JP2009232587A - Power supply device and control method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、スイッチング動作によって電圧変換を行う電源装置に関し、特に、スイッチング動作によって電圧変換を行う複数チャンネルの電圧変換回路を並列接続して構成される電源装置に関する。さらに、本発明は、そのような電源装置の制御方法に関する。 The present invention relates to a power supply device that performs voltage conversion by a switching operation, and more particularly to a power supply device that is configured by connecting in parallel a plurality of channels of voltage conversion circuits that perform voltage conversion by a switching operation. Furthermore, the present invention relates to a method for controlling such a power supply device.
近年においては、小型軽量で効率良く電力を取り出すことのできるDC/DCコンバータ等のスイッチング電源が広く使用されている。例えば、トランスを用いる絶縁型のDC/DCコンバータにおいては、トランスの1次側においてスイッチング動作を行うことによってトランスの2次側に交流電圧を発生し、この交流電圧をダイオード及びコンデンサで整流及び平滑することによって直流電圧が得られる。また、トランスの替わりにチョークコイルを用いる非絶縁型のスイッチング電源も用いられている。 In recent years, switching power supplies such as DC / DC converters, which are small and light and can efficiently extract power, have been widely used. For example, in an insulated DC / DC converter using a transformer, an AC voltage is generated on the secondary side of the transformer by performing a switching operation on the primary side of the transformer, and this AC voltage is rectified and smoothed by a diode and a capacitor. By doing so, a DC voltage is obtained. A non-insulated switching power supply using a choke coil instead of a transformer is also used.
しかしながら、スイッチング電源において、大きな出力電力を得るためには、トランス又はチョークコイルやコンデンサ等の部品が大型化してしまう。また、スイッチングによって発生する出力電圧のリップルも大きくなってしまう。そこで、異なる位相で動作する複数チャンネルの電圧変換回路を並列接続したマルチフェーズ方式の電源装置が開発されている。マルチフェーズ方式の電源装置によれば、部品を小型化すると共に、出力電圧のリップルを低減することができる。 However, in a switching power supply, in order to obtain large output power, components such as a transformer, a choke coil, and a capacitor are increased in size. In addition, output voltage ripple generated by switching also increases. Therefore, a multi-phase power supply device has been developed in which a plurality of voltage conversion circuits operating in different phases are connected in parallel. According to the multi-phase power supply apparatus, it is possible to reduce the size of the components and reduce the ripple of the output voltage.
関連する技術として、特許文献1には、小電流から大電流までの広いダイナミックレンジにおいてリップルの少ない良質の変換出力を高能率で得ることを目的としたスイッチング制御方式のDC/DCコンバータが開示されている。このDC/DCコンバータは、共通の入力電源から供給される入力電流をオン/オフ制御する複数のスイッチング回路と、各スイッチング回路においてオン/オフ制御された電流を合成及び平滑して負荷に供給する平滑回路と、複数のスイッチング回路を互いに同一周期かつ異なる位相でオン/オフ動作させると共に、平滑回路の出力電圧が所定の目標値となるように各スイッチング回路のオン時間幅をフィードバック制御する多相PWM制御回路を有し、入力電流のオン/オフ通電路を形成するスイッチング回路を低電流出力時に減数させる動作制御手段を備えたことを特徴としている。 As a related technique, Patent Document 1 discloses a DC / DC converter of a switching control system aiming at obtaining a high-quality conversion output with little ripple in a wide dynamic range from a small current to a large current with high efficiency. ing. The DC / DC converter synthesizes and smoothes a plurality of switching circuits that perform on / off control of input currents supplied from a common input power supply and currents that are on / off controlled in each switching circuit, and supplies them to a load. A multi-phase circuit that allows a smoothing circuit and a plurality of switching circuits to be turned on / off in the same cycle and different phases, and that the on-time width of each switching circuit is feedback-controlled so that the output voltage of the smoothing circuit becomes a predetermined target value. It is characterized by comprising an operation control means that has a PWM control circuit and reduces a switching circuit that forms an ON / OFF energization path for an input current at the time of low current output.
また、特許文献2には、低負荷〜高負荷の広い負荷範囲で高効率を得ることを目的としたマルチフェーズ型のDC/DCコンバータ回路が開示されている。このDC/DCコンバータ回路は、複数の動作フェーズを有し、DC/DCコンバータ回路の出力負荷の大きさによって動作フェーズの動作数を切り替え可能なフェーズ切替回路を設けたことを特徴としている。 Patent Document 2 discloses a multi-phase DC / DC converter circuit for the purpose of obtaining high efficiency in a wide load range from low load to high load. This DC / DC converter circuit has a plurality of operation phases and is provided with a phase switching circuit capable of switching the number of operations in the operation phase depending on the magnitude of the output load of the DC / DC converter circuit.
図7は、特許文献1に記載されているDC/DCコンバータを模式的に示す図である。このDC/DCコンバータは、複数のスイッチング回路によって構成される電圧変換回路101及び102と、電圧検出回路103と、電圧検出回路103の検出結果に基づいて電圧変換回路101及び102を制御する制御回路104とを含んでいる。電圧変換回路101及び102の出力電流は、それぞれに接続されたインタクタンス素子を介して合成され、コンデンサによって平滑されて、電力PLとして負荷ZLに供給される。
FIG. 7 is a diagram schematically showing the DC / DC converter described in Patent Document 1. As shown in FIG. This DC / DC converter includes
図8は、図7に示すDC/DCコンバータの動作を説明するための図である。図8において、横軸は時間(t)を表しており、縦軸は、電圧変換回路101及び102の出力電力P1及びP2と、負荷ZLに供給される電力PLを表している。図8に示すように、負荷ZLに供給される電力PLが小さい期間においては、電圧変換回路101のみが動作しているが、負荷ZLに供給される電力PLが大きい期間においては、電圧変換回路101及び102の両方が動作するようになる。
FIG. 8 is a diagram for explaining the operation of the DC / DC converter shown in FIG. 8, the horizontal axis represents time (t), and the vertical axis represents the output power P 1 and P 2 of the
制御回路104は、電圧検出回路103の検出結果に基づいて電圧変換回路101及び102をフィードバック制御するが、フィードバック制御における応答の遅れにより、DC/DCコンバータの出力電圧が過渡的に変動し、その結果として、負荷ZLに供給される電圧のハンチング(制御応答結果が振動すること)が生じてしまう。特許文献1及び2には、このような過渡的な出力電圧のハンチングを解決することに関しては開示されていない。
そこで、上記の点に鑑み、本発明は、スイッチング動作によって電圧変換を行う複数チャンネルの電圧変換回路を並列接続して構成される電源装置において、動作させる電圧変換回路のチャンネル数を変化させる際に生じる過渡的な出力電圧のハンチング等の不安定性を防止することを目的とする。 Accordingly, in view of the above points, the present invention provides a power supply device configured by connecting in parallel a plurality of voltage conversion circuits that perform voltage conversion by switching operation, when changing the number of channels of the voltage conversion circuit to be operated. The purpose is to prevent instability such as hunting of the transient output voltage that occurs.
上記課題を解決するため、本発明の1つの観点に係る電源装置は、パルス状の駆動信号に従ってスイッチング動作を行うことにより電圧変換動作を行い、出力電流を合成して共通の負荷に供給する複数チャンネルの電圧変換回路と、負荷に供給される出力電流を検出する検出手段と、検出手段の検出結果に基づいて、負荷に供給される電流又は電力の値を算出する負荷状態算出手段と、負荷状態算出手段によって算出される電流又は電力の値に基づいて、複数チャンネルの電圧変換回路の内で動作させる電圧変換回路のチャンネル数を設定する動作チャンネル数設定手段と、動作チャンネル数設定手段によって設定されるチャンネル数に従って複数チャンネルの電圧変換回路を制御し、動作させる電圧変換回路のチャンネル数を増加させるときに、少なくとも1つの電圧変換回路を新たに起動させると共に、他の起動している電圧変換回路の出力電流を減少させ、動作させる電圧変換回路のチャンネル数を減少させるときに、少なくとも1つの電圧変換回路を停止させると共に、他の起動している電圧変換回路の出力電流を増加させる信号生成手段とを具備する。 In order to solve the above-described problem, a power supply device according to one aspect of the present invention performs a voltage conversion operation by performing a switching operation according to a pulsed drive signal, combines output currents, and supplies them to a common load. A voltage conversion circuit for the channel, a detection means for detecting an output current supplied to the load, a load state calculation means for calculating a value of a current or power supplied to the load based on a detection result of the detection means, and a load Based on the current or power value calculated by the state calculation means, the operation channel number setting means for setting the number of channels of the voltage conversion circuit to be operated in the plurality of voltage conversion circuits, and the operation channel number setting means. By controlling the voltage converter circuit of multiple channels according to the number of channels to be operated and increasing the number of channels of the voltage converter circuit to be operated In addition, when at least one voltage conversion circuit is newly activated, the output current of another activated voltage conversion circuit is decreased, and the number of channels of the voltage conversion circuit to be operated is decreased, at least one voltage conversion circuit Signal generation means for stopping the circuit and increasing the output current of another activated voltage conversion circuit.
また、本発明の1つの観点に係る電源装置の制御方法は、パルス状の駆動信号に従ってスイッチング動作を行うことにより電圧変換動作を行い、出力電流を合成して共通の負荷に供給する複数チャンネルの電圧変換回路を有する電源装置の制御方法であって、負荷に供給される出力電流を検出するステップ(a)と、ステップ(a)における検出結果に基づいて、負荷に供給される電流又は電力の値を算出するステップ(b)と、ステップ(b)において算出される電流又は電力の値に基づいて、複数チャンネルの電圧変換回路の内で動作させる電圧変換回路のチャンネル数を設定するステップ(c)と、ステップ(c)において設定されるチャンネル数に従って複数チャンネルの電圧変換回路を制御し、動作させる電圧変換回路のチャンネル数を増加させるときに、少なくとも1つの電圧変換回路を新たに起動させると共に、他の起動している電圧変換回路の出力電流を減少させ、動作させる電圧変換回路のチャンネル数を減少させるときに、少なくとも1つの電圧変換回路を停止させると共に、他の起動している電圧変換回路の出力電流を増加させるステップ(d)とを具備する。 In addition, a control method for a power supply apparatus according to one aspect of the present invention performs a voltage conversion operation by performing a switching operation in accordance with a pulsed drive signal, combines output currents, and supplies a plurality of channels to a common load. A method for controlling a power supply apparatus having a voltage conversion circuit, the step (a) of detecting an output current supplied to a load, and the current or power supplied to the load based on the detection result in step (a) A step (b) for calculating a value, and a step (c) for setting the number of channels of the voltage conversion circuit to be operated in the voltage conversion circuit of a plurality of channels based on the current or power value calculated in step (b). ) And a channel of the voltage conversion circuit for controlling and operating the voltage conversion circuit of a plurality of channels according to the number of channels set in step (c). When the number is increased, at least one voltage conversion circuit is newly activated, and the output current of another activated voltage conversion circuit is decreased to reduce the number of channels of the voltage conversion circuit to be operated. A step (d) of stopping at least one voltage conversion circuit and increasing an output current of another activated voltage conversion circuit.
本発明によれば、少なくとも1つの電圧変換回路の出力電流の量を変化させる際に、他の起動している電圧変換回路の出力電流の量を逆向きに変化させるので、動作する電圧変換回路の数を変化させる際に生じる過渡的な出力電圧のハンチングを抑える等、過渡特性を改善することができる。 According to the present invention, when changing the amount of output current of at least one voltage conversion circuit, the amount of output current of another activated voltage conversion circuit is changed in the opposite direction, so that the voltage conversion circuit that operates The transient characteristics can be improved, for example, by suppressing the hunting of the transient output voltage that occurs when the number of signals is changed.
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳しく説明する。なお、同一の構成要素には同一の参照番号を付して、説明を省略する。
図1は、本発明の第1の実施形態に係る電源装置の構成を示す図である。この電源装置は、交流電源電圧の入力端子1及び2と、直流電源電圧の出力端子3及び4と、入力される交流電源電圧を整流及び平滑する整流平滑回路10と、整流平滑回路10によって整流及び平滑された電圧が供給され、スイッチング動作を行うことによって電圧変換を行う複数チャンネルの電圧変換回路(図1においては、チャンネル1の電圧変換回路11〜チャンネル4の電圧変換回路14を示す)と、電圧変換回路11〜14の出力電流(出力電力)を合成する出力合成回路30と、電圧変換回路11〜14を制御する制御部40とを有している。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The same constituent elements are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a power supply device according to the first embodiment of the present invention. This power supply apparatus includes AC power supply voltage input terminals 1 and 2, DC power supply voltage output terminals 3 and 4, a rectifying and
さらに、この電源装置は、電圧変換回路11〜14の共通の入力電圧を検出する入力電圧検出回路50と、出力合成回路30の出力電圧を検出する出力電圧検出回路60と、電圧変換回路11〜14の入力電流をそれぞれ検出する入力電流検出回路71〜74と、電圧変換回路11〜14の出力電流をそれぞれ検出する出力電流検出回路81〜84とを有している。なお、検出回路の種類や数は、必要に応じて適宜変更することができる。例えば、入力電流検出回路71〜74の替わりに、電圧変換回路11〜14の共通の入力電流を検出する入力電流検出回路を設け、出力電流検出回路81〜84の替わりに、出力合成回路30の出力電流を検出する出力電流検出回路を設けるようにしても良い。
Further, the power supply device includes an input
整流平滑回路10は、例えば、ダイオードブリッジとコンデンサとを含んでおり、入力端子1と入力端子2との間に印加される交流電圧をダイオードブリッジによって全波整流し、コンデンサによって平滑する。
The rectifying /
チャンネル1の電圧変換回路11は、1次側の交流電圧を昇圧又は降圧して2次側に出力するトランス20と、トランスの1次側巻線21に直列に接続され、パルス状の駆動信号に従ってトランスの1次側巻線21に電流を流すMOSFET等のスイッチング素子24と、制御部40から供給される駆動信号に基づいて、スイッチング素子24を駆動するための駆動信号を生成する駆動回路25と、トランスの2次側巻線22に発生する電圧を半波整流するダイオード26と、整流された電圧を平滑するコンデンサ27とを含んでいる。ここで、ダイオード26及びコンデンサ27は、出力回路を構成している。
The
トランス20は、磁性体のコア23と、コア23に回巻された1次側巻線21及び2次側巻線22とを有している。1次側巻線21の巻数をN1とし、2次側巻線22の巻数をN2とすると、損失がないとした場合に、1次側と2次側との間の昇圧比は、N2/N1となる。なお、トランス20に付されたドットの記号は、巻線の極性を示している。
The
一般に、スイッチング電源において、トランスの1次側から2次側への電力伝達方式としては、スイッチング素子がオンした時に1次側から2次側に電力を伝達するフォワード方式と、スイッチング素子がオフした時に1次側から2次側に電力を伝達するフライバック方式とがある。本実施形態においては、フライバック方式を採用している。フライバック方式は、チョークコイルが不要で部品点数が少なく、回路が簡単になるというメリットを有している。なお、スイッチング素子の数は1つに限らず、複数のスイッチング素子を用いてブリッジ構成としても良い。 Generally, in a switching power supply, as a power transmission method from the primary side to the secondary side of the transformer, a forward method in which power is transmitted from the primary side to the secondary side when the switching element is turned on, and the switching element is turned off. Sometimes there is a flyback system that transmits power from the primary side to the secondary side. In this embodiment, a flyback method is adopted. The flyback method has the advantage that a choke coil is unnecessary, the number of parts is small, and the circuit is simple. Note that the number of switching elements is not limited to one, and a plurality of switching elements may be used to form a bridge configuration.
トランスの1次側巻線21に接続される回路と、トランスの2次側巻線22に接続される回路とは、フォトカプラ等の光信号伝送素子を用いることにより、互いにアイソレートされる。例えば、制御部40をトランスの1次側巻線21に接続する場合には、出力電圧検出回路60及び出力電流検出回路81〜84から制御部40への信号経路の一部に光信号伝送素子が用いられる。
The circuit connected to the
一方、制御部40をトランスの2次側巻線22に接続する場合には、入力電圧検出回路50及び入力電流検出回路71〜74から制御部40への信号経路の一部に光信号伝送素子が用いられると共に、制御部40から電圧変換回路11〜14への信号経路の一部に光信号伝送素子が用いられる。なお、電流を電磁誘導による起電力に基づいて検出するタイプの電流検出回路については、アイソレートのための素子を設ける必要はない。
On the other hand, when the
図1に示すようなフライバック方式の電圧変換回路11においては、トランスの1次側巻線21と2次側巻線22とが逆極性の関係となっており、スイッチング素子24がオンしている間は、トランス20の1次側電流は増加するが、トランス20の2次側においてはダイオード26で逆バイアスされているので2次側電流は流れない。トランス20は、スイッチング素子24がオンしている時に、コア24にエネルギーを蓄える。
In the flyback
次に、スイッチング素子24がオフすると、磁場が電流を維持しようとするので、トランス20の電圧極性が反転して、トランス20の2次側において電流が流れる。トランス20の2次側電流は、トランスの2次側巻線22に直列接続されたダイオード26を介してコンデンサ27に充電されることにより、出力端子3と出力端子4との間に直流出力電圧を発生させる。
Next, when the switching
以上、第1の電圧変換回路11について説明したが、第2〜第4の電圧変換回路12〜14についても同様である。出力合成回路30は、複数のダイオード31〜34を含んでいる。ダイオード31〜34のアノードは、電圧変換回路11〜14の出力にそれぞれ接続されており、ダイオード31〜34のカソードは、電源装置の出力端子3に接続されている。ダイオード31〜34によって、電圧変換回路11〜14の出力電流が合成されると共に、出力電流の逆流が防止される。但し、ダイオード31〜34において電圧降下が生じるので、電圧変換回路11〜14の出力を直接又はインダクタンス素子等を介して互いに接続するようにしても良い。
The first
制御部40は、駆動信号等の制御信号を生成するコントロールブロックを一体化して収めたDSP(digital signal processor:ディジタル信号処理装置)を含んでおり、DSPの内部又は外部において、ソフトウェア(制御プログラム)やデータを格納する不揮発性メモリ等の格納部41を含んでいる。DSPは、40MHz〜1GHz程度の周波数を有するクロック信号が供給されて動作し、スイッチング素子24を10kHz〜500kHz程度の高い周波数でスイッチングさせることができる。格納部41は、LUT(ルックアップテーブル)を有しており、このLUTには、電源装置の動作を制御するために用いられる各種の設定値が格納されている。また、制御部40は、各種の検出回路から出力されるアナログの検出信号をディジタルの検出信号に変換する複数のD/Aコンバータを含んでいる。
The
図2は、図1に示す制御部の動作を説明するためのブロック図である。図2に示すように、制御部40は、負荷状態算出部42と、動作チャンネル数設定部43と、制御信号生成部44とを、機能ブロックとして含んでいる。これらの機能ブロックは、DSP及びソフトウェア(制御プログラム)を用いて構成されるが、ディジタル回路やアナログ回路を用いて構成しても良い。
FIG. 2 is a block diagram for explaining the operation of the control unit shown in FIG. As shown in FIG. 2, the
負荷状態算出部42は、出力電圧検出回路60の検出結果である出力電圧値と、出力電流検出回路81〜84の検出結果である出力電流値とに基づいて、負荷ZLに供給される電力の値を算出する。動作チャンネル数設定部43は、負荷状態算出部42によって算出される電力の値に基づいて、複数チャンネルの電圧変換回路11〜14の内で動作させる電圧変換回路のチャンネル数を設定する。
Load
制御信号生成部44は、動作チャンネル数設定部43によって設定されるチャンネル数に従って、制御信号として、電圧変換回路11〜14の各々に個別に供給される駆動信号を生成することにより、電圧変換回路11〜14を制御する。複数チャンネルの電圧変換回路を同時に動作させる場合には、それらの電圧変換回路に供給される駆動信号の位相は、互いに異なっていても良いし(マルチフェーズ方式)、揃っていても良い。出力電圧のリップルが比較的大きい場合には、マルチフェーズ方式を採用することにより、出力電圧のリップルを低減することができる。
The control
例えば、制御信号生成部44は、複数チャンネルの電圧変換回路11〜14を、チャンネル1の電圧変換回路11、チャンネル2の電圧変換回路12、チャンネル3の電圧変換回路13、チャンネル4の電圧変換回路14の順で、優先的に動作させる。ここで、制御信号生成部44は、動作させる電圧変換回路のチャンネル数を増加させるときに、少なくとも1つの電圧変換回路を新たに起動させると共に、他の起動している電圧変換回路の出力電流を減少させ、また、動作させる電圧変換回路のチャンネル数を減少させるときに、少なくとも1つの電圧変換回路を停止させると共に、他の起動している電圧変換回路の出力電流を増加させる。この制御は、動作させる電圧変換回路のチャンネル数を変化させるときに、格納部41に格納されている設定値に基づいて駆動信号のデューティを設定するフィードフォワード制御によって行われる。これにより、動作させる電圧変換回路のチャンネル数が切り換えられる際に、出力電圧の変動が抑えられる。
For example, the control
さらに、制御信号生成部44は、入力電圧検出回路50の検出結果である入力電圧値と、出力電圧検出回路60の検出結果である出力電圧値と、入力電流検出回路71〜74の検出結果である入力電流値と、出力電流検出回路81〜84の検出結果である出力電流値との内の少なくとも1つに基づいて、駆動信号のデューティをフィードバック制御する。例えば、制御信号生成部44は、出力電圧検出回路60の検出結果である出力電圧値に基づいて、動作させる電圧変換回路に供給される駆動信号のデューティを調節する。
Further, the control
スイッチング周波数が50kHzである場合には、スイッチング周期は20μsであり、フィードバック制御系の応答特性は、フィルタ特性等を考慮すると、一般的にスイッチング周期の10倍程度である200μs程度になると考えられる。即ち、この間は、フィードバック制御が正常に機能せず、応答の遅れに伴う不安定性が生じる。そこで、本実施形態においては、チャンネル数を切り換える際に、フィードバック制御が一旦解除され、フィードフォワード制御によって駆動信号のデューティが予測制御される。チャンネル数を切り換えた後は、直ちにフィードバック制御に戻しても良いし、所定の期間は過渡期として、格納部41に格納されている設定値を参照する制御を継続しても良い。
When the switching frequency is 50 kHz, the switching period is 20 μs, and the response characteristic of the feedback control system is considered to be about 200 μs, which is generally about 10 times the switching period, considering filter characteristics and the like. That is, during this time, feedback control does not function normally, and instability due to response delay occurs. Therefore, in the present embodiment, when switching the number of channels, the feedback control is once canceled, and the duty of the drive signal is predicted and controlled by feedforward control. After switching the number of channels, the control may be immediately returned to the feedback control, or the control referring to the set value stored in the
以上において、デューティを制御する替わりに、又は、デューティを制御すると共に、駆動信号の周波数(スイッチング周波数)を制御するフィードフォワード制御又はフィードバック制御を行うようにしても良い。 In the above, instead of controlling the duty, or while controlling the duty, feedforward control or feedback control for controlling the frequency (switching frequency) of the drive signal may be performed.
次に、本発明の一実施形態に係る電源装置の制御方法について、図1〜図4を参照しながら説明する。
図3は、本発明の一実施形態に係る電源装置の制御方法を示すフローチャートであり、図4は、複数チャンネルの電圧変換回路の出力電力の変化例を示す図である。図4において、横軸は電源装置の出力電力を表しており、縦軸は電圧変換回路11〜14の負荷率U1〜U4を表している。各チャンネルの電圧変換回路の負荷率Uは、次式で表される。
U={P(t)/PMAX}×100 (%)
ここで、PMAXは、各チャンネルの電圧変換回路について設定されている最大電力負荷を表し、P(t)は、各チャンネルの電圧変換回路が時刻tにおいて実際に荷う電力負荷を表している。
Next, a method for controlling a power supply apparatus according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
FIG. 3 is a flowchart illustrating a method for controlling the power supply apparatus according to an embodiment of the present invention, and FIG. 4 is a diagram illustrating an example of a change in output power of a voltage conversion circuit having a plurality of channels. In FIG. 4, the horizontal axis represents the output power of the power supply apparatus, and the vertical axis represents the load factors U 1 to U 4 of the
U = {P (t) / P MAX } × 100 (%)
Here, P MAX represents the maximum power load set for the voltage conversion circuit of each channel, and P (t) represents the power load actually loaded by the voltage conversion circuit of each channel at time t. .
最初に、図3のステップS11において、動作チャンネル数設定部43が、動作させる電圧変換回路のチャンネル数の初期値を設定する。例えば、動作チャンネル数設定部43は、動作させる電圧変換回路のチャンネル数を「1」に設定する。それに従って、ステップS12において、制御信号生成部44が、設定されたチャンネル数の電圧変換回路を起動する。例えば、制御信号生成部44は、チャンネル1の電圧変換回路11を起動する。
First, in step S11 of FIG. 3, the operation channel
電源装置の出力電圧が上昇するのに伴って、負荷に供給される電力が増加する。電源装置の出力電圧が所定値に達すると、負荷のインピーダンスが一定である場合には、電源装置の出力電力が一定値となる。負荷が次第に重くなる場合には、電源装置の出力電力も次第に増加する。チャンネル1の電圧変換回路11の出力電力だけで不足する場合には、図4に示すように、チャンネル2、3、4の電圧変換回路12、13、14が順次起動される。
As the output voltage of the power supply device increases, the power supplied to the load increases. When the output voltage of the power supply device reaches a predetermined value, if the impedance of the load is constant, the output power of the power supply device becomes a constant value. When the load becomes heavier, the output power of the power supply device also gradually increases. When only the output power of the
ステップS13において、出力電圧検出回路60及び出力電流検出回路81〜84が、負荷ZLに供給される出力電圧及び出力電流をそれぞれ検出する。ステップS14において、負荷状態算出部42が、ステップS13における出力電圧検出回路60及び出力電流検出回路81〜84の検出結果に基づいて、負荷ZLに供給される電力の値を算出する。この例においては、動作しているのがチャンネル1の電圧変換回路11のみなので、負荷状態算出部42は、出力電圧検出回路60及び出力電流検出回路81の検出結果に基づいて、電圧変換回路11の出力電力を算出するようにしても良い。ステップS15において、動作チャンネル数設定部43は、ステップ14において算出される電力の値に基づいて、複数チャンネルの電圧変換回路11〜14の内で動作させる電圧変換回路のチャンネル数を設定する。
In step S13, the output
ステップS16において、動作させる電圧変換回路のチャンネル数が増加する場合に、制御信号生成部44は、ステップS17において、少なくとも1つの電圧変換回路を新たに起動させると共に、ステップS18において、他の起動している電圧変換回路の出力電流を減少させる。
When the number of channels of the voltage conversion circuit to be operated increases in step S16, the control
例えば、図4に示すように、電圧変換回路11の負荷率U1が約100%に達すると、動作チャンネル数設定部43は、動作させる電圧変換回路のチャンネル数を「2」に設定する。それに従って、制御信号生成部44は、チャンネル2の電圧変換回路12を起動する。ここで、制御信号生成部44は、格納部41に格納されている設定値に基づいて、電圧変換回路12の負荷率U2を約50%に上昇させると共に、電圧変換回路11の負荷率U1を約50%に下降させるように、チャンネル1及び2の駆動信号を生成する。そのようにすれば、チャンネル数を増加させる際に、電源装置の出力電圧の変動が抑えられると共に、電圧変換回路11及び12の負荷率U1及びU2が略等しくなるので、電源装置の動作が安定する。
For example, as shown in FIG. 4, when the load factor U 1 of the
即ち、図1に示す出力合成回路30において、ダイオード31〜34を用いずに電圧変換回路11〜14の出力を直接接続する場合に、複数の電圧変換回路の出力電流が大幅に異なっていると、1つの電圧変換回路の出力電流が他の電圧変換回路に流れ込む所謂「横流」が生じてしまい、電源装置の電圧変換効率も低下してしまう。従って、複数の電圧変換回路の出力電流を略等しくすることにより、電源装置の動作を安定させ、電圧変換効率を改善することができる。
That is, in the
さらに、電圧変換回路11及び12の負荷率U1及びU2が約100%に達すると、動作チャンネル数設定部43は、動作させる電圧変換回路のチャンネル数を「3」に設定する。それに従って、制御信号生成部44は、チャンネル3の電圧変換回路13を起動する。
Further, when the load factors U 1 and U 2 of the
ここで、制御信号生成部44は、格納部41に格納されている設定値に基づいて、電圧変換回路13の負荷率U3を約66%に上昇させると共に、電圧変換回路11及び12の負荷率U1及びU2を約66%に下降させるように、チャンネル1〜3の駆動信号を生成する。そのようにすれば、チャンネル数を増加させる際に電源装置の出力電圧の変動が抑えられると共に、電圧変換回路11〜13の負荷率U1〜U3が略等しくなるので、電源装置の動作が安定する。
Here, the control
さらに、電圧変換回路11〜13の負荷率U1〜U3が約100%に達すると、動作チャンネル数設定部43は、動作させる電圧変換回路のチャンネル数を「4」に設定する。それに従って、制御信号生成部44は、チャンネル4の電圧変換回路14を起動する。
Further, when the load factors U 1 to U 3 of the
ここで、制御信号生成部44は、格納部41に格納されている設定値に基づいて、電圧変換回路14の負荷率U4を約75%に上昇させると共に、電圧変換回路11〜13の負荷率U1〜U3を約75%に下降させるように、チャンネル1〜4の駆動信号を生成する。そのようにすれば、チャンネル数を増加させる際に電源装置の出力電圧の変動が抑えられると共に、電圧変換回路11〜14の負荷率U1〜U4が略等しくなるので、電源装置の動作が安定する。
Here, the control
再び図3を参照すると、ステップS16において、動作させる電圧変換回路のチャンネル数が減少する場合に、制御信号生成部44は、ステップS19において、少なくとも1つの電圧変換回路を停止させると共に、ステップS20において、他の起動している電圧変換回路の出力電流を増加させる。
Referring to FIG. 3 again, when the number of channels of the voltage conversion circuit to be operated decreases in step S16, the control
例えば、図4に示すように、電圧変換回路11〜14の負荷率U1〜U4が約75%よりも低下すると、動作チャンネル数設定部43は、動作させる電圧変換回路のチャンネル数を「3」に設定する。それに従って、制御信号生成部44は、チャンネル4の電圧変換回路14を停止させる。
For example, as shown in FIG. 4, when the load factors U 1 to U 4 of the
ここで、制御信号生成部44は、格納部41に格納されている設定値に基づいて、電圧変換回路14の負荷率U4を0%に下降させると共に、電圧変換回路11〜13の負荷率U1〜U3を約100%に上昇させるように、チャンネル1〜3の駆動信号を生成する。そのようにすれば、チャンネル数を減少させる際に電源装置の出力電圧の変動が抑えられると共に、電圧変換回路11〜13の負荷率U1〜U3が略等しくなるので、電源装置の動作が安定する。
Here, the control
さらに、電圧変換回路11〜13の負荷率U1〜U3が約66%よりも低下すると、動作チャンネル数設定部43は、動作させる電圧変換回路のチャンネル数を「2」に設定する。それに従って、制御信号生成部44は、チャンネル3の電圧変換回路13を停止させる。
Further, when the load factors U 1 to U 3 of the
ここで、制御信号生成部44は、格納部41に格納されている設定値に基づいて、電圧変換回路13の負荷率U3を0%に下降させると共に、電圧変換回路11及び12の負荷率U1及びU2を約100%に上昇させるように、チャンネル1及び2の駆動信号を生成する。そのようにすれば、チャンネル数を減少させる際に電源装置の出力電圧の変動が抑えられると共に、電圧変換回路11及び12の負荷率U1及びU2が略等しくなるので、電源装置の動作が安定する。
Here, the control
さらに、電圧変換回路11及び12の負荷率U1及びU2が約50%よりも低下すると、動作チャンネル数設定部43は、動作させる電圧変換回路のチャンネル数を「1」に設定する。それに従って、制御信号生成部44は、チャンネル2の電圧変換回路12を停止させる。
Further, when the load factors U 1 and U 2 of the
ここで、制御信号生成部44は、格納部41に格納されている設定値に基づいて、電圧変換回路12の負荷率U2を0%に下降させると共に、電圧変換回路11の負荷率U1を約100%に上昇させるように、チャンネル1の駆動信号を生成する。そのようにすれば、チャンネル数を減少させる際に電源装置の出力電圧の変動が抑えられる。
Here, control
図4に示す例においては、複数チャンネルの電圧変換回路を同時に動作させる場合に、それらの電圧変換回路の出力電力(負荷率)が略等しくなるようにしたが、本発明はこれに限定されるものではなく、動作させる複数チャンネルの電圧変換回路の出力電力(負荷率)が互いに異なっていても良い。例えば、動作させる電圧変換回路のチャンネル数を「1」から「2」に変更する場合に、チャンネル1の電圧変換回路の負荷率を約100%から約80%に下降させると共に、チャンネル2の電圧変換回路の負荷率を0%から約20%に上昇させるようにしても良い。 In the example shown in FIG. 4, when the voltage conversion circuits of a plurality of channels are operated simultaneously, the output power (load factor) of these voltage conversion circuits is made substantially equal, but the present invention is limited to this. The output powers (load factors) of the voltage conversion circuits of a plurality of channels to be operated may be different from each other. For example, when the number of channels of the voltage conversion circuit to be operated is changed from “1” to “2”, the load factor of the voltage conversion circuit of channel 1 is lowered from about 100% to about 80% and the voltage of channel 2 The load factor of the conversion circuit may be increased from 0% to about 20%.
次に、本発明の第2の実施形態について説明する。
図5は、本発明の第2の実施形態に係る電源装置の制御部の動作を説明するためのブロック図である。第2の実施形態においては、図5に示すように、制御信号生成部44が、制御信号として、複数チャンネルの電圧変換回路11〜14について共通の駆動信号と、複数チャンネルの電圧変換回路11〜14の各々に個別のイネーブル信号とを供給することにより、電圧変換回路11〜14を制御する。その他の点に関しては、図1に示す第1の実施形態と同様である。図1に示す駆動回路25は、イネーブル信号が活性化されたときに、MOSFET等のスイッチング素子24に駆動信号を供給し、イネーブル信号が非活性化されたときに駆動信号をローレベルに固定する。そのような駆動回路の例を、図6に示す。
Next, a second embodiment of the present invention will be described.
FIG. 5 is a block diagram for explaining the operation of the control unit of the power supply device according to the second embodiment of the present invention. In the second embodiment, as illustrated in FIG. 5, the control
図6に示す駆動回路は、制御部40から供給される駆動信号のレベルをシフトするレベルシフタ91と、レベルシフタ91の出力信号をバッファする2つの反転回路(インバータ)92及び93と、これらの反転回路92及び93の電源ラインに接続されたスイッチ回路94とを含んでいる。
The drive circuit shown in FIG. 6 includes a
レベルシフタ91には、電源電位VDD及びVSSと、スイッチング素子24の駆動のために用いられる高電位の電源電位VHが供給される。レベルシフタ91は、駆動信号の電圧範囲を、電源電圧(VDD−VSS)の範囲から、電源電圧(VH−VSS)の範囲に変換する。ここで、例えば、電源電圧(VDD−VSS)は5Vであり、電源電圧(VH−VSS)は15Vである。
The
反転回路92及び93は、電源電位VH及びVSSが供給されて動作する。ここで、スイッチ回路94が、イネーブル信号に従って電源電位VHの供給をオン/オフする。例えば、スイッチ回路94は、電源電位VHと反転回路92及び93の電源ラインとの間に接続されたPチャネルトランジスタと、このPチャネルトランジスタのゲートに電源電位VHを印加する抵抗と、Pチャネルトランジスタのゲート電位を制御するNチャネルトランジスタとによって構成される。NチャネルトランジスタのドレインはPチャネルランジスタのゲートに接続され、ソースは電源電位VSSに接続され、ゲートにはイネーブル信号が供給される。なお、以下においては、スイッチング素子24に供給される駆動信号のことを、「ゲート信号」と呼ぶ。
The inverting
イネーブル信号がローレベルに非活性化されているときには、スイッチ回路94がオフして反転回路92及び93に電源電位VHが供給されないので、反転回路93から出力されるゲート信号はローレベルとなる。従って、スイッチング素子24はオフ状態を維持する。イネーブル信号がハイレベルに活性化されると、スイッチ回路94がオンして反転回路92及び93に電源電位VHが供給されるので、駆動信号に基づいて反転回路93からパルス状のゲート信号が出力される。図1に示すスイッチング素子24は、駆動回路25から駆動信号が印加されてスイッチング動作を行う。
When the enable signal is inactivated to the low level, the
再び図5を参照すると、制御信号生成部44は、動作させる電圧変換回路に供給されるイネーブル信号を活性化すると共に、動作させない電圧変換回路に供給されるイネーブル信号を非活性化する。動作させる複数チャンネルの電圧変換回路において出力電力を略等しくする場合には、制御信号生成部44が、それらの電圧変換回路に同一の駆動信号を供給することによって、図4に示すのと同様の動作を実現することができる。
Referring to FIG. 5 again, the control
以上の説明においては、電圧変換回路として、トランスを用いる絶縁型スイッチング電源回路を例にとって説明したが、トランスの替わりにチョークコイルを用いる非絶縁型スイッチング電源回路を適用しても良い。また、本発明に係る電源装置は、図1に示すようなスイッチング電源装置のみならず、太陽電池や燃料電池を直流入力として用いる商用インバータの前段部分に適用することも可能である。 In the above description, an insulating switching power supply circuit using a transformer has been described as an example of the voltage conversion circuit. However, a non-insulated switching power supply circuit using a choke coil may be used instead of the transformer. Moreover, the power supply device according to the present invention can be applied not only to the switching power supply device as shown in FIG. 1 but also to a front stage portion of a commercial inverter using a solar cell or a fuel cell as a DC input.
本発明は、スイッチング動作によって電圧変換を行う電源装置において利用することが可能である。 The present invention can be used in a power supply device that performs voltage conversion by a switching operation.
1、2 入力端子
3、4 出力端子
10 整流平滑回路
11〜14 電圧変換回路
20 トランス
21 1次側巻線
22 2次側巻線
23 コア
24 スイッチング素子
25 駆動回路
26 ダイオード
27 コンデンサ
30 出力合成回路
31〜34 ダイオード
40 制御部
41 格納部
50 入力電圧検出回路
60 出力電圧検出回路
71〜74 入力電流検出回路
81〜84 出力電流検出回路
91 レベルシフタ
92、93 反転回路
94 スイッチ回路
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 2 Input terminal 3, 4
Claims (8)
前記負荷に供給される出力電流を検出する検出手段と、
前記検出手段の検出結果に基づいて、前記負荷に供給される電流又は電力の値を算出する負荷状態算出手段と、
前記負荷状態算出手段によって算出される電流又は電力の値に基づいて、前記複数チャンネルの電圧変換回路の内で動作させる電圧変換回路のチャンネル数を設定する動作チャンネル数設定手段と、
前記動作チャンネル数設定手段によって設定されるチャンネル数に従って前記複数チャンネルの電圧変換回路を制御し、動作させる電圧変換回路のチャンネル数を増加させるときに、少なくとも1つの電圧変換回路を新たに起動させると共に、他の起動している電圧変換回路の出力電流を減少させ、動作させる電圧変換回路のチャンネル数を減少させるときに、少なくとも1つの電圧変換回路を停止させると共に、他の起動している電圧変換回路の出力電流を増加させる信号生成手段と、
を具備する電源装置。 A voltage conversion circuit that performs a voltage conversion operation by performing a switching operation according to a pulsed drive signal, synthesizes an output current, and supplies it to a common load; and
Detecting means for detecting an output current supplied to the load;
Load state calculation means for calculating a value of current or power supplied to the load based on a detection result of the detection means;
Operation channel number setting means for setting the number of channels of the voltage conversion circuit to be operated in the voltage conversion circuit of the plurality of channels based on the current or power value calculated by the load state calculation means;
When the number of channels of the voltage conversion circuit to be operated is increased by controlling the voltage conversion circuits of the plurality of channels according to the number of channels set by the operation channel number setting means, at least one voltage conversion circuit is newly activated. When the output current of the other voltage conversion circuit is decreased and the number of channels of the voltage conversion circuit to be operated is decreased, at least one voltage conversion circuit is stopped and the other voltage conversion circuit is activated. Signal generating means for increasing the output current of the circuit;
A power supply apparatus comprising:
前記負荷に供給される出力電圧を検出する出力電圧検出回路と、
前記負荷に供給される出力電流を検出する少なくとも1つの出力電流検出回路と、
を含む、請求項1〜3のいずれか1項記載の電源装置。 The detecting means;
An output voltage detection circuit for detecting an output voltage supplied to the load;
At least one output current detection circuit for detecting an output current supplied to the load;
The power supply device according to claim 1, comprising:
前記負荷に供給される出力電流を検出するステップ(a)と、
ステップ(a)における検出結果に基づいて、前記負荷に供給される電流又は電力の値を算出するステップ(b)と、
ステップ(b)において算出される電流又は電力の値に基づいて、前記複数チャンネルの電圧変換回路の内で動作させる電圧変換回路のチャンネル数を設定するステップ(c)と、
ステップ(c)において設定されるチャンネル数に従って前記複数チャンネルの電圧変換回路を制御し、動作させる電圧変換回路のチャンネル数を増加させるときに、少なくとも1つの電圧変換回路を新たに起動させると共に、他の起動している電圧変換回路の出力電流を減少させ、動作させる電圧変換回路のチャンネル数を減少させるときに、少なくとも1つの電圧変換回路を停止させると共に、他の起動している電圧変換回路の出力電流を増加させるステップ(d)と、
を具備する電源装置の制御方法。 A method for controlling a power supply apparatus having a voltage conversion circuit of a plurality of channels that performs a voltage conversion operation by performing a switching operation according to a pulsed drive signal, synthesizes an output current, and supplies the output current to a common load,
Detecting an output current supplied to the load (a);
Calculating the value of the current or power supplied to the load based on the detection result in step (a) (b);
Setting the number of channels of the voltage conversion circuit to be operated in the voltage conversion circuit of the plurality of channels based on the current or power value calculated in step (b);
When the number of channels of the voltage conversion circuit to be operated is increased by controlling the voltage conversion circuit of the plurality of channels according to the number of channels set in step (c), at least one voltage conversion circuit is newly activated, When the output current of the activated voltage conversion circuit is decreased and the number of channels of the voltage conversion circuit to be operated is decreased, at least one voltage conversion circuit is stopped and other voltage conversion circuits Increasing the output current (d);
A method for controlling a power supply apparatus comprising:
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