JP2012501156A - 自己最適化効率を有するスイッチング電源 - Google Patents

Abstract

効率を高めるため、本発明は、入力電圧および／または入力電流を受け取るための入力接続（１０１、１０２）、出力電圧および／または出力電流をもたらすための出力接続（１０３、１０４）、ならびに少なくとも１つの制御可能なスイッチと、可変周波数および可変デューティ・サイクルを有する少なくとも１つのパルス幅変調信号によって、この少なくとも１つの制御可能なスイッチを活性化するための制御ユニット（２００）と、少なくとも入力電流アンペア数、入力電圧、出力電流アンペア数、および出力電圧を測定するために設計され、制御ユニット（２００）に接続された計測器（１５１、１４１、１５３、１４３）とを備える、入力接続と出力接続の間に配置された電流変換および／または電圧変換のための回路を備えるスイッチング電源装置（１００）を提供し、制御ユニット（２００）は、接続された計測器の測定値によってスイッチング電源装置（１００）の効率を監視し、さらに第１のデジタル制御回路によって少なくとも１つの制御可能なスイッチを活性化することを介して効率を最適化するように設計される。本発明は、そのようなスイッチング電源装置（１００）を動作させるための方法をさらに提供する。

Description

本発明は、一般に、電源技術の分野に関し、詳細には、スイッチング電源技術の分野に関する。

スイッチング電源装置は、電流および電圧を変換する役割をする電子モジュールであり、例えば、コンピュータ電源装置として、またはコネクタ電源装置として広く使用されている。しかし、スイッチング電源装置は、他の多くの応用分野においても用途が見出される。詳細には、スイッチング電源装置によって不安定な入力電圧から定出力電圧または定出力電流がもたらされる。これらの出力値の定常性は、制御ループによってスイッチング電源装置に入るエネルギーを制御することによって実現される。調整は、通常、時間制御スイッチ（ｔｉｍｅ−ｃｏｎｔｒｏｌｌａｂｌｅ ｓｗｉｔｃｈ）によってもたらされ、これらのスイッチは、例えば、トランジスタとして設計される。

スイッチング電源装置は、従来の電源装置と比較して、明確により高い効率を実現する。スイッチング電源装置の場合、特に、同期整流器を使用するスイッチング電源装置の場合、スイッチとして機能するトランジスタの正確な時間制御が行われなければならないので、短絡のような状態を回避するためにデッドタイムが通常、設けられ、これらの遅延は、「シュートスルー」状態とも呼ばれる。これらのデッドタイムは、負荷の変動、温度ドリフト、エージング・ドリフト、および構成要素公差などの効果を考慮に入れるために十分に長く設定されなければならない。しかし、長いデッドタイムによって、スイッチング電源装置の実現可能な効率は制限される。

スイッチング電源装置は、有利には、入力に印加される電圧、および出力に接続される負荷に関して大きい公差範囲を有するが、入力電圧が低い場合、および負荷が小さい場合、通常、実現される効率は、より低くなる。

このため、本発明の目的は、スイッチング電源装置の効率が、特に広い範囲の入力電圧および広い範囲の負荷にわたって、高められることが可能な方法を示すことである。本発明の別の目的は、高い長期安定性、および高い調整パフォーマンスを有するスイッチング電源装置を提供することである。

この目的は、請求項１に記載のスイッチング電源装置、ならびに請求項１３に記載の方法によって達せられる。有利な実施形態、および拡張形態が、それぞれの従属請求項に示される。

これに応じて、本発明のスイッチング電源装置は、入力電圧および／または入力電流を受け取るための入力端子、出力電圧および／または出力電流をもたらすための出力端子、ならびに入力端子と出力端子の間に配置された電流変換および／または電圧変換のための回路を備え、この回路は、少なくとも１つの制御可能なスイッチを有する。この少なくとも１つの制御可能なスイッチを制御するための制御ユニットが提供され、このユニットは、可変周波数と、可変デューティ・サイクルとを有する少なくとも１つのパルス幅変調信号によってスイッチを制御する目的で設計される。さらに、この制御ユニットに計測器が接続され、これらの計測器は、少なくとも入力電流の強さ、入力電圧、出力電流の強さ、および出力電圧を測定するために設計され、制御ユニットは、接続された計測器の測定値によってスイッチング電源装置の効率を監視し、さらに第１のデジタル制御ループによって少なくとも１つの制御可能なスイッチを制御することを介して効率を最適化する目的で設計される。この目的で、制御ユニットは、特に有利には、デジタル・シグナル・プロセッサを備える。

有利には、スイッチング電源装置の、入力端子と出力端子の間に配置された回路は、複数の回路構成要素を備え、詳細には、力率補正のための第１の回路構成要素と、第１の構成要素の下流に接続され、直流電圧変圧器として設計された第２の回路構成要素と、第２の構成要素の下流に接続され、同期整流器として設計された第３の回路構成要素とを備える。好ましくは、第１の回路構成要素、第２の回路構成要素、および第３の回路構成要素はそれぞれ、制御ユニットによって制御されることが可能な少なくとも１つのスイッチを有する。さらに、本発明は、有利には、回路構成要素の少なくとも１つが、制御ユニットを介して制御されることが可能ないくつかのスイッチを有する実施形態も備える。

交流電圧源で動作するために、力率補正のための第１の回路構成要素の上流に、好ましくは、交流電圧を整流するための少なくとも１つの別の回路構成要素が接続される。この実施形態において、有利には、入力電流の強さ、および入力電圧として、整流が行われた後の対応する値が測定されることが可能である。その場合、入力電流の強さ、および入力電圧を測定するための計測器は、有利には、整流のための入力側回路構成要素と、力率補正のための下流に接続された回路構成要素との間に配置される。

力率補正のための回路構成要素は、好ましくは、アクティブ高調波フィルタとして設計され、さらにセットアップ変圧器を備え、この変圧器は、交流供給電圧のピーク電圧を超える電圧までコンデンサを充電し、このため、この回路構成要素の出力において直流電圧が中間回路電圧としてもたらされる。電流消費量は、入力電圧につれて再調整され、したがって、下流に接続された回路構成要素の高調波によって回路網が汚れることが回避される。この制御は、好ましくは、第１の回路構成要素内に配置された第１のスイッチによって行われ、このスイッチは、制御ユニットを介して制御される。特に有利なこととして、第１の回路構成要素によってもたらされる中間回路電圧が、制御ユニットを介して第１のスイッチを制御することによって調整され、さらに／または制御されることが可能であることであり、この制御は、第１のパルス幅変調信号によって行われる。

力率補正のための回路構成要素の下流に好ましくは、接続された直流電圧変圧器は、制御ユニットを介して制御されることが可能な第２のスイッチを備え、この第２のスイッチは、スイッチング電源装置のエネルギー消費量を制御する役割をし、この目的で、調整可能なスイッチング周波数、および調整可能なデューティ・サイクルで中間回路電圧を切り換え、この目的で、第２のスイッチは、第２のパルス幅変調信号を介して制御ユニットによって制御される。

直流電圧変圧器によってもたらされるパルス電圧は、好ましくは、下流に接続された同期整流器によって整流される。同期整流器は、好ましくは、整流要素として、制御ユニットを介して制御されることが可能な少なくとも１つの第３のスイッチを有する。この回路は、送電網から電気的に分離するための変圧器をさらに備えることが可能である。制御ループは、好ましくは、この場合、少なくとも１つのフォトカプラを備える。

制御可能なスイッチは、好ましくは、ＭＯＳＥＦＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ−Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）として設計される。しかし、例えば、バイポーラ・トランジスタ、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ）、あるいは、例えば、サイリスタなどの他の適切な電子構成要素が使用されることも可能である。有利には、第１のスイッチ、および第２のスイッチは、これらのスイッチが第１の制御ループのＰＩＤコントローラとして機能するように制御ユニットによって制御されることが可能である。

調整のため、これらのスイッチは、制御ユニットによって、それぞれパルス幅変調信号を介して制御される。有利には、制御ユニットが第１のスイッチ、第２のスイッチ、および第３のスイッチのそれぞれを制御するのに用いるパルス幅変調信号は、同一の周波数であるが、異なる位相を有する。

１つの有利な実施形態において、代替として、別個の力率事前調整が提供されることが可能であり、力率補正のための回路構成要素内に配置された第１のスイッチは、第２のスイッチおよび第３のスイッチの制御のためのパルス幅変調信号とは無関係に、制御ユニットによって周波数が別個に調整されるパルス幅変調信号で作動させられる。

これらのパルス幅変調信号の周波数、したがって、スイッチのスイッチング周波数も、好ましくは、聴覚閾値の上限を超えており、通常、２０ｋＨｚから５００ｋＨｚまでの範囲内にある。

効率を最適化するため、第１の制御ループの操作される変数として、好ましくは、以下が調整される。すなわち、パルス幅変調信号の周波数、および／または力率補正のための回路構成要素によってもたらされる中間回路電圧、および／または第１のスイッチを制御するためのパルス幅変調信号と第２のスイッチを制御するためのパルス幅変調信号の間の位相差、および／または第２のスイッチを制御するためのパルス幅変調信号と第３のスイッチを制御するためのパルス幅変調信号の間の位相差である。

本発明者らは、パルス幅変調信号の周波数の調整が、スイッチング電源装置の出力端子に小さい負荷しか接続されていない場合に、効率を最適化するために特に有利に利用され得ることを認識している。さらに、本発明者らは、中間回路電圧の調整が、スイッチング電源装置の入力端子に接続される供給電圧が変動し、特に低い値となる場合に、効率を最適化するために特に有利に利用され得ることを認識している。

効率を最適化するために中間回路電圧を制御するために、好ましくは、制御ユニットに計測器が接続され、これらの計測器は、力率補正のための回路構成要素によってもたらされ、直流電圧コントローラに入力側で印加される中間回路電圧を測定し、さらに直流電圧コントローラに入力側で流れる電流の、電流の強さを測定する役割をする。

電力損失が生じると、回路の対応する構成要素の温度が上昇し、温度の変化は、それらの構成要素の振舞いに影響を与えるので、回路の少なくとも１つの温度、特に制御可能なスイッチのうちの１つのスイッチの付近の温度を測定するための、制御ユニットに接続された計測器が、やはり有利に提供される。

パルス幅変調信号間の位相差によってデッドタイムがもたらされ、これらのデッドタイムは、スイッチング電源装置の効率を低下させる。しかし、これらのデッドタイムを減らすことは、特に、高いスイッチング周波数で同期整流器に関して、「シュートスルー」条件とも呼ばれる、短絡のような条件をもたらす危険のため、特に不可欠である。「シュートスルー」点からの確実な距離が保たれなければならない。というのは、さもなければ、相当な電力損失が生じるからである。

したがって、特に有利に、制御ユニットによって、第１の制御ループと比べて、より低速の第２の制御ループが制御される。好ましくは、第１の制御ループの実行中に制御ユニットによって温度が監視され、第２の制御ループによる調整は、この温度が安定して初めて、開始される。代替として、またはさらに、第２の制御ループによる調整は、好ましくは、効率が安定して初めて、開始される。

第２の制御ループによって、有利には、第１のスイッチを制御するためのパルス幅変調信号と第２のスイッチを制御するためのパルス幅変調信号の間の位相差、および／または第２のスイッチを制御するためのパルス幅変調信号と第３のスイッチを制御するためのパルス幅変調信号の間の位相差、ならびに対応するデッドタイムが調整される。

第２の制御ループの基準変数として、制御ユニットによって、好ましくは、スイッチング電源装置の効率、および／または温度が使用される。

第１の制御ループおよび／または第２の制御ループの前述した操作される変数は、有利には、特性マップによってほぼ最適な値に調整されることが可能である。これに応じて、好ましくは、スイッチング電源装置がオンにされた際、および／または入力端子に印加される電圧に変化があった際、および／または出力端子に接続される負荷に変化があった際、第１の制御ループおよび／または第２の制御ループの操作される変数は、スイッチング電源装置の中に格納された、回路において利用される半導体構成要素に関する特性マップに基づいて調整される。

スイッチング電源装置がオンにされると、好ましくは、起動電流制限の役割をするソフトスタートが最初に行われる。このことは、有利には、アクティブ力率補正のための回路構成要素内に配置された第１のスイッチの適切な制御を介して行われることが可能である。

本発明の範囲内には、前述したスイッチング電源装置を動作させるための方法も含まれる。

本発明を、例として、好ましい実施形態に基づき、添付の図面を参照して、以下により明確に説明する。図面における同一の参照符号は、同一の、または同様の構成要素を示す。

本発明によるスイッチング電源装置の好ましい実施形態を示す概略ブロック図である。 異なるように調整されたデッドタイムに関する特定のゲート電圧を時間につれて示す概略図である。 図１に示される出力ＰＷＭ２においてもたらされるパルス幅変調信号と、図１に示される出力ＰＷＭ３においてもたらされるパルス幅変調信号の位相差によって調整されることが可能なデッドタイムに応じて生じる電力損失を示す概略図である。 従来のスイッチング電源装置の場合と、図１に示されるスイッチング電源装置の場合に関して、スイッチング電源装置の出力に接続される負荷に応じたスイッチング周波数を示す概略図である。 図２ａに示されるスイッチング周波数で実現されるべき効率を示す概略図である。 従来のスイッチング電源装置の場合と、図１に示されるスイッチング電源装置の場合に関して、スイッチング電源装置の入力に印加される入力電圧に応じた中間回路電圧を示す概略図である。 図３ａに示される中間回路電圧で実現されるべき効率を示す概略図である。

図１は、本発明によるスイッチング電源装置１００の好ましい実施形態の回路の概略ブロック図を示す。この回路は、スイッチング電源装置１００を電圧源に、好ましくは、交流送電網、例えば、２３０ボルトの標準電圧を有するドイツ国で利用される電力網の、あるいは、通常、１１０ボルト乃至１２０ボルトの交流送電網電圧の定格値を有するアメリカ大陸で利用される電力網の供給電圧に接続するための２つの入力端子１０１および１０２を備える。

図示されるスイッチング電源装置１００の実施形態において、スイッチング電源装置１００は、入力端子１０１および１０２に接続された整流回路１１０を備え、整流回路１１０の出力は、以降、省略してＰＦＣ（力率補正）としても表される、力率補正のための構成要素１１２に接続される。ＰＦＣ１１２は、後段で直流／直流変換器とも呼ばれる、下流に接続された直流電圧変圧器１１４に中間回路電圧を供給する。この直流／直流変換器によってもたらされるパルス電圧が、同期整流器１１６に供給され、同期整流器１１６は、スイッチング電源装置１００の出力端子１０３および１０４において直流電圧をもたらし、この電圧は、図示される実施形態の例では、２４ボルトになる。電圧を調整するため、および電気的分離のために、やはり有利には、変圧器が提供され、この変圧器は、例えば、直流／直流変換器１１４内に配置されることが可能である。図１で回路の上方に、例として、個々の構成要素間の信号波形が示される。

スイッチング電源装置１００を調整するために、制御ユニット２００が提供され、制御ユニット２００は、第１のパルス幅変調信号、第２のパルス幅変調信号、および第３のパルス幅変調信号によって、第１の制御可能なスイッチ、第２の制御可能なスイッチ、および第３の制御可能なスイッチを制御し、これらのスイッチは、好ましくは、ＭＯＳＦＥＴとして設計され、第１のスイッチは、ＰＦＣ１１２内に、第２のスイッチは、直流／直流変換器内に、第３のスイッチは、同期整流器１１６内に配置される。パルス幅変調信号をもたらすため、制御ユニット２００は、ＰＷＭ１、ＰＷＭ２、およびＰＷＭ４として示される、対応する出力２１０、２２０、および２３０を有し、出力２１０、２２０、および２３０のそれぞれは、第１のスイッチ、第２のスイッチ、または第３のスイッチのゲート接続に接続される。代替の実施形態において、構成要素１１２、１１４、および１１６がそれぞれ、いくつかのスイッチを備えることも可能であり、これらのスイッチのそれぞれは、共通のパルス幅変調信号によって、または別々の信号によって制御される。

制御ユニット２００は、測定信号を記録するための信号入力２４１、２４２、２４３、２５１、２５２、２５３、２６１、および２６２も備え、各信号入力には、好ましくは、アナログ測定信号を変換するためにＡ／Ｄ変換器が割り当てられる。信号入力２４１、２５１、２４３、および２５３は、入力電圧、入力電流、出力電圧、および出力電流を測定するのに役立つ。この目的で、信号入力２４１は、電圧計１４１に、信号入力２５１は、電流計１５１に、信号入力２４３は、電圧計１４３に、信号入力２５３は、電流計１５３に接続される。

信号入力２４１、２５１、２４３、および２５３を介して獲得された測定値は、制御ユニットによって、とりわけ、効率に変換され、乗算された出力値を乗算された入力値で割ることにより、効率が与えられる。これらの必要な計算は、以降、省略してＤＳＰとしても表される、制御ユニット２００内に配置されたデジタル・シグナル・プロセッサによって実行される。さらに、スイッチング電源装置１００の回路の温度が、好ましくは、回路の関係のある構成要素の付近で監視される。図示される実施形態の例では、この目的で、適切なセンサによって２つの温度が測定され、測定信号は、対応する信号入力２６１および２６２を介して制御ユニット２００に供給される。第１のセンサは、直流／直流変換器１１４内に、好ましくは、第２のスイッチの付近に配置され、第２のセンサは、同期整流器１１６内に、好ましくは、第３のスイッチの付近に配置される。電力半導体の効率η（イータ）および温度が、スイッチング電源装置１００内部で常に測定される。

図示される実施形態の例では、中間回路電圧および一次直流／直流電流も測定される。この目的で、制御ユニット２００の信号入力２４２は、電圧計１４２に接続され、信号入力２５２は、電流計１５２に接続される。

これらの測定値に基づいて、制御ユニット２００は、少なくとも１つの制御ループを制御し、ＤＳＰは、出力として、３つの出力２１０、２２０、および２３０を、これらの出力によってＰＦＣ１１２、直流／直流変換器１１４、および同期整流器１１６を制御するために利用する。制御ユニット２００の暗号化されたＤＳＰソフトウェアには、１つはＰＦＣ段１１２のため、１つは直流／直流変換器１１４のための、基本的に２つのデジタル・コントローラがプログラミングされている。さらに、ソフトウェアの中には、同期整流器１１６のための様々な遅延時間、ならびに特性マップも存在する。

出力２１０、２２０、および２３０を介して出力されるパルス幅変調信号による制御は、通常、１つだけの同期されたスイッチング周波数でもたらされるが、このことは、ＰＦＣ１１２の制御に必須ではない。図示される実施形態の例では、出力ＰＷＭ２を介して出力されるパルス幅変調信号のスイッチング周波数と、出力ＰＷＭ３を介して出力されるパルス幅変調信号のスイッチング周波数は、実際、同期しているが、位相がずれている。同期整流器１１６に対する位相ずれ、すなわち、デッドタイムは、制御ユニット２００のＤＳＰによって調整される。さらに、ＤＳＰは、ＰＦＣ段１１２および／または直流／直流変換器１１４を調整する。

制御ユニット２００は、制御ループの操作される変数を調整するために、上流に接続されたブースタ（ＰＦＣ）１１２、直流／直流変換器１１４、および同期整流器１１６を制御するのに用いられるパルス幅変調信号を利用し、これらの変数は、スイッチング周波数、デッドタイム、特に同期整流器１１６に対するデッドタイム、ならびに中間回路電圧を備える。

これらの測定値および操作される変数を介して、効率に良い影響を与えることができる。このことが以下に説明される。

同期整流器が使用される際、通常、順電流または回復電流が流れる位相は、第２のスイッチおよび第３のスイッチの適切な切り換えによって交番させられる。図２ａに、パルス幅変調信号ＰＷＭ２によってもたらされる第２のスイッチのゲート電圧５１０、およびＰＷＭ３によってもたらされる第３のスイッチのゲート電圧５２０が示される。従来のスイッチング電源装置では、例えば、図２ｂに示されるデッドタイムＴ_１のため、回復電流の位相は、時点ｔ_１に確立される。本発明によるデッドタイムの短縮により、この時点は、例えば、ｔ_２に移され、これにより、生じる電力損失が低減される。もたらされるデッドタイムのために生じる電力損失５３０が、図２ｂに示される。高いスイッチング周波数を有する同期整流器に関してデッドタイムを制御することは、特に不可欠である。というのは、図２ｂにデッドタイムＴ_Ｓとして示される「シュートスルー」点からの確実な距離が要求されるからである。本発明なしでは、この場合、負荷の変動、温度ドリフト、エージング・ドリフト、および構成要素公差が考慮されなければならない。本発明によって、エージング・ドリフトおよび構成要素公差は、直接に解消されることが可能である。格納された特性マップを用いて、スイッチング電源装置１００は、負荷および温度に対して最適に近いスイッチ・ポイントに最初に自動的に調整されることが可能である。

低速の温度制御ループおよび／または効率の迅速なリアルタイムの測定を使用して、実際、最適点が達せられる。というのは、デジタル・コントローラは、負荷または温度が変化するたびに、最適点に近づくからである。

ＭＯＳＦＥＴおよびダイオードがますます高速になっているため、より高いスイッチング周波数が常に可能であり、したがって、ますます小さい磁石が開発されることが可能である。しかし、スイッチング周波数が高まり、したがって、周期がより短くなり、デッドタイムが変わらないと、従来どおりに調整される電源装置は、非効率になる。というのは、「有効な」スイッチング時間がますます短くなるからである。これに対して、制御ユニット２００により、デッドタイムは最適に調整され、実際、継続的に動作しながら最適化される。

固定のスイッチング周波数を有するパルス幅変調信号が使用される、従来のスイッチング電源装置において、スイッチング損失および再充電損失は、負荷がますます小さくなるにつれ、ますます大きくなる。制御ユニット２００を用いて、より小さい負荷を有する各特性マップにつき、スイッチング周波数は、可聴範囲のすぐ下まで下げられることが可能であり、これにより、損失が激減させられることが可能である。このことは、当然、好ましくは、ＰＦＣ１１２、直流／直流変換器１１４、および同期整流器１１６に関して同期で行われる。例えば、図３ａおよび図３ｂに、効率の達成可能な向上が提示される。図３ａに、従来のスイッチング電源装置のスイッチング周波数３１０と、本発明による負荷に適合されたスイッチング周波数３２０とが、最大負荷のパーセンテージの、それぞれのスイッチング電源装置の出力に接続される負荷に応じて示される。図３ｂに、従来のスイッチング電源装置と、本発明によるスイッチング電源装置に関して、接続される負荷に応じて、それぞれの場合で得られることが可能な効率３１２および３２２が示される。

従来のスイッチング電源装置において、ＰＦＣは、一定の中間回路電圧、例えば、４００ボルトの直流電圧を調整する。この電圧は、入力からの自然に整流された電圧、すなわち、送電網電圧に２の平方根を掛けた値より高くなければならず、このため、力率補正はやはり機能する。本発明によれば、この電圧は、送電網電圧が非常に低い場合、直流／直流変換器１１４がそれでも完全に安定させることができる電圧まで、例えば、３００ボルトの直流電圧まで下げられることが可能である。このことは、図４ａおよび図４ｂに示されるとおり、効率の非常に大きな向上をもたらす。図４ａに、従来のスイッチング電源装置に関する一定の中間回路電圧４１０と、本発明による入力電圧に適合させられた中間回路電圧４２０とが、最大入力電圧のパーセンテージの、それぞれのスイッチング電源装置の入力に印加される電圧に応じて示される。図４ｂに、従来のスイッチング電源装置の場合と、本発明によるスイッチング電源装置の場合に関して、印加される入力電圧に応じて、その都度、得られることが可能な効率４１２および４２２が示される。

電源装置１００が、或る特定の温度、或る特定の入力電圧、および或る特定の負荷で動作するようにされた後、制御ユニット２００のＤＳＰが、「デフォルトの設定」でソフトスタートを経た後に、すべての入力値を絶えずリアルタイムで計算し、ほぼ最適な動作に即時にジャンプする。これに関して、以下のパラメータが最適化される。
・スイッチング周波数、すなわち、出力ＰＷＭ１、ＰＷＭ２、およびＰＷＭ３のパルス幅変調信号の周波数、
・中間回路電圧の設定値、
・出力ＰＷＭ１のパルス幅変調信号と出力ＰＷＭ２のパルス幅変調信号の間の位相差または遅延時間、
・出力ＰＷＭ２のパルス幅変調信号と出力ＰＷＭ３のパルス幅変調信号の間の位相差または遅延時間、
出力ＰＷＭ１のパルス幅変調信号のコントローラ・パラメータ（Ｐ、Ｉ、およびＤ構成要素）、および
出力ＰＷＭ２のパルス幅変調信号のコントローラ・パラメータ（Ｐ、Ｉ、およびＤ構成要素）である。

温度の単一回の安定化（ｓｉｎｇｌｅ ｓｔａｂｉｌｉｚｉｎｇ）の後、ＤＳＰは、第２の、非常に低速の、より高次の制御ループを開始する。小さいインクリメントで、出力ＰＷＭ１のパルス幅変調信号と、出力ＰＷＭ２のパルス幅変調信号の間の遅延時間が短縮されて、ついには、最適の効率が達せられる。小さいインクリメントで、出力ＰＷＭ２のパルス幅変調信号と、出力ＰＷＭ３のパルス幅変調信号の間の遅延時間が短縮されて、ついには、最適の効率が達せられ、温度は、安全のために常にさらに監視される。負荷または入力電圧の大きな変化があった後、制御ユニット２００のＤＳＰはまず、特性マップからのほぼ最適なデフォルトの値にジャンプして戻り、低速の最適化プロセスが再び開始される。第２の制御ループは、第１の制御ループと比べて、より低速であり、より高次であるので、第１の制御ループと第２の制御ループは、制御ユニット２００によって調整されるカスケード制御を形成する。

本発明による方法で、各動作点に関して絶対的な最適効率が実現される。従来の電源装置は、１つだけの動作点において最適化され、この動作点さえ、本発明によって明らかに向上させられる。このため、結果は、無負荷状態に至るまでの非常に広い負荷範囲にわたっての、さらに広い入力電圧範囲および温度範囲にもわたっての非常に高い効率である。さらに、高い調整パフォーマンスで非常に高い長期安定性が実現される。さらに、より迅速なコントローラ効果ももたらされる。

したがって、本発明によるスイッチング電源装置は、電源装置の効率が、継続的に動作しながら自動的に最適化され、このようにして、入力電圧範囲全体、負荷範囲全体、耐用寿命全体、および温度範囲全体にわたって最適に動作することを特徴とする。

Claims (14)

1. 入力電圧および／または入力電流を受け取るための入力端子（１０１、１０２）と、
   出力電圧および／または出力電流をもたらすための出力端子（１０３、１０４）と、
   少なくとも１つの制御可能なスイッチと、可変周波数および可変デューティ・サイクルを有する少なくとも１つのパルス幅変調信号によって前記少なくとも１つの制御可能なスイッチを制御するための制御ユニット（２００）と、少なくとも前記入力電流の強さ、前記入力電圧、前記出力電流の強さ、および前記出力電圧を測定するために設計され、制御ユニット（２００）に接続された計測器（１５１、１４１、１５３、１４３）とを有する、前記入力端子と前記出力端子の間に配置された電流変換および／または電圧変換のための回路とを備えるスイッチング電源装置（１００）であって、
   制御ユニット（２００）は、前記接続された計測器の測定値によってスイッチング電源装置（１００）の効率を監視し、さらに第１のデジタル制御ループによって前記少なくとも１つの制御可能なスイッチを制御することを介して前記効率を最適化する目的で設計されるスイッチング電源装置（１００）。
2. 前記入力端子と前記出力端子の間に配置された前記回路は、力率補正のための第１の回路構成要素（１１２）と、前記第１の構成要素の下流に接続され、直流電圧変圧器として設計された第２の回路構成要素（１１４）と、前記第２の構成要素の下流に接続され、同期整流器として設計された第３の回路構成要素（１１６）とを備え、前記第１の回路構成要素（１１２）は、第１の制御可能なスイッチを有し、前記第２の回路構成要素（１１４）は、第２の制御可能なスイッチを有し、前記第３の回路構成要素（１１６）は、第３の制御可能なスイッチを有する請求項１に記載のスイッチング電源装置。
3. 前記第１の制御可能なスイッチおよび／または前記第２の制御可能なスイッチは、前記第１の制御ループのＰＩＤコントローラとして動作する請求項２に記載のスイッチング電源装置。
4. 前記制御ユニットが前記第１のスイッチ、前記第２のスイッチ、および前記第３のスイッチのそれぞれを制御するのに用いる前記パルス幅変調信号は、同一の周波数であるが、異なる位相を有する請求項２または３のいずれか１項に記載のスイッチング電源装置。
5. 前記パルス幅変調信号の周波数、および／または
   前記力率補正のための回路構成要素（１１２）によってもたらされる中間回路電圧、および／または
   前記第１のスイッチを制御するための前記パルス幅変調信号と前記第２のスイッチを制御するための前記パルス幅変調信号の間の位相差、および／または
   前記第２のスイッチを制御するためのパルス幅変調信号と前記第３のスイッチを制御するためのパルス幅変調信号の間の位相差は、
   前記第１の制御ループの操作される変数として制御ユニット（２００）によって調整される請求項４に記載のスイッチング電源装置。
6. 制御ユニット（２００）に接続され、力率補正のための回路構成要素（１１２）によってもたらされ、直流電圧コントローラ（１１４）に入力側で印加される前記中間回路電圧を測定し、さらに直流電圧コントローラ（１１４）に入力側で流れる電流の前記電流の強さを測定するための計測器（１４２、１５２）を有する請求項５に記載のスイッチング電源装置。
7. 前記回路の少なくとも１つの温度、特に前記制御可能なスイッチのうちの１つのスイッチの付近の温度を測定するための、制御ユニット（２００）に接続された計測器（２６１、２６２）を備える請求項１乃至６のいずれか１項に記載のスイッチング電源装置。
8. 制御ユニット（２００）によって、前記第１の制御ループと比べて、より低速である第２の制御ループが制御される請求項２乃至７のいずれか１項に記載のスイッチング電源装置。
9. 前記第１の制御ループの実行中に制御ユニット（２００）によって少なくとも１つの温度が監視され、前記第２の制御ループによる調整は、前記温度および／または前記効率が安定して初めて、開始される請求項８に記載のスイッチング電源装置。
10. 前記第１のスイッチを制御するための前記パルス幅変調信号と前記第２のスイッチを制御するための前記パルス幅変調信号の間の前記位相差、および／または前記第２のスイッチを制御するための前記パルス幅変調信号と前記第３のスイッチを制御するための前記パルス幅変調信号の間の前記位相差は、前記第２の制御ループによって調整される請求項８または９に記載のスイッチング電源装置。
11. 前記第２の制御ループの基準変数として、スイッチング電源装置（１００）の前記効率、および／または前記温度が、前記制御ユニットによって使用される請求項１０に記載のスイッチング電源装置。
12. スイッチング電源装置（１００）がオンにされた際、および／または前記入力端子（１０１、１０２）に印加される前記電圧に変化があった際、および／または前記出力端子（１０３、１０４）に接続される前記負荷に変化があった際、前記第１の制御ループおよび／または前記第２の制御ループの前記操作される変数は、制御ユニット（２００）の中に格納された、前記回路において利用される半導体構成要素に関する特性マップに基づいて、制御ユニット（２００）によって調整される請求項１乃至１１のいずれか１項に記載のスイッチング電源装置。
13. 制御ユニット（２００）は、デジタル・シグナル・プロセッサを備える請求項１乃至１２のいずれか１項に記載のスイッチング電源装置。
14. 請求項１乃至１２のいずれか１項に記載のスイッチング電源装置（１００）を動作させるための方法。

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