JP2012165617A

JP2012165617A - 電源装置

Info

Publication number: JP2012165617A
Application number: JP2011026087A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Watanabe; 淳渡邊
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2011-02-09
Filing date: 2011-02-09
Publication date: 2012-08-30

Abstract

【課題】消費電力が過渡的に変動する負荷装置に対して、電圧の変動を抑制した電源を供給する電源装置について、装置の小型化および高効率化を実現する。
【解決手段】負荷装置５に対し、高速応答性を有する降圧チョッパ型スイッチングレギュレータ６を組み込むことにより、負荷装置５の許容入力電圧範囲を広くし、負荷装置５の入力電圧を高く設定するとともに、チョークコイルおよびＰＷＭ回路を除いた変圧比固定ＤＣ／ＤＣコンバータ回路１を構成することによって、小型化・高効率化に優れた電源装置を提供する。
【選択図】図１

Description

この発明は、例えばパルスを繰り返し送出するレーダ装置のように、消費電力が過渡的に変動する負荷に電源を供給する電源装置に関する。

例えばレーダ装置に用いられる電源装置にあっては、パルス送出時に負荷装置（送信電力増幅器等）に過大なパルス電流が発生する。このパルス電流は電源装置〜負荷装置間のケーブルおよびコネクタのインピーダンス等の影響により負荷装置の入力電圧の変動の要因となるため、電源電圧に変動が生じないように、電圧安定化対策が施されている。対策の一例として、負荷装置側に大容量のコンデンサを多数並列に配置するとともに電源装置と負荷装置とを近接して配置し、電圧変動を吸収する方法がある。しかしながら、この方法では大型のコンデンサが多数必要となるため装置全体の小型化が困難であり、また、装置のレイアウトに制約を与える。

この問題に対処するため、負荷装置側にシリーズレギュレータを備え、シリーズレギュレータの出力電圧安定化機能により、パルス負荷回路の過渡的な負荷電流の変動に伴う直流電圧の変動を抑えている。このとき、電源装置の出力部のＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧を制御し、シリーズレギュレータ回路を低ドロップ化設計することにより、シリーズレギュレータでの発熱を抑え、電源の総合効率の低下を抑制している（例えば、特許文献１の図１参照）。また、負荷装置とＤＣ／ＤＣコンバータを異なる所に配置できるので、機器の配置を柔軟に構成できる利点がある。

図３は、出力電圧を制御可能なＤＣ／ＤＣコンバータの参考例を示したものである。このＤＣ／ＤＣコンバータは、一次電源が接続される入力端子１１と、スイッチング回路１２と、トランス１３と、整流素子１４，１５と、出力コンデンサ１６と、出力端子１７と、チョークコイル１９と、フィードバック回路２０と、ＰＷＭ回路２１を備えている。図３において、入力端子１１には直流電圧が印加され、スイッチング回路１２に供給される。スイッチング回路１２は、ＰＷＭ回路２１から供給されるパルス信号に従いスイッチング回路１２の内部のスイッチ素子がオンオフを繰り返すことにより、直流電圧を交流電圧に変換しトランス１３に印加する。トランス１３は印加された交流電圧を一次二次巻き数比で降圧または昇圧し、かつ、絶縁し出力する。トランス１３の出力は整流素子１４，１５で整流された後、チョークコイル１９、出力コンデンサ１６により平滑され、出力端子１７から、スイッチング回路１２のオンオフのデューティに比例した直流電圧が出力される。フィードバック回路２０は出力電圧を検出し、基準電圧との誤差を増幅し、ＰＷＭ回路２１に入力する。このとき、必要に応じてフィードバック回路２０は信号を絶縁し出力する。ＰＷＭ回路２１はスイッチング回路１２を駆動するためのパルス信号を出力するが、このパルス信号のデューティをフィードバック回路２０から入力された信号をもとにＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御することにより出力端子から出力される出力電圧を調節している。

特開平１０−３９９３７号公報

シリーズレギュレータは、負荷と直列に電圧制御素子が接続された定電圧直流電源回路であり、入力電圧と出力電圧の差に対し電流を乗じた値に比例した発熱を生じる。このため、シリーズレギュレータを低ドロップ化した回路で設計したとしても、発熱は無視できるものではなく、電源の総合効率の低下の原因となる。

また、シリーズレギュレータを低ドロップ化設計するためには、ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧を制御するとともに、シリーズレギュレータとＤＣ／ＤＣコンバータの間を接続するケーブルやコネクタのインピーダンスによる、電圧変動を抑制し、シリーズレギュレータの入力電圧変動を小さくする必要がある。ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧を制御するためには、整流された電圧を平滑するためのチョークコイルや、スイッチング回路のオンオフのデューティを調節するためのフィードバック回路、ＰＷＭ回路が必要となり、装置の大型化の原因となる。また、ケーブルやコネクタのインピーダンスを小さくするために、ケーブルやコネクタのハードウェア規模を大きくする必要があり、システム全体の小型化が困難となっていた。

この発明は係る課題を解決するためになされたものであり、消費電力が過渡的に変動する負荷に対し電圧の変動を抑制した電源を供給する電源装置において、装置の小型化および高効率化を図ることを目的とする。

この発明による電源装置は、入力電圧を降下し、安定化させて負荷回路に供給する、負荷回路側に配置された降圧チョッパ型スイッチングレギュレータと、所定の時間比率でオンオフを繰り返すスイッチング回路、当該スイッチング回路のオンオフにより得られた出力電圧を整流・平滑する整流回路およびコンデンサを有し、所定の変圧比で直流電圧を変換し、上記降圧チョッパ型スイッチングレギュレータに入力する変圧比固定ＤＣ／ＤＣコンバータ回路と、上記降圧チョッパ型スイッチングレギュレータと変圧比固定ＤＣ／ＤＣコンバータ回路との間を接続する電源ケーブルと、を備えたものである。

この発明によれば、消費電力が過渡的に変動する負荷に対し電圧の変動を抑制した電源を供給する電源装置について、装置の小型化および高効率化を図ることができる。

実施の形態１による電源装置の構成を説明するための図である。実施の形態１による電源装置に備わる変圧比固定ＤＣ／ＤＣコンバータを説明するための図である。ＤＣ／ＤＣコンバータの参考例を説明するための図である。

実施の形態１．
以下、図を用いて、この発明に係る実施の形態１について説明する。図１は実施の形態１による電源装置の構成を示しており、特にレーダ装置への適用例を示している。図１において、実施の形態１の電源装置は、変圧比固定ＤＣ／ＤＣコンバータ１と、電源ケーブル４と、負荷装置５と、アンテナ８を備えて構成される。負荷装置５は、パルス負荷回路７と、パルス負荷回路７の周辺に配置された降圧チョッパ型スイッチングレギュレータ回路６を備えて構成される。アンテナ８はパルス負荷回路７の出力段に接続され、パルス負荷回路７の出力が電源として供給される。降圧チョッパ型スイッチングレギュレータ回路６の出力段は、パルス負荷回路７の入力段に接続される。変圧比固定ＤＣ／ＤＣコンバータ１は、降圧チョッパ型スイッチングレギュレータ回路６とは異なる所に配置される。変圧比固定ＤＣ／ＤＣコンバータ１と降圧チョッパ型スイッチングレギュレータ回路６の間は、電源ケーブル４を介して接続される。電源ケーブル４の一端は、変圧比固定ＤＣ／ＤＣコンバータ１の出力段に設けられたコネクタ２に接続される。電源ケーブル４の他端は、降圧チョッパ型スイッチングレギュレータ回路６の入力段に設けられたコネクタ３に接続される。

変圧比固定ＤＣ／ＤＣコンバータ回路１は、非安定の入力直流電圧を絶縁・電圧変換し出力する。このとき、変圧比固定ＤＣ／ＤＣコンバータ回路１には出力電圧を制御する機能がないため、入出力電圧比は常に一定となり、入力電圧の変動に伴い出力電圧も変動する。変圧比固定ＤＣ／ＤＣコンバータ回路１の出力電力は、コネクタ２を介して電源ケーブル４に送出され、さらにコネクタ３を介して負荷装置５に供給される。負荷装置５は、高速の応答性を有する降圧チョッパ型スイッチングレギュレータ６が組み込まれる。降圧チョッパ型スイッチングレギュレータ６は、変圧比固定ＤＣ／ＤＣコンバータ回路１から供給される不安定な電圧を、所望の電圧に変換（降圧）し、安定化して、パルス負荷回路７に供給する。このパルス負荷回路７は繰り返し送信パルスを発生して電力増幅を行い、アンテナ８を介して、送信パルスをレーダ波として発射させる。

一般に、チョッパ型スイッチングレギュレータは、スイッチ素子や整流回路、コンデンサ、スイッチング動作の制御回路（例えばＰＷＭ制御回路）等によって構成される。チョッパ型スイッチングレギュレータは、広い入力電圧範囲において、効率よく電圧変換及び電圧安定化を行うことができる。降圧チョッパ型スイッチングレギュレータ６は、入力電圧を降下させ、安定化させて電圧を出力することができるとともに、シリーズレギュレータに比べて小型な回路構成とすることができる。

このため、パルス負荷回路７に必要な電圧に関わらず、負荷装置５の入力電圧を高く設定することが可能となり、また、負荷装置５の入力電圧を制御しなくてもよいという利点がある。降圧チョッパ型スイッチングレギュレータ６を用いて負荷装置５の入力電圧を高く設定することにより、より小さな電流で必要な電力を供給可能となり、電源ケーブル４やコネクタ２，３のハードウェア規模を小さくすることができる。また、負荷装置５の入力電圧を制御しなくてもよいので、出力電圧を制御する機能をもたない変圧比固定ＤＣ／ＤＣコンバータ回路を採用することが可能となる。

次に、変圧比固定ＤＣ／ＤＣコンバータ回路を採用することにより、装置の小型化、高効率化が図れることについて説明する。図２は実施の形態１による変圧比固定ＤＣ／ＤＣコンバータ回路の一例を示したものである。図２において、変圧比固定ＤＣ／ＤＣコンバータ回路は、一次電源が接続される入力端子１１と、スイッチング回路１２と、トランス１３と、ダイオード１４，１５と、出力コンデンサ１６と、出力端子１７と、発振回路１８を備えて構成される。

図２において、入力端子１１には直流電圧が印加され、スイッチング回路１２に供給される。また、発振回路１８は周波数およびデューティが一定のパルス信号をスイッチング回路１２に供給する。スイッチング回路１２は、発振回路１８から供給されるパルス信号に従いスイッチング回路１２の内部のスイッチ素子がオンオフを繰り返すことにより、直流電圧を交流電圧に変換し、トランス１３に印加する。トランス１３は印加された交流電圧を一次二次巻き数比で降圧または昇圧し、かつ、絶縁し出力する。トランス１３の出力はダイオード１４，１５で整流された後、出力コンデンサ１６によりピークホールドされ、出力端子１７から直流電圧が出力される。

このとき、出力端子１７から出力される直流電圧は、安定化されたものではなく入力電圧の変動に比例した変動を伴ったものとなるが、変圧比固定ＤＣ／ＤＣコンバータ回路にはチョークコイル、フィードバック回路、ＰＷＭ回路が不要なため、装置を小型化できる。

また、変圧比固定ＤＣ／ＤＣコンバータ回路にはチョークコイルがないので、チョークコイルでの発熱がなくなり、高効率となる。

さらに、スイッチング回路１２の内部のスイッチ素子のオンオフの周波数（スイッチング周波数）およびデューティが一定となるため、スイッチング損失の少ないＺＶＳ（Zero Voltage Switching）を実現することが容易になり、効率を改善できる。また、スイッチング損失が少ないとスイッチング周波数を高く設定することできるため、トランス１３の小型化が可能となり、さらに装置を小型化できる。

以上説明した通り、実施の形態１による電源装置は、入力電圧を降下し、安定化させて負荷回路に供給する、負荷回路側に配置された降圧チョッパ型スイッチングレギュレータと、所定の時間比率でオンオフを繰り返すスイッチング回路、当該スイッチング回路のオンオフにより得られた出力電圧を整流・平滑する整流回路およびコンデンサを有し、所定の変圧比で直流電圧を変換し、上記降圧チョッパ型スイッチングレギュレータに入力する変圧比固定ＤＣ／ＤＣコンバータ回路と、上記降圧チョッパ型スイッチングレギュレータと変圧比固定ＤＣ／ＤＣコンバータ回路との間を接続する電源ケーブルと、を備えたことを特徴とする。このように構成することによって、消費電力が過渡的に変動する負荷に対し電圧の変動を抑制した電源を供給する電源装置について、装置の小型化および高効率化を図ることができる。

１変圧比固定ＤＣ／ＤＣコンバータ、２，３コネクタ、４電源ケーブル、５負荷装置、６降圧チョッパ型スイッチングレギュレータ回路、７パルス負荷回路、８アンテナ、１１入力端子、１２スイッチング回路、１３トランス、１４，１５整流素子、１６出力コンデンサ、１７出力端子、１８発振回路、１９チョークコイル、２０フィードバック回路、２１ＰＷＭ回路。

Claims

入力電圧を降下し、安定化させて負荷回路に供給する、負荷回路側に配置された降圧チョッパ型スイッチングレギュレータと、
所定の時間比率でオンオフを繰り返すスイッチング回路、当該スイッチング回路のオンオフにより得られた出力電圧を整流・平滑する整流回路およびコンデンサを有し、所定の変圧比で直流電圧を変換し、上記降圧チョッパ型スイッチングレギュレータに入力する変圧比固定ＤＣ／ＤＣコンバータ回路と、
上記降圧チョッパ型スイッチングレギュレータと変圧比固定ＤＣ／ＤＣコンバータ回路との間を接続する電源ケーブルと、
を備えた電源装置。