す図である。また、図3(c)は、低温時において移動平均VoutAを求めてMOSFET53、54の動作を制御したときの出力電圧Voutに含まれるリプルを示す図である。なお、図3(a)〜図3(c)において、縦軸は電圧を示し、横軸は時間を示している。
常温時では、コンデンサ51、55のESRは小さくコンデンサ51、55の効きが良いため、図3(a)に示すように、出力電圧Voutに含まれるリプルは小さい。
一方、低温時では、コンデンサ51、55のESRは大きくコンデンサ51、55の効きが悪くなるため、図3(b)に示すように、出力電圧Voutに含まれるリプルは大きい。
一方、低温時では、コンデンサ51、55のESRは大きくコンデンサ51、55の効きが悪くなるため、図3(b)に示すように、出力電圧Voutに含まれるリプルは大きい。
そして、低温時(温度tが閾値TH以下になるとき)において移動平均VoutAを求め、その移動平均VoutAに基づいてMOSFET53、54の動作を制御する場合では、移動平均VoutAを求めることにより、図3(c)に示すように、出力電圧Voutに含まれるリプルを図3(b)に比べて抑えることができるので、安定した出力電圧Voutを得ることができる。また、その移動平均VoutAが目標の出力電圧Vouttargetに近づくようにMOSFET53、54の動作を制御することにより、所望な出力電圧Voutを得ることができる。従って、低温時においても所望な出力電圧Voutを安定して得ることができる。
なお、上記実施形態では、温度検出部3で検出される温度tが閾値TH以下になるとき移動平均VoutAによりMOSFET53、54を動作制御する構成であるが、温度が低い場合出力電圧Voutが不安定になることを利用し、出力電圧Voutの変化量が大きいときの移動平均VoutAによりMOSFET53、54を動作制御してもよい。
図4は、出力電圧Voutの変化量の大きさに応じて移動平均VoutAによりMOSFET53、54を動作制御するか否かを判断する場合の制御部2の動作を示すフローチャートである。
まず、制御部2は、前回Vout(N:0〜6)として格納した出力電圧VoutをVout(N+1)として格納すると共に、前回Vout7として格納した出力電圧Voutを削除する。その後、入力される出力電圧VoutをVout0として格納する(ステップST1)。
次に、制御部2は、出力電圧Voutの変化量が大きいか否かを判断する(ステップST2)。
例えば、制御部2は、Vout0として格納した出力電圧VoutからVout1として格納した出力電圧Voutを差し引いた値(Vout0−Vout1)またはVout1として格納した出力電圧VoutからVout0として格納した出力電圧Voutを差し引いた値(Vout1−Vout0)が所定値X以上である場合、出力電圧Voutの変化量が大きいと判断し、Vout0として格納した出力電圧VoutからVout1として格納した出力電圧Voutを差し引いた値(Vout0−Vout1)またはVout1として格納した出力電圧VoutからVout0として格納した出力電圧Voutを差し引いた値(Vout1−Vout0)が所定値X以上でない場合、出力電圧Voutの変化量が大きくないと判断する。なお、Vout0−Vout1またはVout1−Vout0におけるVout1は、Vout2〜7のうちの何れかでもよい。
例えば、制御部2は、Vout0として格納した出力電圧VoutからVout1として格納した出力電圧Voutを差し引いた値(Vout0−Vout1)またはVout1として格納した出力電圧VoutからVout0として格納した出力電圧Voutを差し引いた値(Vout1−Vout0)が所定値X以上である場合、出力電圧Voutの変化量が大きいと判断し、Vout0として格納した出力電圧VoutからVout1として格納した出力電圧Voutを差し引いた値(Vout0−Vout1)またはVout1として格納した出力電圧VoutからVout0として格納した出力電圧Voutを差し引いた値(Vout1−Vout0)が所定値X以上でない場合、出力電圧Voutの変化量が大きくないと判断する。なお、Vout0−Vout1またはVout1−Vout0におけるVout1は、Vout2〜7のうちの何れかでもよい。
また、例えば、制御部2は、Vout0〜Vout7のうちの最大値maxからVout0〜Vout7のうちの最小値minを差し引いた値(max−min)が所定値x以上である場合、出力電圧Voutの変化量が大きいと判断し、Vout0〜Vout7のうちの最大値maxからVout0〜Vout7のうちの最小値minを差し引いた値(max−min)が所定値x以上でない場合、出力電圧Voutの変化量が大きくないと判断する。
出力電圧Voutの変化量が大きくないと判断する場合(ステップST2がNo)、制御部2は、Vout0として格納した出力電圧Voutに基づいてデューティd1の変化量Δd1を求め、その変化量Δd1と前回のデューティd1との加算値を今回のデューティd1とする(ステップST3)。なお、変化量Δd1は、例えば、上記数1により求めるものとする。
一方、出力電圧Voutの変化量が大きいと判断する場合(ステップST2がYes)、制御部2は、Vout0〜Vout7として格納した各出力電圧Voutの移動平均VoutAを求める(ステップST4)。なお、VoutAは、例えば、上記数2により求めるものとする。
次に、制御部2は、求めた移動平均VoutAに基づいてデューティd2の変化量Δd2を求め、その変化量Δd2と前回のデューティd2との加算値を今回のデューティd2とする(ステップST5)。なお、変化量Δd2は、例えば、上記数3により求めるものとする。
そして、制御部2は、計算したデューティd1またはデューティd2に基づいてMOSFET53、54のそれぞれの駆動信号を求めて出力する(ステップST6)。
このように、温度検出部3を使用しなくても、出力電圧Voutの変化量の大きさに応じて移動平均VoutAによりMOSFET53、54を動作制御するか否かを判断することにより、上記実施形態と同様に、低温時においても所望な出力電圧Voutを安定して得ることができる。
このように、温度検出部3を使用しなくても、出力電圧Voutの変化量の大きさに応じて移動平均VoutAによりMOSFET53、54を動作制御するか否かを判断することにより、上記実施形態と同様に、低温時においても所望な出力電圧Voutを安定して得ることができる。
なお、上記実施形態では、温度tが閾値TH以下でない場合、または、出力電圧Voutの変化量が大きくない場合、Vout0として格納している出力電圧Voutに基づいてデューティd1を計算する構成であるが、温度tが閾値TH以下でない場合、または、出力電圧Voutの変化量が大きくない場合、Vout0〜Vout(n)として格納している各出力電圧Voutの移動平均Vouta1を求め、その移動平均Vouta1を上記数1のVout0とすることによりデューティd1を計算してもよい。このように構成する場合、温度tが閾値TH以下である場合、または、出力電圧Voutの変化量が大きい場合、Vout0〜Vout(n+1)として格納している各出力電圧Voutの移動平均Vouta2を求め、その移動平均Vouta2を上記数3のVoutAとすることによりデューティd2を計算してもよい。
1 昇圧チョッパ回路
2 制御部
3 温度検出部
50 昇圧チョッパ回路
51 コンデンサ
52 チョークコイル
53 MOSFET
54 MOSFET
55 コンデンサ
2 制御部
3 温度検出部
50 昇圧チョッパ回路
51 コンデンサ
52 チョークコイル
53 MOSFET
54 MOSFET
55 コンデンサ
Claims (6)
- 入力段に設けられるインダクタと、
出力段に設けられるコンデンサと、
前記インダクタと前記コンデンサとの間に設けられる整流手段と、
前記インダクタとグランドとの間に設けられるスイッチング素子と、
温度検出手段と、
少なくとも出力電圧に基づいて前記スイッチング素子の動作を制御する制御手段と、
を備え、
前記制御手段は、前記温度検出手段により検出される温度が閾値以下である場合、前記出力電圧のサンプリング数を増加させてそれらの出力電圧の移動平均を求め、その移動平均に基づいて前記スイッチング素子の動作を制御する、
ことを特徴とする昇圧チョッパ回路。 - 請求項1に記載の昇圧チョッパ回路であって、
前記制御手段は、前記温度検出手段により検出される温度が閾値以下である場合、前記出力電圧のサンプリング数を2以上にしてそれらの出力電圧の移動平均を求め、その移動平均に基づいて前記スイッチング素子の動作を制御する、
ことを特徴とする昇圧チョッパ回路。 - 入力段に設けられるインダクタと、
出力段に設けられるコンデンサと、
前記インダクタと前記コンデンサとの間に設けられる整流手段と、
前記インダクタとグランドとの間に設けられるスイッチング素子と、
少なくとも出力電圧に基づいて前記スイッチング素子の動作を制御する制御手段と、
を備え、
前記制御手段は、前記出力電圧の変化量が所定値より大きい場合、前記出力電圧のサンプリング数を増加させてそれらの出力電圧の移動平均を求め、その移動平均に基づいて前記スイッチング素子の動作を制御する、
ことを特徴とする昇圧チョッパ回路。 - 請求項3に記載の昇圧チョッパ回路であって、
前記制御手段は、前記出力電圧の変化量が所定値より大きい場合、前記出力電圧のサンプリング数を2以上にしてそれらの出力電圧の移動平均を求め、その移動平均に基づいて前記スイッチング素子の動作を制御する、
ことを特徴とする昇圧チョッパ回路。 - 請求項3に記載の昇圧チョッパ回路であって、
前記制御手段は、今回サンプリングした出力電圧とその前にサンプリングした出力電圧との差分が所定値以上である場合、それらの出力電圧の移動平均を求め、その移動平均に基づいて前記スイッチング素子の動作を制御する、
ことを特徴とする昇圧チョッパ回路。 - 請求項3に記載の昇圧チョッパ回路であって、
前記制御手段は、複数サンプリングした出力電圧のうち最大値と最小値との差分が所定値以上である場合、それらの出力電圧の移動平均を求め、その移動平均に基づいて前記スイッチング素子の動作を制御する、
ことを特徴とする昇圧チョッパ回路。
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