JP2010098778A

JP2010098778A - Ｄｃ−ｄｃコンバータ

Info

Publication number: JP2010098778A
Application number: JP2008264764A
Authority: JP
Inventors: Makoto Yamamoto; 眞山本; Kanichi Shimizu; 寛一清水; Masaoki Sekine; 正興関根
Original assignee: Origin Electric Co Ltd
Current assignee: Origin Electric Co Ltd
Priority date: 2008-10-14
Filing date: 2008-10-14
Publication date: 2010-04-30
Anticipated expiration: 2028-10-14
Also published as: JP5238447B2

Abstract

【課題】入力電圧が定格範囲外であっても負荷や電力供給側の機器へ直流電力を出力でき、効率が高く、低コストで小型のＤＣ−ＤＣコンバータを提供することを目的とする。
【解決手段】ＤＣ−ＤＣコンバータ３０１は、入力側の直流の入力電圧Ｖｉｎを出力電圧Ｖｏｕｔへ変換して出力側へ出力する電圧変換回路１２と、入力電圧Ｖｉｎが定格範囲内では出力電圧Ｖｏｕｔが定格値になるように電圧変換回路１２を制御し、入力電圧Ｖｉｎが定格範囲外では出力電圧Ｖｏｕｔが出力電圧の定格値とは異なる所定の値になるように電圧変換回路１２を制御する制御回路１４と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、直流電源からの直流電圧を昇圧又は降圧して出力するＤＣ−ＤＣコンバータに関する。

バッテリ等の電源からの入力電圧が変動する場合であっても出力電圧を一定に保つＤＣ−ＤＣコンバータが知られている（例えば、特許文献１を参照。）。
特開２００７−２９５６６３号公報

従来、ＤＣ−ＤＣコンバータの入力電圧が定格範囲外になった場合、電圧変換回路を制御する制御回路を駆動する電圧を維持できなくなり、制御回路を停止してＤＣ−ＤＣコンバータの出力を停止していた。しかし、負荷や電力供給側の機器によっては電圧が低下してもできるだけ動作を継続させたい場合がある。例えば、医療機器や通信用インフラ機器等の場合、入力電圧が低下してもできるだけ動かせることが望ましい装置（安全な状態で停止させる装置、保安装置、緊急通信装置等）があり、バッテリ電圧が低下しＤＣ−ＤＣコンバータが停止すると、前述の装置も停止する、あるいは機能が著しく低下するなど、好ましくない。

このような状態を回避するためにＤＣ−ＤＣコンバータの入力電圧の定格範囲を広げておくこともできるが、定常状態での効率の低下や、半導体素子の耐圧を高くする必要からコストアップ、装置の大型化という課題があった。

そこで、本発明は、上記課題を解決するために、入力電圧が定格範囲外であっても負荷や電力供給側の機器へ直流電力を出力でき、効率が高く、低コストで小型のＤＣ−ＤＣコンバータを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係るＤＣ−ＤＣコンバータは、入力電圧が定格範囲外の場合には、定格値と異なる電圧を出力し、電圧変換回路の能力を超えないように運転し続けることとした。

具体的には、本発明に係るＤＣ−ＤＣコンバータは、入力側の直流の入力電圧を出力電圧へ変換して出力側へ出力する電圧変換回路と、前記入力電圧が定格範囲内では前記出力電圧が定格値になるように前記電圧変換回路を制御し、前記入力電圧が定格範囲外では前記出力電圧が前記出力電圧の定格値とは異なる所定の値になるように前記電圧変換回路を制御する制御回路と、を備える。

本発明に係るＤＣ−ＤＣコンバータは、入力電圧が瞬間的に低下した場合（瞬低）や、長時間低下した場合でも、電圧変換回路の能力範囲内の電圧、且つ負荷や電力供給側の機器に影響のない電圧の出力電圧を出力することができる。このため、本発明に係るＤＣ−ＤＣコンバータは、人命に関わり安全性をもっとも重視し、電力供給を停止することができないシステムである医療機器や通信用インフラ機器などへ接続できる。また、入力電圧の定格範囲を小さくすることができるため、装置の効率が上がり、半導体素子もオーバースペックとならない最適な素子を選択することでコストを抑えることができる。

従って、本発明に係るＤＣ−ＤＣコンバータは、入力電圧が定格範囲外であっても負荷や電力供給側の機器へ直流電力を出力でき、効率が高く、低コストで小型にすることができる。

本発明に係るＤＣ−ＤＣコンバータの前記制御回路は、前記電圧変換回路を制御するための制御信号を生成する演算部と、前記電圧変換回路の入力側の前記入力電圧及び前記電圧変換回路の出力側の前記出力電圧のいずれか一方を前記演算部へ供給する制御電力として選択するスイッチと、を有することが好ましい。

本発明に係るＤＣ−ＤＣコンバータは、入力電圧が瞬低した場合や長時間低下した場合でも制御回路用の制御電力を確保でき、電力変換回路の制御をモニタ及び演算部で行うことができる。このため、本発明に係るＤＣ−ＤＣコンバータは、入力電圧が瞬低した場合や長時間低下した場合に、システムを安全に停止することや、所定の電圧での電力を継続的に供給することができる。

前記制御回路の前記スイッチは、前記入力電圧が定格範囲内では前記入力電圧を選択し、前記入力電圧が定格範囲外では前記出力電圧を選択することができる。入力電圧が低下した場合でも、スイッチを切り替えることで、電圧変換回路で昇圧させた出力電圧の電力を制御回路に供給することができ、電圧変換回路の制御を継続することができる。

前記制御回路の前記スイッチは、前記入力電圧及び前記出力電圧のうち前記制御部へ供給する制御電力の定格電圧に近いほうを選択することができる。入力電圧と出力電圧とを比較して制御回路に供給する制御電力として適切な方を選択することができる。

本発明は、入力電圧が定格範囲外であっても負荷や電力供給側の機器へ直流電力を出力でき、効率が高く、低コストで小型のＤＣ−ＤＣコンバータを提供することができる。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明は、以下に示す実施形態に限定されるものではない。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。

（実施形態１）
図１に、本実施形態のＤＣ−ＤＣコンバータ３０１の概略構成図を示す。ＤＣ−ＤＣコンバータ３０１は、入力側の直流の入力電圧Ｖｉｎを出力電圧Ｖｏｕｔへ変換して出力側へ出力する電圧変換回路１２と、入力電圧Ｖｉｎが定格範囲内では出力電圧Ｖｏｕｔが定格値になるように電圧変換回路１２を制御し、入力電圧Ｖｉｎが定格範囲外では出力電圧Ｖｏｕｔが出力電圧の定格値とは異なる所定の値になるように電圧変換回路１２を制御する制御回路１４と、を備える。

ＤＣ−ＤＣコンバータ３０１の入力側には直流電源１１が接続され、電圧が入力電圧Ｖｉｎである直流電力が供給される。直流電源１１は、例えば、バッテリや太陽電池である。本実施形態では直流電源１１がバッテリである。一方、ＤＣ−ＤＣコンバータ３０１の出力側には電力被供給機器１３が接続され、ＤＣ−ＤＣコンバータ３０１から電圧が出力電圧Ｖｏｕｔの電力が供給される。電力被供給機器１３は、例えば、モータ制御装置、保安装置、緊急通信装置である。

電圧変換回路１２は、入力電圧Ｖｉｎを出力電圧Ｖｏｕｔへ変換して出力する。電圧変換回路１２は、昇圧回路、降圧回路又は昇降圧回路である。昇圧回路は、入力電圧Ｖｉｎより出力電圧Ｖｏｕｔが高くなるように電圧変換する回路である。降圧回路は、入力電圧Ｖｉｎより出力電圧Ｖｏｕｔが低くなるように電圧変換する回路である。昇降圧回路は、入力電圧Ｖｉｎの値で、入力電圧Ｖｉｎより出力電圧Ｖｏｕｔが高くなるように電圧変換する場合と入力電圧Ｖｉｎより出力電圧Ｖｏｕｔが低くなるように電圧変換する場合がある回路である。

本実施形態では、電圧変換回路１２は昇圧回路である。電圧変換回路１２は、例えば、高速でオンオフする半導体スイッチを利用している。制御回路１４は、制御信号Ｓで半導体スイッチのオンオフの時比率を制御し、出力電圧Ｖｏｕｔを調整する。また、電圧変換回路１２は、例えば、入力された直流を交流に変換してトランスを利用して昇圧し、再び直流に変換する構成でもよい。トランスを利用した場合も前述のように制御信号Ｓで出力電圧を制御することができる。

制御回路１４は、入力電圧Ｖｉｎ及び出力電圧Ｖｏｕｔを測定し、入力電圧Ｖｉｎが定格範囲内のときには出力電圧Ｖｏｕｔが定格値になるように電圧変換回路１２を制御し、入力電圧Ｖｉｎが低下して定格範囲外となったときには出力電圧Ｖｏｕｔが出力電圧の定格値より低い保障電圧値になるように電圧変換回路１２を制御する。制御回路１４は、制御信号Ｓで電圧変換回路１２の出力電圧Ｖｏｕｔを制御する。保障電圧値は、電力被供給機器１３が動作可能な電圧であり、後述する演算部４２を駆動できる電圧とする。

図２を用いてＤＣ−ＤＣコンバータ３０１の動作を説明する。例えば、入力電圧Ｖｉｎの定格範囲が１０Ｖ〜１４Ｖで、出力電圧Ｖｏｕｔの定格値が２４Ｖとする。入力電圧Ｖｉｎが定格範囲のとき（時間ｔ_１０〜ｔ_１１）、ＤＣ−ＤＣコンバータ３０１は、２４Ｖで安定した出力電圧Ｖｏｕｔを電力被供給機器１３に供給する。一方、入力電圧Ｖｉｎが１０Ｖ以下になったとき（時間ｔ_１１〜ｔ_１２）、ＤＣ−ＤＣコンバータ３０１は、ＤＣ−ＤＣコンバータ３０１が電力を供給可能であり、電力被供給機器１３が動作可能である電圧（例えば１２Ｖや１０Ｖ）まで出力電圧Ｖｏｕｔを下げ、電力被供給機器１３への電力供給を継続する。

入力電圧Ｖｉｎが定格範囲内に戻ったとき（時間ｔ_１２〜ｔ_１３）、ＤＣ−ＤＣコンバータ３０１は、再び２４Ｖで安定した出力電圧Ｖｏｕｔを電力被供給機器１３に供給する。

次に、制御回路１４の内部回路について説明する。制御回路１４は、電圧変換回路１２を制御するための制御信号Ｓを生成する演算部４２と、電圧変換回路１２の入力側の入力電圧Ｖｉｎ及び電圧変換回路１２の出力側の出力電圧Ｖｏｕｔのいずれか一方を演算部４２へ供給する制御電力として選択するスイッチ４３と、を有する。

演算部４２は、例えば、マイコンで構成されていてもよい。演算部４２は、入力電圧Ｖｉｎ及び出力電圧Ｖｏｕｔを測定し、いずれを制御電力として選択するかを判断し、スイッチ４３に対して切換信号を出力する。例えば、演算部４２は、スイッチ４３に対して、入力電圧Ｖｉｎが定格範囲内では入力電圧Ｖｉｎを選択し、入力電圧Ｖｉｎが定格範囲外では出力電圧Ｖｏｕｔを選択するように切換信号を出力してもよい。また、演算部４２は、スイッチ４３に対して、入力電圧Ｖｉｎ及び出力電圧Ｖｏｕｔのうち制御部４２へ供給する制御電力の定格電圧に近いほうを選択するように切換信号を出力してもよい。

スイッチ４３で選択された電力は、電源回路４１に入力され、演算部４２を駆動する制御電力に調整され演算部４２に供給される。電源回路４１は、例えば、高周波成分を除去する機能や一定の電圧になるように調整する機能を持つ。

例えば、入力電圧Ｖｉｎの定格範囲が１０Ｖ〜１４Ｖで、出力電圧Ｖｏｕｔの定格値が２４ＶであるＤＣ−ＤＣコンバータ３０１の制御回路１４の動作を説明する。入力電圧Ｖｉｎが定格範囲のとき（時間ｔ_１０〜ｔ_１１）、演算部４２は入力電圧Ｖｉｎを選択するように切換信号を出力し、スイッチ４３は入力信号Ｖｉｎを選択して電源回路４１へ供給する。一方、入力電圧Ｖｉｎが１０Ｖ以下（例えば、７Ｖ）になったとき（時間ｔ_１１〜ｔ_１２）、演算部４２は出力電圧Ｖｏｕｔを選択するように切換信号を出力し、スイッチ４３は出力信号Ｖｏｕｔを選択して電源回路４１へ供給する。それとともに、演算部４２は出力電圧Ｖｏｕｔを下げる（例えば、１０Ｖに下げる）制御信号Ｓを電圧変換回路１２に出力する。入力電圧Ｖｉｎが定格範囲を下回ったとしても、電圧変換回路１２で昇圧された出力電圧Ｖｏｕｔを選択しているので、演算部４２は演算を継続でき、制御回路１４は電圧変換回路１２の制御を継続することができる。

入力電圧Ｖｉｎが定格範囲内に戻ったとき（時間ｔ_１２〜ｔ_１３）、演算部４２は入力電圧Ｖｉｎを選択するように切換信号を出力し、スイッチ４３は入力信号Ｖｉｎを選択して電源回路４１へ供給する。それとともに、演算部４２は出力電圧Ｖｏｕｔを再び２４Ｖに戻す制御信号Ｓを電圧変換回路１２に出力する。

ＤＣ−ＤＣコンバータ３０１は、図３のように動作してもよい。直流電源１１の電圧（入力電圧Ｖｉｎ）が図３（ａ）のように徐々に低下してきたとする。入力電圧Ｖｉｎが定格範囲のとき（時間ｔ_２０〜ｔ_２１）、ＤＣ−ＤＣコンバータ３０１は、２４Ｖで安定した出力電圧Ｖｏｕｔを電力被供給機器１３に供給する。また、演算部４２は入力電圧Ｖｉｎを選択するように切換信号を出力し、スイッチ４３は入力信号Ｖｉｎを選択して電源回路４１へ供給する。

入力電圧Ｖｉｎが定格範囲より低くなったとき（時間ｔ_２１〜ｔ_２２）、ＤＣ−ＤＣコンバータ３０１は、入力電圧Ｖｉｎの低下に連動させて低下させた出力電圧Ｖｏｕｔを電力被供給機器１３に供給する。また、演算部４２は出力電圧Ｖｏｕｔを選択するように切換信号を出力し、スイッチ４３は出力信号Ｖｏｕｔを選択して電源回路４１へ供給する。

（実施形態２）
図１を利用して本実施形態を説明する。以下で説明しない符号は実施形態１と同様である。本実施形態は、直流電源１１が太陽電池である。また、電圧変換回路１２が昇降圧回路である。電源回路４１、演算部４２及びスイッチ４３は実施形態１で説明したように動作する。

太陽電池の場合、天候や時間で入力電圧Ｖｉｎが大きく変動する。しかし、電力被供給機器１３は定電圧で電力を供給されることが望ましい。図４は本実施形態のＤＣ−ＤＣコンバータ３０１の動作を説明する図である。時間ｔ_３０〜ｔ_３１が日の出前、時間ｔ_３１〜ｔ_３２が太陽電池の発電電圧が１０Ｖに達するまでの時間、時間ｔ_３２〜ｔ_３５が太陽電池の発電電圧が１０Ｖ以上の時間、時間ｔ_３５〜ｔ_３６が太陽電池の発電電圧が１０Ｖ以下になり日の入りまでの時間、時間ｔ_３６以降が日の入り後の時間である。このように制御することでエネルギーを有効利用することができる。

時間ｔ_３０〜ｔ_３１及び時間ｔ_３６以降は、入力電圧Ｖｉｎが停止電圧の６Ｖ以下であるので、ＤＣ−ＤＣコンバータ３０１は、電力被供給機器１３への電力供給を停止する。また、演算部４２は電圧変換を停止する制御信号Ｓを電圧変換回路１２に出力し、自らも停止する。

時間ｔ_３１〜ｔ_３２及び時間ｔ_３５〜ｔ_３６は、太陽電池の発電電圧がＤＣ−ＤＣコンバータ３０１の入力電圧Ｖｉｎの定格範囲以下であるので、ＤＣ−ＤＣコンバータ３０１は、定格の値から下げた出力電圧Ｖｏｕｔ（１０Ｖ）を、電力被供給機器１３へ電力供給する。また、演算部４２は出力電圧Ｖｏｕｔを選択するように切換信号を出力し、スイッチ４３は出力信号Ｖｏｕｔを選択して電源回路４１へ供給する。

時間ｔ_３２〜ｔ_３５は、太陽電池の発電電圧がＤＣ−ＤＣコンバータ３０１の入力電圧Ｖｉｎの定格範囲の下限より大きいため、ＤＣ−ＤＣコンバータ３０１は、２４Ｖで安定した出力電圧Ｖｏｕｔを電力被供給機器１３に供給する。また、演算部４２は入力電圧Ｖｉｎを選択するように切換信号を出力し、スイッチ４３は入力信号Ｖｉｎを選択して電源回路４１へ供給する。なお、時間ｔ_３３〜ｔ_３４の間は、太陽電池の発電電圧がＤＣ−ＤＣコンバータ３０１の入力電圧Ｖｉｎの定格範囲の上限より大きいため、電圧変換回路１２は降圧回路として動作する。すなわち、入力電圧Ｖｉｎが出力電圧Ｖｏｕｔより高いため、制御回路１４は出力電圧Ｖｏｕｔが定格値である２４Ｖとなるように制御信号Ｓを出力する。

本発明に係るＤＣ−ＤＣコンバータは、医療機器や通信用インフラ機器等に適用することができる。

本発明に係るＤＣ−ＤＣコンバータの概略構成図である。本発明に係るＤＣ−ＤＣコンバータの入力電圧、出力電圧及び制御電源の電圧の関係を説明する図である。（ａ）は入力電圧Ｖｉｎ、（ｂ）は出力電圧Ｖｏｕｔ、（ｃ）は制御電源の電圧を示した図である。本発明に係るＤＣ−ＤＣコンバータの入力電圧、出力電圧及び制御電源の電圧の関係を説明する図である。（ａ）は入力電圧Ｖｉｎ、（ｂ）は出力電圧Ｖｏｕｔ、（ｃ）は制御電源の電圧を示した図である。本発明に係るＤＣ−ＤＣコンバータの入力電圧、出力電圧及び制御電源の電圧の関係を説明する図である。（ａ）は入力電圧Ｖｉｎ、（ｂ）は出力電圧Ｖｏｕｔ、（ｃ）は制御電源の電圧を示した図である。

符号の説明

１１：直流電源
１２：電圧変換回路
１３：電力被供給機器
１４：制御回路
４１：電源回路
４２：演算部
４３：スイッチ
３０１：ＤＣ−ＤＣコンバータ

Claims

入力側の直流の入力電圧を出力電圧へ変換して出力側へ出力する電圧変換回路と、
前記入力電圧が定格範囲内では前記出力電圧が定格値になるように前記電圧変換回路を制御し、前記入力電圧が定格範囲外では前記出力電圧が前記出力電圧の定格値とは異なる所定の値になるように前記電圧変換回路を制御する制御回路と、
を備えるＤＣ−ＤＣコンバータ。
前記制御回路は、
前記電圧変換回路を制御するための制御信号を生成する演算部と、
前記電圧変換回路の入力側の前記入力電圧及び前記電圧変換回路の出力側の前記出力電圧のいずれか一方を前記演算部へ供給する制御電力として選択するスイッチと、
を有することを特徴とする請求項１に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ。
前記スイッチは、前記入力電圧が定格範囲内では前記入力電圧を選択し、前記入力電圧が定格範囲外では前記出力電圧を選択することを特徴とする請求項２に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ。
前記スイッチは、前記入力電圧及び前記出力電圧のうち前記制御部へ供給する制御電力の定格電圧に近いほうを選択することを特徴とする請求項２に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ。