JP2010151592A

JP2010151592A - 電圧電流特性模擬装置

Info

Publication number: JP2010151592A
Application number: JP2008329541A
Authority: JP
Inventors: Masami Honma; 雅美本間
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2008-12-25
Filing date: 2008-12-25
Publication date: 2010-07-08

Abstract

【課題】半導体や電池などの物理デバイスの容量特性や過渡特性を含む非線形特性を有する電圧電流特性も精度よく模擬できる電圧電流特性模擬装置を実現する。
【解決手段】電圧電流特性模擬装置は、演算部４によりソースメジャーユニットを制御し、演算部４は、演算アルゴリズムが記述されたプログラムファイルとデバイスの非線形特性を表すテーブル記述ファイルが格納されている格納部４１と、プログラムファイルを解釈して中間コードを生成するプログラム解釈部４３と、テーブル定義ファイルを解釈してその内容が格納された配列を生成出力するテーブル解釈部４５と、テーブル解釈部４５から生成出力される配列を補間する補間演算部４６と、測定値とプログラム解釈部４３で生成される中間コードと補間演算部４６の補間結果が入力され、補間演算に必要な引数とソースメジャーユニットの設定値を変更するための発生値を出力するプログラム実行部４４、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電圧電流特性模擬装置に関し、詳しくは、非線形特性の高精度の模擬に関するものである。

図５は、従来からたとえば電池の評価などに用いられている電圧電流特性模擬装置の概念構成例を示すブロック図であり、（Ａ）は電流源ベースのソースメジャーユニットを利用した装置の例を示し、（Ｂ）は電圧源ベースのソースメジャーユニットを利用した装置の例を示している。

（Ａ）において、定電流源１と並列に電圧計２が接続されていて、端子間にユーザー回路としてたとえば負荷３が接続される。定電流源１は流れる電流が所定の電流Ｉになるように定電流制御を行い、電圧計２はそのときの端子間電圧Ｖを測定する。電圧計２の測定値Ｖは演算部４に逐次格納される。演算部４は、格納された電圧計２の測定値Ｖに基づいて演算を行うことにより次回の電流値Ｉを求め、所定の電流Ｉが出力されるように定電流源１を制御する。これにより、所定の電圧電流特性が模擬される。

（Ｂ）において、定電圧源５と直列に電流計６が接続されていて、端子間にユーザー回路としてたとえば負荷７が接続される。定電圧源５は端子間電圧が所定の電圧Ｖになるように定電圧制御を行い、電流計６はそのときの負荷７に流れる電流Ｉを測定する。電流計６の測定値Ｉは演算部４に逐次格納される。演算部４は、格納された電流計６の測定値Ｉに基づいて演算を行うことにより次回の電圧値Ｖを求め、所定の電圧値Ｖが出力されるように定電圧源５を制御する。これにより、所定の電圧電流特性が模擬される。

図６は、図５の演算部４の従来の構成例を示すブロック図である。一連の測定が終了して測定値ＶまたはＩが入力されると、予め格納部４１に組み込まれた演算アルゴリズムに従って演算実行部４２が演算を行い、発生値ＩまたはＶを出力する。これが図５（Ａ）の定電流源１または図５（Ｂ）の定電圧源５への指示値となる。

図７は、図６で用いられている演算アルゴリズムの具体例図であり、（Ａ）は定抵抗特性模擬のアルゴリズムを示し、（Ｂ）は定電力特性模擬のアルゴリズムを示している。

（Ａ）に示す定抵抗特性模擬のアルゴリズムは、電圧Ｖと電流Ｉが係数Ｒ（抵抗値）の比例関係を取るもので、図５（Ａ）の定電流源１ベースの実現ならばＩ＝Ｖ／Ｒを、図５（Ｂ）の定電圧源５ベースならばＶ＝Ｉ＊Ｒを演算すれば、抵抗と同じ電圧電流特性を模擬できる。

（Ｂ）に示す定電力特性模擬のアルゴリズムは、電圧Ｖと電流Ｉが係数Ｗ（電力）の反比例関係を取るもので、図５（Ａ）の定電流源１ベースの実現ならばＩ＝Ｗ／Ｖを、図５（Ｂ）の定電圧源５ベースならばＶ＝Ｗ／Ｉを演算すれば、定電力源としての電圧電流特性を模擬できる。

特許文献１には、電池特性に従った出力を高速に発生できる電池特性模擬装置の構成が記載されている。

特開２００８−７６２０４号公報

ところで、化学物質で構成されている電池の等価回路は、たとえば図８のように表すことができる。すなわち、図８では、直流電源Ｅと直列に抵抗Ｒ０が接続されるとともに、抵抗Ｒ１〜ＲｎとコンデンサＣ１〜Ｃｎの並列回路よりなる複数のフィルタ回路Ｆ１〜Ｆｎが直列接続されている。

しかし、実際の半導体や電池などの物理デバイスの電圧電流特性を模擬しようとする場合、それらの特性は、
ａ）デバイスごとに異なる場合が多い
ｂ）温度などの補助条件で異なる場合が多い
ｃ）非線形要素を多く含むので多項式での表現が難しい
という場面が多い。

これらから、
ａ）演算アルゴリズムが記述できない
ｂ）演算アルゴリズムが複雑すぎて管理しにくい
などの問題がある。

また、演算アルゴリズムは、図６に示すように予め装置の格納部４１に組み込まれているので、変更が困難であるという問題もある。

本発明は、これらの問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、半導体や電池などの物理デバイスの容量特性や過渡特性を含む非線形特性を有する電圧電流特性も精度よく模擬できる電圧電流特性模擬装置を実現することにある。

このような問題を解決するため、請求項１記載の発明は、
演算部によりソースメジャーユニットを制御するように構成された電圧電流特性模擬装置において、
前記演算部は、
演算アルゴリズムが記述されたプログラムファイルとデバイスの非線形特性を表すテーブル記述ファイルが格納されている格納部と、
この格納部から読み出されたプログラムファイルを解釈して中間コードを生成するプログラム解釈部と、
前記格納部から読み出されたテーブル定義ファイルを解釈してその内容が格納された配列を生成出力するテーブル解釈部と、
このテーブル解釈部から生成出力される配列を補間する補間演算部と、
測定値と前記プログラム解釈部で生成される中間コードと前記補間演算部の補間結果が入力され、前記補間演算部の補間演算に必要な引数と前記ソースメジャーユニットの設定値を変更するための発生値を出力するプログラム実行部、
を有することを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の電圧電流特性模擬装置において、
前記プログラム実行部は、前記測定値が入力されることにより起動されて前記中間コードに従ってプログラムを実行し、プログラム中に前記テーブル定義ファイルを補間する記述がある場合には前記補間演算部に必要な引数を出力して補間結果を待機し、補間結果が入力されると動作を再開して前記ソースメジャーユニットの設定値を変更するための発生値を出力することを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の電圧電流特性模擬装置において、
前記デバイスは電池であることを特徴とする。

本発明の電圧電流特性模擬装置によれば、半導体や電池などの物理デバイスの容量特性や過渡特性を含む非線形特性を有する電圧電流特性も精度よく模擬できる。

以下、本発明について図面を参照して説明する。なお、本発明に基づく電圧電流特性模擬装置の概念構成例を示すブロック図は図５と同一であり省略する。図１は、本発明に基づく電圧電流特性模擬装置で用いる演算部４の一実施例を示すブロック図である。

図１において、格納部４１には、プログラムファイル４１ａとテーブル記述ファイル４１ｂが格納されている。各ファイルは複数であってもかまわない。これらのファイルは、内部バスや通信路８を介して電圧電流特性模擬装置自身や外部装置９により作成、変更、削除される。

プログラムファイル４１ａは演算アルゴリズムが記述されたファイルで、プログラム解釈部４３が解釈できる形式で書かれている。また、テーブル記述ファイル４１ｂは電圧値に対する電流値など任意数の要素列が記述されたファイルであり、このテーブルで非線形特性が表現される。

演算部４にファイルの選択が指示されると、プログラム解釈部４３はプログラムファイル４１ａを読み込んで解釈し、プログラム実行部４４が実行しやすい形式の中間コードｉｍｃを生成する。また、テーブル解釈部４５はテーブル定義ファイル４１ｂを読み込んでその内容を解釈し、内容が格納された配列ａｒｙを生成出力する。

一連の測定が終了して測定値ｍｖが演算部４に入力されると、プログラム実行部４４が起動される。起動されたプログラム実行部４４は、既にプログラム解釈部４３によって生成されている中間コードｉｍｃに従ってプログラムを実行する。

プログラム中にテーブルを補間する記述がある場合、プログラム実行部４４は補間演算部４６に必要な引数ａｒｇを渡して補間演算を開始させ、補間結果ｒｓｔを待つ。動作を開始した補間演算部４６は、既にテーブル解釈部４５によって生成されている配列ａｒｙと引数ａｒｇを使って補間演算を行い、補間結果ｒｓｔをプログラム実行部４４に出力する。

補間結果ｒｓｔを受けたプログラム実行部４４は動作を再開し、最終的に発生値ｇｅｎを計算して出力する。

出力された発生値ｇｅｎによって図５（Ａ）の定電流源１または図５（Ｂ）の定電圧源５の設定値が変更される。

具体的な動作を説明する。
図２はダイオードの特性模擬説明図である。ダイオードの電圧電流特性が（Ａ）のグラフに示すような非線形特性としてこれを模擬するものとする。（Ａ）のグラフに示された非線形特性をサンプルして、サンプル点を（Ｂ）の「Diode.csv」に示すような電圧値対電流値列として記述する。

プログラムファイルとしては（Ｃ）の「Program1.txt」に示すようなテーブルを読み込み、それを使って補間する内容が書かれたものとなっている。
DIM Table[ ][2] = ”Diode.csv” 配列Tableにテーブル記述ファイルDiode.csvの内容を読み込む
I = ipol2(Table, V)
２値の配列Tableを電圧値Ｖで補間した結果を電流発生値とする
なお、これらの記述文法は一例にすぎない。

図３は電池の放電方向の特性模擬説明図である。電池の電圧電流特性が（Ａ）のグラフに示すような非線形特性としてこれを模擬するものとする。（Ａ）のグラフに示された非線形な特性をサンプルして、サンプル点を（Ｂ）のBattery.csvに示すような電流値対電圧値の列として記述する。

プログラムファイルとしては（Ｃ）のProgram2.txtに示すようなテーブルを読み込み、それを使って補間する内容が書かれたものとなっている。
DIM Table[ ][2] = ”Battery.csv”
配列Tableにテーブル記述ファイルBattery.csvの内容を読み込む
V = ipol2( Table, I )
２値の配列Tableを電流値Iで補間した結果を電圧発生値とする

図４はある物理デバイスの特性模擬説明図である。ある物理デバイス（たとえば電池）の電圧電流特性が（Ａ）のグラフに示すような３値の非線形特性としてこれを模擬するものとする。（Ａ）のグラフに示された３値の非線形な特性をサンプルして、サンプル点を（Ｂ）のBattery2.csvに示すような変数Ｘ対電流値対電圧値の列として記述する。

プログラムファイルとしては（Ｃ）のProgram3.txtに示すようなテーブルを読み込み、それを使って補間する内容が書かれたものとなっている。
DIM Table[ ][3] = ”Battery2.csv”
配列Tableにテーブル記述ファイルBattery2.csvの内容を読み込む
X = X - I * 0.02
変数Xは変数Xから電流値Iに係数0.02をかけたものを逐次減算したものとする
V = ipol3( Table, X , I )
３値の配列Tableを変数Xと電流値Iで補間した結果を電圧発生値とする

このように、格納部４１に格納されたファイルに基づき演算アルゴリズムを表すことにより、選択するファイルを変えることで電圧電流特性を切り替えることができるので、編集や管理が容易に行える。

また、デバイスの非線形特性をテーブルで記述してこれを補間する機能を設けることにより、デバイスの実測データからテーブル記述ファイルを作るだけでその特性を模擬することができ、プログラムの記述をシンプルで管理しやすくできる。

なお、上記実施例では、電池の電圧電流特性を模擬する例について説明したが、電池以外の半導体などの各種デバイスの電圧電流特性の模擬にも有効である。

以上説明したように、本発明によれば、半導体や電池などの物理デバイスの容量特性や過渡特性を含む非線形特性を有する電圧電流特性も高精度で模擬できる電圧電流特性模擬装置が実現できる。

本発明に基づく電圧電流特性模擬装置で用いる演算部の一実施例を示すブロック図である。ダイオードの特性模擬説明図である。電池の放電方向の特性模擬説明図である。ある物理デバイスの特性模擬説明図である。従来の電圧電流特性模擬装置の概念構成例を示すブロック図である。図５の演算部４の従来の構成例を示すブロック図である。図６で用いられている演算アルゴリズムの具体例図である。化学物質で構成されている電池の等価回路例である。

符号の説明

１定電流源
２電圧計
３、７負荷
４演算部
４１格納部
４１ａプログラムファイル
４１ｂテーブル記述ファイル
４３プログラム解釈部
４４プログラム実行部
４５テーブル解釈部
４６補間演算部
５定電圧源
６電流計

Claims

演算部によりソースメジャーユニットを制御するように構成された電圧電流特性模擬装置において、
前記演算部は、
演算アルゴリズムが記述されたプログラムファイルとデバイスの非線形特性を表すテーブル記述ファイルが格納されている格納部と、
この格納部から読み出されたプログラムファイルを解釈して中間コードを生成するプログラム解釈部と、
前記格納部から読み出されたテーブル定義ファイルを解釈してその内容が格納された配列を生成出力するテーブル解釈部と、
このテーブル解釈部から生成出力される配列を補間する補間演算部と、
測定値と前記プログラム解釈部で生成される中間コードと前記補間演算部の補間結果が入力され、前記補間演算部の補間演算に必要な引数と前記ソースメジャーユニットの設定値を変更するための発生値を出力するプログラム実行部、
を有することを特徴とする電圧電流特性模擬装置。
前記プログラム実行部は、前記測定値が入力されることにより起動されて前記中間コードに従ってプログラムを実行し、プログラム中に前記テーブル定義ファイルを補間する記述がある場合には前記補間演算部に必要な引数を出力して補間結果を待機し、補間結果が入力されると動作を再開して前記ソースメジャーユニットの設定値を変更するための発生値を出力することを特徴とする請求項１記載の電圧電流特性模擬装置。
前記デバイスは電池であることを特徴とする請求項１または２記載の電圧電流特性模擬装置。