JP2014212687A

JP2014212687A - 電源装置

Info

Publication number: JP2014212687A
Application number: JP2014075408A
Authority: JP
Inventors: 拓儀西村; Takunori Nishimura; 佐藤　拓也; Takuya Sato; 拓也佐藤
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2013-04-01
Filing date: 2014-04-01
Publication date: 2014-11-13

Abstract

【課題】電源装置のリップル電圧を決められた上限値以下に制限した上で、スイッチング損失を従来よりも小さくする。
【解決手段】可変のスイッチング周波数で入り切りされるスイッチング素子１０５と、スイッチング素子１０５の他端に接続されたインダクタンス１０７と、インダクタンス１０７の他端と入力端子のもう一方の端子の間に接続されたコンデンサ１０８と、コンデンサ１０８の両端の間の出力電圧に重畳されるリップル電圧を検出するリップル電圧検出部１１２と、コンデンサの温度を推測できる箇所で計測された計測温度に基づきスイッチング周波数の上限である上限周波数を決める上限周波数決定部１１１と、リップル電圧が決められた上限値であるリップル電圧上限値以下になるように上限周波数以下の範囲でスイッチング周波数を決めるスイッチング周波数制御部１１３とを備えた。
【選択図】図１

Description

この発明は、直流電力が入力されスイッチング素子の動作により入力電圧よりも低い電圧の直流電力を出力する電源装置に関する。

スイッチング電源などの電源装置の出力部には、リップル電圧の低減、負荷急変時の電圧変動の防止を目的として静電容量の大きなコンデンサが実装される。小型で大きな静電容量を得られる電解コンデンサは温度依存性が大きい。特に低温時には等価直列抵抗（ＥＳＲ）の増加が顕著であり結果として、リップル電圧が増大してしまう。リップル電圧の増大は、電源装置が電力を供給する機器が出力する信号でリップル電圧周期での周波数成分が重畳しノイズとなる場合がある。したがって、リップル電圧の大きさは電源装置の仕様として、最大で○mVp-p以下などと言うように規定される。このリップル電圧の仕様は、使用条件の温度範囲すべてで守る必要がある。

低温であっても電源装置を正常に動作させるため、一般的に、温度特性の良い電解コンデンサを選定して電源回路に実装すること、電源回路の出力部に電解コンデンサを並列に複数接続することなどがある。これらによって、低温時における電解コンデンサのＥＳＲの増加を抑制し、静電容量を確保することができる。

また、特許文献１には、電源回路のスイッチング素子の制御に関する技術が開示されている。この技術では、環境温度が規定値以下でなければ、電源回路のスイッチング素子を通常周波数で駆動し、環境温度が規定値以下であれば、電源回路のスイッチング素子を高速周波数で駆動する。

特開２００８−２８９２８５号公報

しかしながら、例えば航空機搭載レーダ用の電源装置の場合、ＭＩＬ規格（Military Standard）によれば、−５４℃〜＋７１℃という厳しい温度条件下で正常動作することが要求される。そのため、温度特性の良い電解コンデンサを選定して電源回路に実装する場合には、選定条件が厳しくなる。また、電源回路の出力部に電解コンデンサを並列に複数接続する場合には、実装数が増大する。したがって、いずれの方法によっても、コストが増大するという問題がある。

また、高周波数でスイッチング素子を駆動するとスイッチング損失が増大し、その結果、電源回路における電力の損失が増加する。そのため、特許文献１に記載の技術では、低温下でもリップル電圧は抑えられるものの、スイッチング損失の最小化と言う点では改善の余地がある。

この発明は、電源装置のリップル電圧を決められた上限値以下に制限した上で、スイッチング損失を従来よりも小さくできる電源装置を得ることを目的とする。

この発明に係る電源装置は、直流電源が接続される一対の入力端子と、前記入力端子の一方に一端が接続され、可変のスイッチング周波数で入り切りされるスイッチング素子と、前記スイッチング素子の他端に接続されたインダクタンスと、前記スイッチング素子と前記インダクタンスの接続点と前記入力端子のもう一方の端子との間に設けられ、前記接続点へ向かう方向にだけ電流を流すダイオードと、前記インダクタンスの他端と前記入力端子のもう一方の端子の間に接続されたコンデンサと、前記コンデンサの両端に設けられた一対の出力端子と、前記コンデンサの両端の間の出力電圧を計測する出力電圧計測器と、前記出力電圧に重畳されるリップル電圧を検出するリップル電圧検出部と、前記コンデンサの温度を推測できる箇所で計測された計測温度が入力されて前記計測温度に基づき前記スイッチング周波数の上限である上限周波数を決める上限周波数決定部と、前記リップル電圧が決められた上限値であるリップル電圧上限値以下になるように前記上限周波数以下の範囲で前記スイッチング周波数を決めるスイッチング周波数制御部と、前記スイッチング周波数で入り切りするように前記スイッチング素子を制御するスイッチング素子制御部とを備えたものである。

この発明の実施の形態１に係る電源装置の構成を説明する図である。この発明の実施の形態１に係る電源装置においてスイッチング周波数を制御する処理の流れを示すフローチャートである。この発明の実施の形態１に係る電源装置が有する過電圧発生抑制部の動作を説明するためのフローチャートである。この発明の実施の形態１に係る電源装置が有する過電圧発生抑制部の動作を説明する上での比較例としての、過電圧発生抑制部が動作しない場合のパルス負荷への電力供給時の電源装置の動作を説明する図である。この発明の実施の形態１に係る電源装置が有する過電圧発生抑制部がパルス負荷への電力供給前からゼロの電圧偏差指定値が入力される場合のパルス負荷への電力供給時の電源装置の動作を説明する図である。この発明の実施の形態１に係る電源装置が有する過電圧発生抑制部がパルス負荷への電力供給後にゼロより大きい電圧偏差指定値が入力される場合のパルス負荷への電力供給時の電源装置の動作を説明する図である。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１について、図面を参照しつつ説明する。全図を通じて同一の要素には同一の符号を付す。

図１は、この発明の実施の形態１に係る電源装置の構成を説明する図である。この発明の実施の形態１に係る電源装置１００は、直流電源からの入力電力を所望の大きさの出力電圧の直流の電力に変換して負荷へ供給する装置である。図１に示すように、電源装置１００は、電源入力部１０１と、電源回路１０２と、電源出力部１０３と、制御部１０４とを備える。

電源入力部１０１は、外部の直流電源から入力電力を受電する一対の入力端子を有しており、受電した電力を配線IN_Hおよび配線IN_Rを介して電源回路１０２へ出力する。電源入力部１０１は、例えば入力電力の電圧などが電源装置１００の仕様などで定められる基準を満たさない場合などには、電源回路１０２への電力の出力を遮断して電源回路１０２を保護する保護回路などを備える。

電源回路１０２は、制御部１０４に制御されて動作することによって、電源入力部１０１から入力される電力を定められた目標電圧の直流の電力に変換して出力する電気回路である。電源回路１０２は、例えば降圧コンバータであり、電源入力部１０１からの入力電力を入力電圧よりも低い目標電圧の直流の電力に変換する。

電源回路１０２は、同図に示すように、一対の入力端子に接続された配線IN_Hと配線IN_Rとにより電源入力部１０１に電気的に接続されるとともに、配線OUT_Hと配線OUT_Rとにより電源出力部１０３に電気的に接続されている。以下、配線IN_Hと配線OUT_Hとを接続する電源回路１０２内の配線を「H側配線」と称し、配線IN_Rと配線OUT_Rとを接続する電源回路１０２内の配線を「R側配線」と称する。

電源回路１０２は、同図に示すように、入力端子の一方に接続された配線IN_Hに一端が接続されて可変のスイッチング周波数で入り切りされるスイッチング素子１０５と、フリーホイールダイオード１０６と、チョークコイル１０７と、コンデンサ１０８とを備える。さらに、電源回路１０２は、コンデンサ１０８の両端の間の電圧すなわち出力電圧を計測する出力電圧計測器１０９を備える。

スイッチング素子１０５の他端とチョークコイル１０７の一端とは接続され、電源入力部１０１側から電源出力部１０３側へ順にスイッチング素子１０５とチョークコイル１０７とがH側配線に直列で設けられる。チョークコイル１０７は、入力電圧と出力電圧の間で発生する電圧差を担うインダクタンスである。スイッチング素子１０５とチョークコイル１０７との接続点と配線IN_Rとの間に設けられたフリーホイールダイオード１０６は、スイッチング素子１０５が切の状態でインダクタンスが存在するために流れ続けようとする電流を流すために設けられる。フリーホイールダイオード１０６は、スイッチング素子１０５とチョークコイル１０７との接続点へ向かう方向にだけ電流を流すダイオードである。コンデンサ１０８は、H側配線とR側配線との間に接続される。コンデンサ１０８の一方の正極は、チョークコイル１０７と配線OUT_Hとを接続するH側配線に接続される。

スイッチング素子１０５は、制御部１０４から取得する信号に応じて、配線IN_Hに印加される入力電圧をチョークコイル１０７の一端に印加するかどうかの導通（オン）と遮断（オフ）とを切り替える素子であり、例えばトランジスタである。

コンデンサ１０８は、配線OUT_Hに印加する電圧、すなわち電源回路１０２から出力する電圧を安定させるための電解コンデンサおよび他の種類のコンデンサ、例えばセラミックコンデンサなどを並列にして構成している。

出力電圧計測器１０９は、電源回路１０２から出力される電圧、すなわち電源回路１０２が配線OUT_Hと配線OUT_Rの間に印加する出力電圧を計測する。出力電圧は、コンデンサ１０８の両端の間の電圧である。

電源出力部１０３は、電源回路１０２から出力される電力を配線OUT_Hおよび配線OUT_Rを介して受電し、それに基づく電力を出力電力として負荷へ出力する一対の出力端子を有する。電源出力部１０３は、例えば出力電力の電圧が電源装置１００の仕様などで定められる基準を満たさない場合などには、出力電力の出力を遮断して負荷を保護する保護回路などを備える。一対の出力端子は、それぞれ配線OUT_Hと配線OUT_R、すなわちコンデンサ１０８の両端に接続される。

制御部１０４は、例えば、プロセッサ、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、電気回路などを適宜組み合わせて構成され、電源回路１０２を制御する。

制御部１０４は、図１に示すように、温度情報および出力電圧に関する情報を取得する情報取得部１１０と、温度情報からスイッチング周波数の上限である上限周波数を決める上限周波数決定部１１１と、出力電圧に重畳しているリップル電圧を検出するリップル電圧検出部１１２と、リップル電圧に基づきスイッチング周波数を決めるスイッチング周波数制御部１１３と、出力電圧と目標電圧との差である電圧偏差を検出する電圧偏差検出部１１４と、電圧偏差が入力されて出力電圧が目標電圧に近づくように制御する出力電圧制御部１１５、スイッチング素子１０５を制御するスイッチング素子制御部１１６、電源回路１０２に発生した異常を検出する異常検出部１１７と、例えば同じ大きさの電力または電流を短時間だけ消費する負荷であるパルス負荷の終了時点に出力電圧が過大になることを防止する過電圧発生抑制部１１８とを備える。制御部１０４が備える各機能は、予め組み込まれたコンピュータプログラムを実行することで発揮される機能又は電気回路が備える機能などにより実現されるとよい。

情報取得部１１０には、温度センサ１３０及び出力電圧計測器１０９からの信号が入力される。温度センサ１３０は、コンデンサ１０８の温度を推測できる温度を計測できる箇所に設けられる。コンデンサ１０８の温度を推測できる温度とは、例えばコンデンサ１０８の表面温度あるいは内部温度、コンデンサ１０８付近の気温などである。複数個所で温度を計測して平均などで求めた温度を温度情報としてもよい。情報取得部１１０は、温度センサ１３０からの温度情報を上限周波数決定部１１１へ出力する。出力電圧計測器１０９が計測した出力電圧は、リップル電圧検出部１１２と電圧偏差検出部１１４へ出力する。

上限周波数決定部１１１では、温度とESRとの関係を表現するデータ又は関係式を予め持っており、入力された温度情報が示す温度に対してESRを推定する。推定したESRから、決められた上限値であるリップル電圧上限値以下にすることができるスイッチング周波数の範囲を求める。求めたスイッチング周波数範囲の下限を基に上限周波数を決める。推定したESRには誤差が存在するので、求めたスイッチング周波数範囲の下限でリップル電圧が上限値以下にならない場合も有り得る。そこで、スイッチング周波数の上限値である上限周波数は、求めたスイッチング周波数範囲の下限よりも適当な大きさだけ大きい値とする。求めた上限周波数は、スイッチング周波数制御部１１３に出力する。

リップル電圧検出部１１２は、出力電圧計測器１０９が計測した出力電圧が入力されて、出力電圧の決められた長さの時間での移動平均を求める。出力電圧から、出力電圧の移動平均を引いて出力電圧に重畳しているリップル電圧を検出する。決められた長さの時間でのリップル電圧の最大値から最小値を引いたリップル電圧の変動幅をリップル電圧として、スイッチング周波数制御部１１３に出力する。なお、移動平均は低域通過フィルタなどにより求めてもよい。あるいは高域通過フィルタを通過した出力電圧を、リップル電圧としてもよい。

スイッチング周波数制御部１１３は、リップル電圧検出部１１２が計測したリップル電圧がリップル電圧上限値以下になるように、ＰＩ制御(比例積分制御)などのフィードバック制御を実施して、スイッチング周波数を制御する。リップル電圧がリップル電圧上限値よりも大きければスイッチング周波数を高くする。ただし、スイッチング周波数が上限周波数を超える場合には、スイッチング周波数を上限周波数とする。リップル電圧がリップル電圧上限値よりも小さいリップル電圧下限値よりも小さければ、スイッチング周波数を低くする。ただし、スイッチング周波数が通常状態でのスイッチング周波数である通常周波数以下になる場合は、通常周波数とする。つまり、通常周波数はスイッチング周波数の下限である。リップル電圧上限値とリップル電圧下限値の間の間隔は、スイッチング周波数の増加と減少が繰り返すような事態が発生しないように適切な大きさに決める。

スイッチング周波数制御部１１３の例えばＰＩ制御の制御パラメータは、スイッチング周波数を変更することによりリップル電圧が変化する時間遅れを考慮し、かつできるだけ速くリップル電圧を低減できるように決める。ＰＩＤ制御(比例積分微分制御)やＰＤ制御(比例微分制御)、あるいはフィードフォワード制御など他の種類の制御方法でもよい。

スイッチング周波数が上限周波数である状態が決められた長さの時間以上に継続すると、スイッチング周波数制御部１１３は異常検出部１１７に異常であることを通知する。異常検出部１１７は、スイッチング素子１０５が切状態で固定するようにスイッチング素子制御部１１６に指示を出し、異常を通知するランプなどを点灯させる。異常を通知する音声を出力してもよい。なお、異常検出部がスイッチング周波数を監視して、スイッチング周波数が上限周波数以上である状態が決められた長さの時間以上に継続した場合に、異常検出部が異常を検出するようにしてもよい。

電圧偏差検出部１１４は、出力電圧と目標電圧との差である電圧偏差を検出する。出力電圧制御部１１５は、電圧偏差が入力されて出力電圧が目標電圧に近づくように、スイッチング素子１０５のデューティ比(duty ratio)を制御する。電圧偏差検出部１１４は、電圧偏差に対して例えばＰＩ制御により、デューティ比を制御する。電圧偏差が負すなわち出力電圧が目標電圧よりも小さい場合は、デューティ比が通常状態でのデューティ比よりも大きくなる。電圧偏差が正すなわち出力電圧が目標電圧よりも大きい場合は、デューティ比が通常状態でのデューティ比よりも小さくなる。出力電圧制御部１１５が求めたデューティ比は、スイッチング素子制御部１１６に出力される。

スイッチング素子制御部１１６は、スイッチング素子制御信号を生成し、スイッチング素子１０５へ出力することによって、スイッチング素子１０５の入り切りを制御する。スイッチング素子制御部１１６は、入力されたスイッチング周波数とデューティ比になるように、スイッチング素子１０５の入り切りタイミングを制御する。

過電圧発生抑制部１１８は、電源装置１００が電力を供給する装置に設けられた、トリガ信号を出力するトリガ信号出力部１５０に接続されている。トリガ信号は、パルス負荷の終了タイミングよりも決められた長さの時間（ＴＤとする）だけ前に発生する。パルス負荷の長さ（ＴＰとする）は予め決められており、ＴＤ＞ＴＰであればパルス負荷の発生前にトリガ信号が発生する。ＴＤ＜ＴＰであれば、パルス負荷の発生後にトリガ信号が発生する。

トリガ信号出力部１５０から出力されるトリガ信号を受信すると、トリガ信号の受信タイミングから決められた長さの時間（ＴＧとする）の間は、過電圧発生抑制部１１８は、電圧偏差検出部１１４に対して電圧偏差をゼロ以上の決められた値である電圧偏差指定値を出力するように指示する。電圧偏差検出部１１４からゼロである電圧偏差指定値が出力されている間は、出力電圧制御部１１５はデューティ比を目標電圧に対応する値に固定する。また、電圧偏差検出部１１４からの電圧偏差として、ゼロより大きい電圧偏差指定値が入力されている間は、出力電圧制御部１１５は出力電圧を低下させるようにデューティ比を減少させる。トリガ信号が出力電圧制御部１１５に入力されて、トリガ信号の受信タイミングから決められた長さの時間ＴＧの間は、出力電圧制御部１１５が電圧偏差が電圧偏差指定値であるとして扱うように構成してもよい。電圧偏差指定値を、時間ＴＧの中で変化させてもよい。

これまで、この発明の実施の形態１に係る電源装置１００の構成について説明した。ここから、電源装置１００の動作について説明する。

電源装置１００で発生するリップル電圧の大きさについて考察する。以下の変数を定義する。
Ｖin：電源入力部１０１に入力される電圧。
Ｖout：電源出力部１０３から出力される電圧。
ΔＶout：電源出力部１０３から出力されるリップル電圧。
|ΔＶout|：リップル電圧ΔＶoutの変動幅。１周期での最大値と最小値の差。
Ｖout0：電源出力部１０３から出力される電圧からリップル電圧を除いた電圧。
ｄ：デューティ比。ｄ＝Ｖout0／Ｖin。スイッチング素子１０５が入の状態をとる時間の割合。
Ｌ：チョークコイル１０７のインダクタンス値。
ｆ：スイッチング素子１０５のスイッチング周波数。
ｉ：コンデンサ１０８に流れるリップル電流。
Ｒ：コンデンサ１０８の直列等価抵抗値。
Ｃout：コンデンサ１０８の静電容量値。
ΔVoutR：コンデンサ１０８の直列等価抵抗によるリップル電圧。
ΔVoutC：コンデンサ１０８の静電容量成分によるリップル電圧。

電源装置１００では、入力電圧Ｖinから電圧Ｖout0を出力することから、デューティ比ｄ（＝Ｖout0/Ｖin）でスイッチング素子１０５が動作する。したがって、任意の整数をnとすると、チョークコイル１０７に印加される電圧は、以下のようになる。なお、出力電圧Ｖoutが変動することによるリップル電流ｉの変動は無視する。
n/f≦t≦(n+d)/fで、Ｌ*di/dt＝Vin - Vout0 (1)
(n+d)/f≦t≦(n+1)/fで、Ｌ*di/dt＝−Vout0 (2)

ここで、t=n/f、t=(n+1)/fでのリップル電流ｉが同じ値になり、１周期での電流の総和がゼロになることから、式(1)と式(2)を満足するリップル電流ｉは、以下のようになる。
n/f≦t≦(n+d)/fで、 i(t)＝((Vin - Vout0)/L)*(t-(n+d/2)/f) (3)
(n+d)/f≦t≦(n+1)/fで、 i(t)＝−(Vout0/L)*(t-(n+(1+d)/2)/f) (4)
式(3)と式(4)から、t=(n+d/2)/fとt=(n+(1+d)/2)/fで、i=0となることが分かる。

コンデンサ１０８で発生するリップル電圧に関して、以下の式が成立する。
ΔVout(t)＝Vout−Vout0＝ΔVoutR(t)＋ΔVoutC(t) (6)
ΔVoutR(t)＝R*i(t) (7)
d(ΔVoutC(t))/dt＝i(t)/Cout (8)

式(7)に、式(3)と式(4)を代入すると、以下のようになる。
n/f≦t≦(n+d)/fで、ΔVoutR(t)＝R*((Vin - Vout0)/L)*(t-(n+d/2)/f) (9)
(n+d)/f≦t≦(n+1)/fで、ΔVoutR＝−R*(Vout0/L)*(t-(n+(1+d)/2)/f) (10)

式(8)、式(3)、式(4)と、i=0となるt=(n+d/2)/fとt=(n+(1+d)/2)/fで、ΔVoutCが最大値および最小値をとること、１周期で同じ電圧に戻ることから、ΔVoutC(t)は以下のようになる。
n/f≦t≦(n+d)/fで、
ΔVoutC(t)＝((Vin - Vout0)/(L*Cout))*(t-(n+d/2)/f)²/2
−Vout0*(1 - d)/[(f*L)*(16*f*Cout)] (11)
(n+d)/f≦t≦(n+1)/fで、
ΔVoutC(t)＝−Vout0/(L*Cout))*{t-(n+(1+d)/2)/f}²/2
＋Vout0*(1 - d)/[(f*L)*(16*f*Cout)] (12)

式(6)を微分して、式(3)、式(4)、式(7)、式(8)を代入すると、以下となる。
n/f≦t≦(n+d)/fで、 dVout/dt＝(Vin - Vout0)*(R/L)+i/Cout (13)
(n+d)/f≦t≦(n+1)/fで、dVout/dt＝−Vout0*(R/L)+i/Cout (14)

式(13)に式(3)を代入し、式(14)に式(4)を代入すると、以下となる。
n/f≦t≦(n+d)/fで、
dVout/dt＝((Vin - Vout0)/L)*[R+(t-(n+d/2)/f)/Cout] (13A)
(n+d)/f≦t≦(n+1)/fで、
dVout/dt＝−(Vout0/L)*[R+(t-(n+(1+d)/2)/f)/Cout] (14A)

式(13A)がゼロになる場合が存在するためには、以下が成立する必要がある。
R≦d/(2*f*Cout) (15)
式(14A)がゼロになる場合が存在するためには、以下が成立する必要がある。
R≦(1 - d)/(2*f*Cout) (16)

式(15)と式(16)がそれぞれ成立するかどうかで場合分けして、出力電圧Voutのリップル電圧の１周期内での最大値から最小値を引いた値である変動幅|ΔVout|は、以下のように計算できる。
（Ａ）R≦d/(2*f*Cout)かつR≦(1 - d)/(2*f*Cout))の場合
|ΔVout|＝(Vin/L)*R²*Cout/2 + Vout0*(1-d)/[(f*L)*(8*f*Cout)] (17)

（Ｂ）d/(2*f*Cout) ＜R≦(1 - d)/(2*f*Cout)の場合
|ΔVout|＝[Vout0*(1 - d)/(2*L*f)]*{R + d/(4*f*Cout)}
＋(Vin/L)*(1 - d)*R²*Cout/2 (18)

（Ｃ）(1 - d)/(2*f*Cout) ＜R≦d/(2*f*Cout)の場合
|ΔVout|＝[Vout0*(1 - d)/(2*L*f)]*{R + (1 - d)/(4*f*Cout)}
＋(Vout0/L)*R²*Cout/2 (19)

（Ｄ）R＞d/(2*f*Cout)かつR＞(1 - d)/(2*f*Cout))の場合
|ΔVout|＝Vout0*(1-d)*R/(f*L) (20)

リップル電圧の変動幅|ΔVout|は、コンデンサ１０８の等価直列抵抗値Ｒがゼロから大きくなると、Ｒがゼロに非常に近い間はＲの２乗に比例して大きくなる。Ｒによるリップル電圧がコンデンサによるリップル電圧よりも大きくなる程度にＲが大きくなると、リップル電圧がＲに比例することが分かる。Ｒの大きさに関わらず、スイッチング素子１０５のスイッチング周波数ｆを大きくすると、リップル電圧の変動幅が小さくなることが分かる。リップル電圧の変動幅のことを、リップル電圧の大きさ、あるいはリップル電圧とも呼ぶ。

リップル電圧を常に大きく評価することになるが、等価直列抵抗値Ｒの値によらず、以下の式でリップル電圧を評価してもよい。
|ΔVout|＝Vout0*(1-d)/(f*L)*[R + 1/(8*f*Cout)] (21)
Ｒ＝０の場合は、式(21)は、式(17)と同じ値のリップル電圧を計算できる。また、Ｒが1/(8*f*Cout)に対して十分に大きい場合は、式(21)は式(20)と同じ値のリップル電圧を計算できる。

スイッチング周波数制御部１１３によるスイッチング周波数ｆを制御する動作について説明する。ここでは、離散的な時間ごとにスイッチング周波数を変更する方法の１例を説明する。そのために、以下の変数を定義する。
ΔＴ：スイッチング周波数を変更する周期。
ｔ：現在時刻。
ｔ０：前回、温度情報を取得した時刻。
Ｔ０：温度情報を取得する周期。
Δｆ：スイッチング周波数ｆを１回に増減する幅。
Ｔc：温度センサ１３０で計測した計測温度。
ｆup：温度Ｔcから決まるスイッチング周波数ｆの上限値。上限周波数と呼ぶ。
ｆst：通常動作時のスイッチング周波数。スイッチング周波数ｆの下限。
ΔＶmax：リップル電圧|ΔVout|の上限値。
ΔＶmin：リップル電圧|ΔVout|の下限値。
ｔ１：前回、リップル電圧|ΔVout|を取得した時刻。

図２は、この発明の実施の形態１に係る電源装置においてスイッチング周波数を制御する処理の流れを示すフローチャートである。まず、最初に、ステップＳ０１の温度取得工程で、温度センサ１３０から計測温度Ｔｃを取得し、ｔ０＝ｔとする。ステップＳ０２の上限周波数決定工程では、上限周波数決定部１１１がコンデンサの温度Ｔｃに基づき上限周波数ｆupを決める。

上限周波数ｆupよりも大きい場合(ＳＴＥＰＳ０６でＹＥＳ)は、上限周波数fup以下の周波数ではリップル電圧|ΔVout|を上限値ΔＶmax以下に低減できず、何らかの異常が存在することを意味するので、ステップＳ０７の異常停止工程に進む。ステップＳ０７の異常停止工程では、スイッチング周波数制御部１１３から異常が存在することを通知された異常検出部１１７は、スイッチング素子１０５が切状態で固定するようにスイッチング素子制御部１１６に指示を出し、異常を通知するランプなどを点灯させる。そして、処理を終了する。

ここでは、１回でもスイッチング周波数ｆが上限周波数ｆupよりも大きい場合を異常としたが、異常としないでスイッチング周波数ｆを上限周波数ｆupとして、上限周波数ｆupが決められた回数だけ継続した場合に異常と判断してもよい。

スイッチング周波数ｆが上限周波数ｆupよりも大きくない場合(ＳＴＥＰＳ０６でＮＯ)は、ステップＳ０８で、前回、温度Ｔｃを取得してからＴ０が経過したかどうか(ｔ≧ｔ０＋Ｔ０？)をチェックする。Ｔ０が経過した場合(ＳＴＥＰＳ０８でＹＥＳ)は、ステップＳ０１の温度取得工程に戻る。

Ｔ０が経過してない場合(ＳＴＥＰＳ０８でＮＯ)は、ステップＳ０９で、前回、リップル電圧|ΔVout|を取得してからΔＴが経過したかどうか(ｔ≧ｔ１＋ΔＴ？)をチェックする。経過していない場合(ＳＴＥＰＳ０９でＮＯ)は、繰り返しチェックする。ΔＴが経過した場合(ＳＴＥＰＳ０９でＹＥＳ)は、ステップＳ０３のリップル電圧取得工程に戻る。

リップル電圧|ΔVout|が上限値ΔＶmaxよりも大きくない場合(ＳＴＥＰＳ０４でＮＯ)は、ステップＳ１０で、スイッチング周波数ｆが下限周波数ｆstよりも大きいかどうか(ｆ＞ｆst ？)をチェックする。下限周波数ｆstよりも大きくない場合(ＳＴＥＰＳ１０でＮＯ)は、スイッチング周波数ｆは下限周波数ｆstと等しく、周波数を変更する必要がないので、ステップＳ０８に進む。

スイッチング周波数ｆが下限周波数ｆstよりも大きい場合(ＳＴＥＰＳ１０でＹＥＳ)は、ステップＳ１１で、リップル電圧|ΔVout|が下限値ΔＶmin未満かどうか(|ΔVout|＜ΔＶmin ？)をチェックする。下限値ΔＶmin未満の場合(ＳＴＥＰＳ１１でＹＥＳ)は、スイッチング周波数ｆが高すぎるので、ステップＳ１２のスイッチング周波数減少工程で、スイッチング周波数ｆを減少(ｆ＝ｆ−Δｆ)させる。そして、ステップＳ０８に進む。下限値ΔＶmin以上の場合(ＳＴＥＰＳ１１でＮＯ)は、ステップＳ０８に進む。

図２のフローチャートにしたがって動作すれば、低温時などコンデンサのESRの値が大きく、リップル電圧|ΔVout|が上限値ΔＶmaxよりも大きい場合には、上限値ΔＶmaxよりも小さくなるまでスイッチング周波数ｆが増加する。コンデンサのESRの値が低下してリップル電圧|ΔVout|が下限値ΔＶminよりも小さくなれば、スイッチング周波数ｆが減少する。スイッチング周波数ｆが通常動作時のスイッチング周波数ｆstになれば、それ以下にはスイッチング周波数ｆは減少しない。したがって、低温時であっても、電源回路１０２を安定して動作させることが可能になる。ひいては、低温時における電源品質の向上、システム全体の高効率化が可能になる。

スイッチング周波数ｆをリップル電圧|ΔVout|が上限値ΔＶmax以下になる範囲で、できるだけ低い周波数でスイッチング素子が動作するので、温度により一律でスイッチング周波数ｆを高くする制御方式と比較して、スイッチング素子でのスイッチング損失を低減できる。また、温度から決まる上限周波数ｆupまで周波数を増加させてもリップル電圧|ΔVout|を上限値ΔＶmax以下にできない場合は、電源装置に何らかの異常が存在することになる。異常が存在することを検出して電源装置を停止させ、電源装置を保護することができる。

この実施の形態によれば、コンデンサ１０８には、比較的緩やかな条件で選定された電解コンデンサ又は一般的な電解コンデンサを採用しても、低温時に、電源回路１０２を安定して動作させることができる。また、コンデンサ１０８を並列に接続しなくても、又は、比較的少ない数のコンデンサ１０８を並列に接続することで、低温時に、電源回路１０２を安定して動作させることができる。したがって、コストの増大を抑制することが可能になる。

過電圧発生抑制部１１８の動作を説明する。図３は、この発明の実施の形態１に係る電源装置が有する過電圧発生抑制部の動作を説明するためのフローチャートである。ステップＳ２１では、トリガ信号が入力されたかチェックする。入力されていない場合は、ステップＳ２２で、出力電圧制御部１１５を電圧偏差検出部１１４が検出した電圧偏差で動作させる。そして、繰り返しトリガ信号が入力されたか決められた周期でチェックする。トリガ信号が入力された場合は、ステップＳ２３で、出力電圧制御部１１５に電圧偏差指定値（ゼロ以上）を入力して、出力電圧制御部１１５を動作させる。ステップＳ２４で、トリガ信号が入力されてから決められた時間が経過したかチェックする。決められた時間が経過していなければ、ステップＳ２４に戻る。経過していれば、ステップＳ２５で、出力電圧制御部１１５を電圧偏差検出部１１４が検出した電圧偏差で動作させる。

過電圧発生抑制部１１８の動作を説明するために、まず、比較例としての過電圧発生抑制部が動作しない場合について説明する。図４は、この発明の実施の形態１に係る電源装置が有する過電圧発生抑制部の動作を説明する上での比較例としての、過電圧発生抑制部が動作しない場合のパルス負荷への電力供給時の電源装置の動作を説明する図である。図４(a)に負荷への供給電流ｉoutの時間変化を示す。図４(b)に、出力電圧Ｖoutの時間変化を示す。図４(c)に、出力電圧制御部１１５に入力される電圧偏差の時間変化を示す。図４(d)に、スイッチング素子１０５のデューティ比dsの時間変化を示す。

図４(a)において、時刻ｔＡで、同じ大きさの電流を短時間だけ消費する負荷であるパルス負荷に電力を供給開始し始めるとする。ここでは、出力電流ｉoutはステップ状に増加し、一定値を保ち、その後ステップ状にゼロに戻るとする。パルス負荷の発生前は、リップル電圧は重畳するものの出力電圧Voutは上限以下かつ下限以上の決められた値Ｖout0で一定である。パルス負荷に電力を供給し始めるｔＡ以降は、コンデンサ１０８に貯えた電力を供給するので、出力電圧Ｖoutが減少する。出力電圧制御部１１５に入力される電圧偏差Ｖsも出力電圧Ｖoutと同様に変化する。負の電圧偏差Ｖsに応じて、出力電圧制御部１１５はデューティ比を増加させる。図４(b)に示すように、時刻ｔＢで、出力電圧Ｖoutが増加に転じ、時刻ｔＣで出力電圧Ｖoutがパルス負荷へ電力を供給する前の値になり、以後はパルス負荷への電力の供給が終了する時刻ｔＤまでは同じ値に維持される。図４(d)に示すように、スイッチング素子１０５のデューティ比dsは、時刻ｔＡ以前は目標電圧Vout0を維持するds0の値を取り、時刻ｔＡから時刻ｔＣまでの間に、時刻ｔＡ以前のds0よりも大きい値を取り、時刻ｔＣから時刻ｔＤまではds0を取る。

時刻ｔＤでパルス負荷への電力の供給が終了すると、パルス負荷への電流分がコンデンサ１０８に貯えられるようになり、出力電圧Ｖoutが増加する。図４(b)に示すように、パルス負荷の電流量が大きい場合には、時刻ｔＥで出力電圧Ｖoutが上限を超えてしまう。時刻ｔＦで出力電圧Ｖoutが最大値を取る。時刻ｔＧで、出力電圧Ｖoutがパルス負荷へ電力を供給する前の値Vout0に戻る。スイッチング素子１０５のデューティ比dsは、時刻ｔＤから時刻ｔＧまでの間は、時刻ｔＡ以前のds0よりも小さい値を取り、時刻ｔＧ以降はds0を取る。

次にパルス負荷への電力供給前にトリガ信号を発生させる場合の過電圧発生抑制部１１８の動作を説明する。図５は、この発明の実施の形態１に係る電源装置が有する過電圧発生抑制部がパルス負荷への電力供給前からゼロの電圧偏差指定値が入力される場合のパルス負荷への電力供給時の電源装置の動作を説明する図である。

時刻ｔＡよりも少し前の時刻ｔＸにトリガ信号が入力される。時刻ｔＸ以後で決められた長さの時間ＴＧが経過するまでは、過電圧発生抑制部１１８は、電圧偏差がゼロであるとして出力電圧制御部１１５を動作させる。図５(b)では、出力電圧制御部１１５に入力される電圧偏差を実線で示し、電圧偏差検出部１１４が検出する電圧偏差を破線で示す。出力電圧制御部１１５が電圧低下を検出して電圧を上昇させる動作をしないため、時刻ｔＡでパルス負荷へ電力の供給を開始すると、パルス負荷へ電力の供給が終了する時刻ｔＤまで、出力電圧Voutが低下し続ける。

時刻ｔＤから出力電圧Voutは、僅かに上昇に転ずる。これは、スイッチング素子１０５のデューティ比dsは出力電圧が目標電圧Vout0を維持する値であるので、Vout0よりも低下している出力電圧VoutがVout0に近づくように作用するためである。時刻ｔＹにトリガ信号が入力された時刻ｔＸから決められた時間ＴＧが経過して、出力電圧制御部１１５に負の電圧偏差が入力されるようになると、出力電圧制御部１１５がデューティ比を増加させて、出力電圧Voutの増加率がより大きくなる。時刻ｔＨで、出力電圧Ｖoutがパルス負荷へ電力を供給する前の値Vout0に戻る。スイッチング素子１０５のデューティ比dsは、時刻ｔＹから時刻ｔＨまでの間に、時刻ｔＡ以前の目標電圧Vout0を維持するds0よりも大きい値を取り、時刻ｔＨ以降はds0を取る。このようにパルス負荷発生前にトリガ信号を入力し、パルス負荷への電力の供給が終了した後まで出力電圧制御部１１５が電圧を回復する動作をさせないことで、パルス負荷への電力の供給が終了した際の出力電圧が上限を超えることを防止できる。

なお、時刻ｔＡ以降は出力電圧Voutが低下し続けるので、パルス負荷への電力供給が終了する時刻ｔＤよりも前でも、電圧が十分に低下していれば、トリガ信号が入力された時刻ｔＸから決められた時間ＴＧが経過する時刻ｔＹが来るように、決められた時間ＴＧを決めてもよい。

次にパルス負荷への電力供給後で供給終了前にトリガ信号を発生させる場合の過電圧発生抑制部１１８の動作を説明する。この発明の実施の形態１に係る電源装置が有する過電圧発生抑制部がパルス負荷への電力供給後にゼロより大きい電圧偏差指定値が入力される場合のパルス負荷への電力供給時の電源装置の動作を説明する図である。

トリガ信号は、時刻ｔＣと時刻ｔＤの間の時刻ｔＷに入力される。時刻ｔＷまでは、図４と同様に動作する。過電圧発生抑制部１１８は、電圧偏差がゼロより大きい電圧偏差指定値であるとして出力電圧制御部１１５を動作させる。図６(b)では、出力電圧制御部１１５に入力される電圧偏差を実線で示し、電圧偏差検出部１１４が検出する電圧偏差を破線で示す。出力電圧制御部１１５は電圧上昇を検出することになり、デューティ比dsがds0よりも小さくなるので、時刻ｔＷからは出力電圧Voutが低下し始める。

時刻ｔＤでパルス負荷への電力の供給が終了すると、パルス負荷への電流分がコンデンサ１０８に貯えられるようになり、出力電圧Ｖoutが増加する。出力電圧Ｖoutの増加率は、図４の場合の例えば半分程度以下になるように、電圧偏差指定値の大きさを調整しておく。時刻ｔＺでトリガ信号が入力された時刻ｔＷから決められた長さの時間ＴＧが経過して、出力電圧制御部１１５に負の電圧偏差が入力されるようになると、出力電圧制御部１１５がデューティ比を増加させて、出力電圧Voutの増加率がより大きくなる。時刻ｔＪで、出力電圧Ｖoutがパルス負荷へ電力を供給する前の値Vout0に戻る。スイッチング素子１０５のデューティ比dsは、時刻ｔＺから時刻ｔＪまでの間に、時刻ｔＡ以前のds0よりも大きい値を取り、時刻ｔＪ以降はds0を取る。このようにパルス負荷への電力供給後で供給終了前にトリガ信号を発生させ、パルス負荷への電力の供給が終了するタイミングｔＤを含むように決められた長さの時間ＴＧで、出力電圧制御部１１５に出力電圧Ｖoutを低下させる動作をさせることで、パルス負荷への電力の供給が終了した際の出力電圧Ｖoutが上限を超えることを防止できる。

なお、時刻ｔＺは時刻ｔＤ以後である必要がある。これは、時刻ｔＺが時刻ｔＤよりも前であれば、時刻ｔＤまでの間、出力電圧Ｖoutを目標電圧Ｖout0に上昇させるためデューティ比dsがds0よりも大きくなり、時刻ｔＤでの出力電流ｉoutがパルス負荷への電流分よりも大きくなり、時刻ｔＤでの電圧の上昇速度が何も制御しない場合（図４）よりも大きくなるからである。

なお、トリガ信号が入力されると、すぐに過電圧発生抑制部が出力電圧制御部に入力される電圧偏差を制御したが、予め決められた時間、あるいはトリガ信号とともに通知された時間が経過してからでもよい。また、トリガ信号ともに、パルス負荷への電力供給の開始と終了の時刻が、例えばトリガ信号の発生時刻からの経過時間として与えられて、過電圧発生抑制部が出力電圧制御部に入力される電圧偏差を制御する時間範囲を決めるようにしてもよい。過電圧発生抑制部が出力電圧制御部に入力される電圧偏差を制御する時間範囲は、トリガ信号が発生した後の決められた時間範囲であれば、どのように決められた時間範囲でもよい。

以上、この発明の実施の形態１について説明したが、この発明は、この実施の形態に限定されるものではなく、この実施の形態に適宜変更が加えられたものも含む。

１００電源装置、
１０１電源入力部、
１０２電源回路、
１０３電源出力部、
１０４制御部、
１０５スイッチング素子、
１０６フリーホイールダイオード、
１０７チョークコイル、
１０８コンデンサ、
１０９出力電圧計測器、
１１０情報取得部、
１１１上限周波数決定部、
１１２リップル電圧検出部、
１１３スイッチング周波数制御部
１１４電圧偏差検出部
１１５出力電圧制御部
１１６スイッチング素子制御部、
１１７異常検出部
１１８過電圧発生抑制部
１３０温度センサ、
１５０トリガ信号出力部。

Claims

直流電源が接続される一対の入力端子と、
前記入力端子の一方に一端が接続され、可変のスイッチング周波数で入り切りされるスイッチング素子と、
前記スイッチング素子の他端に接続されたインダクタンスと、
前記スイッチング素子と前記インダクタンスの接続点と前記入力端子のもう一方の端子との間に設けられ、前記接続点へ向かう方向にだけ電流を流すダイオードと、
前記インダクタンスの他端と前記入力端子のもう一方の端子の間に接続されたコンデンサと、
前記コンデンサの両端に設けられた一対の出力端子と、
前記コンデンサの両端の間の出力電圧を計測する出力電圧計測器と、
前記出力電圧に重畳されるリップル電圧を検出するリップル電圧検出部と、
前記コンデンサの温度を推測できる箇所で計測された計測温度が入力されて前記計測温度に基づき前記スイッチング周波数の上限である上限周波数を決める上限周波数決定部と、
前記リップル電圧が決められた上限値であるリップル電圧上限値以下になるように前記上限周波数以下の範囲で前記スイッチング周波数を決めるスイッチング周波数制御部と、
前記スイッチング周波数で入り切りするように前記スイッチング素子を制御するスイッチング素子制御部とを備えた電源装置。
前記スイッチング周波数が前記上限周波数以上である状態が決められた長さの時間以上に継続した場合に、異常を検出する異常検出部をさらに備えた請求項１に記載の電源装置。
前記スイッチング周波数制御部が、前記スイッチング周波数が前記上限周波数よりも小さく、かつ前記リップル電圧が前記リップル電圧上限値よりも大きい場合に前記スイッチング周波数を高くすることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電源装置。
前記スイッチング周波数制御部が、前記スイッチング周波数の下限である通常周波数よりも大きく、かつ前記リップル電圧が前記リップル電圧上限値よりも小さいリップル電圧下限値よりも小さい場合に前記スイッチング周波数を低くすることを特徴とする請求項１から請求項３までの何れか１項に記載の電源装置。
決められた目標電圧と前記出力電圧の差である電圧偏差を検出する電圧偏差検出部と、
前記電圧偏差が入力されて前記出力電圧が前記目標電圧に近づくように制御する出力電圧制御部と、
当該電源回路の出力電流が減少するタイミングよりも決められた時間だけ前に発生するトリガ信号が入力されると、その後の決められた時間範囲において、前記電圧偏差がゼロ以上に決められた電圧偏差指定値であるとして前記出力電圧制御部を動作させる過電圧発生抑制部とをさらに備えた請求項１から請求項４までの何れか１項に記載の電源装置。