JP2015228715A - 制御装置、ｄｃ−ｄｃコンバータ、スイッチング電源装置及び情報処理装置 - Google Patents

制御装置、ｄｃ−ｄｃコンバータ、スイッチング電源装置及び情報処理装置 Download PDF

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Abstract

【課題】コンバータ回路の効率を向上させることができる、制御装置、ＤＣ−ＤＣコンバータ、スイッチング電源装置及び情報処理装置の提供。【解決手段】入力電力をスイッチング素子３３の駆動により降圧するコンバータ回路３０の出力電圧が目標値に一致するように、前記スイッチング素子を駆動させる駆動信号を生成する生成部と、前記コンバータ回路の出力電流が小さくなるほど前記出力電圧が前記駆動信号により前記出力電圧の上限値に近づくように、前記目標値を変更する変更部２３とを備える、制御装置、ＤＣ−ＤＣコンバータ、スイッチング電源装置及び情報処理装置。【選択図】図２

Description

本発明は、制御装置、ＤＣ−ＤＣコンバータ、スイッチング電源装置及び情報処理装置に関する。
従来、出力電圧の目標値が所定の電圧範囲内のある値、典型的には電圧範囲内の中央値に固定される、スイッチング電源装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００８−１１３５４２号公報
入力電力をスイッチング素子の駆動により降圧するコンバータ回路の効率は、コンバータ回路の出力電圧が高く設定されるほど向上する。なぜならば、出力電力が同じであれば、出力電圧が高くなるほど出力電流は低くなるため、スイッチング素子等における損失が減るからである。
しかしながら、出力電圧の目標値が所定の電圧範囲内のある値、典型的には電圧範囲内の中央値に固定される上述の従来技術では、出力電圧をその値よりも高く制御できないため、コンバータ回路の効率を向上させる余地がある。
そこで、コンバータ回路の効率を向上させることができる、制御装置、ＤＣ−ＤＣコンバータ、スイッチング電源装置及び情報処理装置の提供を目的とする。
一つの案では、
入力電力をスイッチング素子の駆動により降圧するコンバータ回路の出力電圧が目標値に一致するように、前記スイッチング素子を駆動させる駆動信号を生成する生成部と、
前記コンバータ回路の出力電流が小さくなるほど前記出力電圧が前記駆動信号により前記出力電圧の上限値に近づくように、前記目標値を変更する変更部とを備える、制御装置が提供される。
一態様によれば、コンバータ回路の効率を向上させることができる。
情報処理装置の一例を示す構成図 ＤＣ−ＤＣコンバータの一例を示す構成図 負荷電流と出力電圧の目標値との関係の一例を示す図 負荷電流の急変時における出力電圧の挙動の一例を示す図 出力電圧の目標値の設定方法の一例を示すフローチャート 出力電圧の目標値の設定方法の一例を示すフローチャート 出力電圧の目標値を負荷電流の区間毎に割り当てる方法の一例を説明するための図 負荷電流と出力電圧の目標値との関係の一例を示す図 出力電圧の目標値を負荷電流の区間毎に割り当てる方法の一例を説明するための図 出力電圧の目標値の設定方法の一例を示すフローチャート 直列に接続された２つのＤＣ−ＤＣコンバータの一例を示す構成図 直列に接続された２つのＤＣ−ＤＣコンバータの一例を示す構成図
図１は、サーバ２の一例を示す構成図である。サーバ２は、情報を処理する情報処理装置の一例であり、クライアントからの要求に応じたサービスを提供する情報処理を行う。サーバ２は、所定の交流電圧（例えば、ＡＣ１００〜２４０Ｖ）の交流電力が外部電源１から供給される。サーバ２は、負荷７と、スイッチング電源装置３とを備える。
負荷７は、スイッチング電源装置３のＤＣ−ＤＣコンバータ６から出力される直流の出力電圧（例えば、ＤＣ１２Ｖ）が供給される負荷の一例であり、例えば、サーバ２が行う情報処理に使用される電子デバイスである。負荷７の数は、一つでも複数でもよい。図１には、負荷７の具体例として、ＣＰＵ（Central Processing Unit）及びメモリを備えるメインボード８、ハードディスク９、ＣＤ−ＲＯＭドライブ１０、ＬＳＩ（Large Scale Integrated circuit：大規模集積回路）１１などが示されている。
スイッチング電源装置３は、負荷７に供給される直流の出力電圧を生成するスイッチング電源装置の一例であり、例えば、外部電源１から供給される交流電力を電力変換することによって直流の出力電圧を生成する。スイッチング電源装置３は、ＡＣ−ＤＣコンバータ１２と、ＤＣ−ＤＣコンバータ６とを備えている。
ＡＣ−ＤＣコンバータ１２は、交流電力を変換して直流電力を出力するＡＣ−ＤＣコンバータの一例であり、例えば、外部電源１から入力される交流電力を電力変換して直流電力をＤＣ−ＤＣコンバータ６に対して出力する。ＡＣ−ＤＣコンバータ１２は、例えば、整流器４と、力率改善回路５とを備えている。
整流器４は、外部電源１から入力される交流電力を整流する整流回路である。力率改善回路５は、力率を改善又は高調波を低減する回路の一例であり、整流器４の出力が入力されてＤＣ−ＤＣコンバータ６に供給される直流電力を出力する。
ＤＣ−ＤＣコンバータ６は、直流電力を降圧して降圧後の直流電力を出力するＤＣ−ＤＣコンバータの一例であり、例えば、ＡＣ−ＤＣコンバータ１２から入力される直流電力を降圧変換して降圧後の直流電力を負荷７に対して出力する。ＤＣ−ＤＣコンバータ６から出力される降圧後の出力電圧（ＤＣ−ＤＣコンバータ６の出力電圧）は、負荷７に印加される。ＤＣ−ＤＣコンバータ６から出力される降圧後の出力電流（ＤＣ−ＤＣコンバータ６の出力電流）は、負荷７に流れる電流（以下、「負荷電流Ｉ」ともいう）である。
図２は、ＤＣ−ＤＣコンバータ６の一例を示す構成図である。ＤＣ−ＤＣコンバータ６は、コンバータ回路３０と、制御装置２０とを備えている。
コンバータ回路３０は、ＡＣ−ＤＣコンバータ１２から入力される直流の入力電力を降圧して降圧後の直流電力を負荷７に対して出力するコンバータ回路の一例である。コンバータ回路３０は、例えば、トランジスタ３３と、ゲートドライバ３４と、チョークコイル３６と、ダイオード３５と、出力キャパシタ３７と、電圧検出器３１と、電流検出器３２とを備えるバックコンバータである。
トランジスタ３３は、ＡＣ−ＤＣコンバータ１２からの入力電力が入力されるスイッチング素子の一例である。トランジスタ３３は、例えば、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）、バイポーラトランジスタなどの半導体スイッチである。図２には、Ｎチャネル型のＭＯＳＦＥＴが示されている。
ゲートドライバ３４は、制御装置２０から供給される駆動信号（以下、「駆動信号Ｓｇ」ともいう）に従って、トランジスタ３３をオンオフ駆動する回路である。駆動信号Ｓｇは、例えば、デューティ比が変化するパルス幅変調信号である。
チョークコイル３６は、トランジスタ３３のオンオフ駆動によって電流が流れるインダクタの一例である。チョークコイル３６は、トランジスタ３３の出力電極（図示の場合、ソース電極）にノード３９で接続される入力端と、出力キャパシタ３７の一端にノード４０で接続される出力端とを有している。
ダイオード３５は、トランジスタ３３のオフ時にチョークコイル３６に流れる還流電流を流すための整流素子である。ダイオード３５は、グランドに接続されるアノードと、トランジスタ３３の出力電極とチョークコイル３６の入力端とにノード３９で接続されるカソードとを有している。ダイオード３５は、同期整流用のスイッチング素子に置換されてもよい。
出力キャパシタ３７は、トランジスタ３３がパルス幅変調制御によりオンオフすることによってチョークコイル３６の出力端から出力される出力電圧（すなわち、コンバータ回路３０の出力電圧Ｖ）を平滑化するキャパシタの一例である。出力キャパシタ３７は、チョークコイル３６の出力端に接続される一端と、グランドに接続される他端とを有している。寄生抵抗３８は、出力キャパシタ３７の直列等価抵抗である。
電圧検出器３１は、コンバータ回路３０の出力電圧Ｖ（すなわち、ＤＣ−ＤＣコンバータ６の出力電圧）を検出する手段の一例であり、出力電圧Ｖの電圧値に応じた検出電圧を出力する電圧検出部である。電圧検出器３１の具体例として、出力電圧Ｖを抵抗で分圧することにより得られる分圧電圧を出力する抵抗分圧回路などが挙げられる。
電流検出器３２は、チョークコイル３６の出力端から負荷７に流れる負荷電流Ｉ（すなわち、コンバータ回路３０の出力電流）を検出する手段の一例であり、負荷電流Ｉの電流値に応じた検出電圧を出力する電流検出部である。電流検出器３２の具体例として、チョークコイル３６の出力端と負荷７との間に直列に挿入接続される抵抗などが挙げられる。
制御装置２０は、コンバータ回路３０の出力電圧Ｖが目標値に一致するようにコンバータ回路３０の降圧動作を制御する制御装置の一例であり、例えば、ＡＤ（Analog-to-Digital）変換部２１，２２と、駆動制御部２７と、目標値変更部２３とを備えている。ＡＤ変換部２１，２２、駆動制御部２７及び目標値変更部２３の各動作を行うための処理は、例えば、ソフトウェアとマイクロコンピュータとが協働することによって実現されてもよい。
ＡＤ変換部２１は、電圧検出器３１から出力されるアナログの検出電圧をデジタルの出力電圧値ｖｏに変換して、駆動制御部２７及び目標値変更部２３に対して出力する手段の一例である。出力電圧値ｖｏは、コンバータ回路３０の出力電圧Ｖの電圧値に等価的に対応する値である。ＡＤ変換部２２は、電流検出器３２から出力されるアナログの検出電圧をデジタルの負荷電流値ｉｏに変換して、目標値変更部２３に対して出力する手段の一例である。負荷電流値ｉｏは、負荷電流Ｉの電流値に等価的に対応する値である。
なお、ＡＤ変換部２１，２２は、アンチエイリアシングフィルタを備えてもよい。また、駆動制御部２７及び目標値変更部２３がアナログ回路である場合、ＡＤ変換部２１，２２とは別の取得手段が、電圧検出器３１と電流検出器３２の検出電圧を取得してもよい。
駆動制御部２７は、入力電力をトランジスタ３３の駆動により降圧するコンバータ回路３０の出力電圧Ｖが目標値に一致するように、トランジスタ３３を駆動させる駆動信号Ｓｇを生成する生成部の一例である。駆動制御部２７は、例えば、出力電圧値ｖｏが出力電圧目標値ｖｒｅｆに一致するように、トランジスタ３３を駆動させる駆動信号Ｓｇを生成するとよい。出力電圧目標値ｖｒｅｆは、目標値変更部２３によって設定される。
また、駆動制御部２７は、例えば、予め決められた大きさ（最大変化量ΔＩｍａｘで表す）で負荷電流Ｉが急減又は急増しても、出力電圧Ｖが所定の基準電圧範囲に収まるように、トランジスタ３３を駆動させる駆動信号Ｓｇを生成する。例えば、駆動制御部２７は、負荷電流Ｉが最大変化量ΔＩｍａｘで急減又は急増しても、出力電圧Ｖが下限値Ｖｍｉｎ以上かつ上限値Ｖｍａｘ以下の基準電圧範囲に収まるように、トランジスタ３３を駆動させる駆動信号Ｓｇを生成する。
例えば、負荷電流Ｉの急減は、サーバ２の計算が終了するタイミングで生じ、負荷電流Ｉの急増は、サーバ２の計算が開始するタイミングで生ずる。
駆動制御部２７は、例えば、減算部２４と、比較値演算部２５と、変調部２６とを有している。
減算部２４は、出力電圧目標値ｖｒｅｆから出力電圧値ｖｏを減算して得られる誤差（ｖｒｅｆ−ｖｏ）を演算する手段の一例である。比較値演算部２５は、減算部２４により得られた誤差に基づいて、変調部２６に入力する比較値を演算する手段の一例であり、例えば、ＰＩ制御（比例及び積分制御）によって、誤差（ｖｒｅｆ−ｖｏ）に応じた比較値を演算する。変調部２６は、キャリア信号と比較値演算部２５により演算された比較値とに基づいて、トランジスタ３３をオンオフ駆動させるパルス幅変調（ＰＷＭ）の駆動信号Ｓｇを生成する手段の一例である。
目標値変更部２３は、負荷電流Ｉが小さくなるほど出力電圧Ｖが駆動制御部２７により生成される駆動信号Ｓｇにより出力電圧Ｖの上限値Ｖｍａｘに近づくように、出力電圧Ｖの目標値を変更する変更部の一例である。目標値変更部２３は、例えば、負荷電流値ｉｏが小さくなるほど出力電圧Ｖが駆動信号Ｓｇにより上限値Ｖｍａｘに近づくように、出力電圧目標値ｖｒｅｆを変更するとよい。
図３は、負荷電流値ｉｏと出力電圧目標値ｖｒｅｆとの関係の一例を示す図である。出力電圧目標値ｖｒｅｆと負荷電流値ｉｏは、説明の便宜上、それぞれ、ＤＡ変換したアナログ値で示されている。目標値変更部２３は、所定の基準電圧範囲Ｘ内で出力電圧目標値ｖｒｅｆを設定する。基準電圧範囲Ｘは、例えば、上限値Ｖｍａｘと下限値Ｖｍｉｎとに挟まれる範囲であり、中央値Ｖｍｅｄは、上限値Ｖｍａｘと下限値Ｖｍｉｎとの間の中央の電圧値である。目標値変更部２３が基準電圧範囲Ｘ内で出力電圧目標値ｖｒｅｆを設定することにより、駆動制御部２７は、コンバータ回路３０の出力電圧Ｖが基準電圧範囲Ｘを逸脱しないようにコンバータ回路３０の出力電圧Ｖを制御できる。
また、コンバータ回路３０の効率は、コンバータ回路３０に入力される入力電力に対するコンバータ回路３０から出力される出力電力の比（出力電力／入力電力）で表すことができる。入力電力をトランジスタ３３の駆動により降圧するコンバータ回路３０の効率は、コンバータ回路３０の出力電圧が高くなるほど向上する。なぜならば、出力電力が同じであれば、出力電圧が高くなるほど出力電流は低くなるため、トランジスタ３３等における損失が減るからである。
そこで、図３に示されるように、目標値変更部２３は、負荷電流値ｉｏが小さくなるほどコンバータ回路３０の出力電圧Ｖが駆動制御部２７によって生成される駆動信号Ｓｇにより上限値Ｖｍａｘに近づくように、出力電圧目標値ｖｒｅｆを変更する。これにより、コンバータ回路３０の出力電圧Ｖを上限値Ｖｍａｘを超えない範囲でなるべく高く制御できるため、コンバータ回路３０の効率を向上させることができる。例えば、目標値変更部２３は、負荷電流値ｉｏが小さくなるほど出力電圧目標値ｖｒｅｆを上限値Ｖｍａｘに近づけるように中央値Ｖｍｅｄよりも大きな電圧値で増加させてもよい。
出力電圧目標値ｖｒｅｆを上限値Ｖｍａｘに近づけることにより、出力電圧Ｖが上限値Ｖｍａｘに近づくため、コンバータ回路３０の効率を向上させることができる。また、出力電圧目標値ｖｒｅｆを中央値Ｖｍｅｄよりも大きな電圧値にすることにより、出力電圧Ｖも中央値Ｖｍｅｄよりも大きな電圧値になるので、コンバータ回路３０の効率を向上させることができる。
また、負荷電流が急減少するとコンバータ回路３０の出力電圧Ｖは一時的に高くなる。そのため、図４に示されるように、出力電圧目標値ｖｒｅｆを高く設定しすぎてコンバータ回路３０の出力電圧Ｖが高くなりすぎると、出力電圧Ｖが負荷電流Ｉの急減時に上限値Ｖｍａｘを超える可能性がある。
そこで、目標値変更部２３は、負荷電流値ｉｏが所定の減少率以上で減少する時にコンバータ回路３０の出力電圧Ｖが上限値Ｖｍａｘを超えないように、出力電圧目標値ｖｒｅｆを変更してもよい。これにより、目標値変更部２３は、図３のように、負荷電流値ｉｏが小さくなるほどコンバータ回路３０の出力電圧Ｖが上限値Ｖｍａｘに近づくように出力電圧目標値ｖｒｅｆを変更しても、コンバータ回路３０の出力電圧Ｖが負荷電流Ｉの急減時に上限値Ｖｍａｘを超えることを抑制できる。つまり、コンバータ回路３０の出力電圧Ｖを上限値Ｖｍａｘに近づけることによってコンバータ回路３０の効率を向上させることと、コンバータ回路３０の出力電圧Ｖを負荷電流Ｉの急減時に上限値Ｖｍａｘ以下に収めることとの両立が可能となる。
例えば、目標値変更部２３は、負荷電流値ｉｏが所定の減少率以上で減少する時に出力電圧Ｖが上限値Ｖｍａｘを超えないように、負荷電流値ｉｏが小さくなるほど出力電圧目標値ｖｒｅｆを上限値Ｖｍａｘに近づけるように増加させてもよい。これにより、コンバータ回路３０の出力電圧Ｖを上限値Ｖｍａｘに近づけても、出力電圧Ｖが負荷電流Ｉの急減時に上限値Ｖｍａｘを超えることを抑制できる。
また、例えば、目標値変更部２３は、上限値Ｖｍａｘからコンバータ回路３０の出力電圧Ｖを引いた差が所定の電圧差以上になるように、出力電圧目標値ｖｒｅｆを変更してもよい。これにより、出力電圧Ｖを上限値Ｖｍａｘに近づけても、出力電圧Ｖが負荷電流Ｉの急減時に上限値Ｖｍａｘを超えることを抑制できる。例えば図３の場合、目標値変更部２３は、上限値Ｖｍａｘから出力電圧Ｖを引いた差が少なくとも電圧差Ｂ以上になるように、出力電圧目標値ｖｒｅｆを負荷電流値ｉｏに応じて変更する。Ｂは、Ｖｍａｘ−Ｖｍｅｄより小さな正の定数である。
また、負荷電流Ｉは非負の直流電流であるため、負荷電流Ｉの急変時の変化量ΔＩが最大でどれだけの値になるのかは、負荷電流Ｉの急変時の起点電流値によって異なる。例えば、負荷電流Ｉの急変時の最大変化量ΔＩｍａｘが負荷７又はＤＣ−ＤＣコンバータ６の仕様によって予め決められている場合、負荷電流Ｉの急変時の起点電流値が最大変化量ΔＩｍａｘよりも小さければ、負荷電流Ｉの急変時の変化量ΔＩは最大でもその起点電流値である。一方、負荷電流Ｉの急変時の起点電流値が最大変化量ΔＩｍａｘよりも大きければ、その起点電流値の大きさにかかわらず、負荷電流Ｉの急変時の変化量ΔＩは最大で最大変化量ΔＩｍａｘになる。
負荷電流Ｉが急変する時の出力電圧Ｖの変化量ΔＶは、負荷電流Ｉの急変時の変化量ΔＩが大きくなるほど大きくなる。したがって、負荷電流Ｉが最大変化量ΔＩｍａｘよりも大きい場合、負荷電流Ｉが急変する時の出力電圧Ｖの変化量ΔＶも、負荷電流Ｉの大きさにかかわらず、ある上限値に制限される。
そこで、目標値変更部２３は、例えば、負荷電流Ｉが所定の電流閾値Ｉｔｈを超えているとき、負荷電流Ｉが小さくなるほど出力電圧Ｖが駆動信号Ｓｇにより上限値Ｖｍａｘに近づかないように、出力電圧目標値ｖｒｅｆを設定してもよい。例えば、目標値変更部２３は、負荷電流値ｉｏが電流閾値Ｉｔｈを超えているとき、図３に示されるように、出力電圧目標値ｖｒｅｆを一定値（例えば、中央値Ｖｍｅｄよりも大きな値）に固定してもよい。電流閾値Ｉｔｈは、例えば、最大変化量ΔＩｍａｘに設定される。
また、目標値変更部２３は、例えば、負荷電流Ｉ又は出力電圧Ｖが所定の変化率以上で変化している期間では、出力電圧目標値ｖｒｅｆを変更しなくてもよい。これにより、出力電圧目標値ｖｒｅｆの変更が出力電圧Ｖの制御精度に与える影響を低減できる。
例えば、目標値変更部２３は、負荷電流Ｉの過去の検出値と現在の検出値との差分の絶対値に基づいて、出力電圧目標値ｖｒｅｆを変更するか否かを判定する。同様に、目標値変更部２３は、出力電圧Ｖの過去の検出値と現在の検出値との差分の絶対値に基づいて、出力電圧目標値ｖｒｅｆを変更するか否かを判定する。目標値変更部２３は、負荷電流Ｉと出力電圧Ｖの少なくとも一方について、その差分の絶対値が所定の閾値未満の場合、出力電圧目標値ｖｒｅｆを更新し、その差分の絶対値が所定の閾値以上の場合、出力電圧目標値ｖｒｅｆを更新せずに、過去の出力電圧目標値ｖｒｅｆを継続使用する。
また、目標値変更部２３は、負荷電流Ｉの急減時の出力電圧Ｖの変動の見積もりに基づいて決定される電圧値に、出力電圧目標値ｖｒｅｆを変更してもよい。出力電圧目標値ｖｒｅｆがこのような見積もりに基づいて変更されることで、負荷電流Ｉが急減しても、駆動制御部２７は、出力電圧Ｖが上限値Ｖｍａｘに近づくように出力電圧目標値ｖｒｅｆを精度よく制御でき、コンバータ回路３０の効率をアップできる。
目標値変更部２３は、負荷電流Ｉの急減時の出力電圧Ｖの変化量ΔＶを、例えば、式１に従って推定する。
Figure 2015228715
式１は、降圧を行うＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、負荷電流がステップ状に変化したときの負荷電流の変化量ΔＩと、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧の変化量ΔＶとの関係式である。なお、図３のフィードバック構成において、出力キャパシタ３７の容量Ｃ、寄生抵抗３８の抵抗値ｒＣ、ゲイン交差周波数ｆｃ及び位相余裕φは、既知である。ゲイン交差周波数ｆｃ及び位相余裕φは、例えば、ゲインフェーズアナライザによって測定可能な値である。
負荷電流Ｉがステップ状に変化する時が負荷電流Ｉが最も急峻に変化する時であるので、式１に従って変化量ΔＶを見積もることで、負荷電流Ｉが他の急減少の仕方で変化しても、出力電圧Ｖが上限値Ｖｍａｘを超えることを防止できる。
負荷電流Ｉは非負の直流電流であるため、負荷電流Ｉの急変時の変化量ΔＩが最大でどれだけの値になるのかは、負荷電流Ｉの急変時の起点電流値によって異なる。例えば、負荷電流Ｉがとり得る最大値Ｉｍａｘが２０８Ａ、最大変化量ΔＩｍａｘが１０４Ａである場合、負荷電流Ｉが２０８Ａを起点に急減少するときは、変化量ΔＩは最大１０４Ａ（＝２０８−１０４）になる。一方、負荷電流Ｉが５０Ａを起点に急減少するときは、変化量ΔＩは最大でも５０Ａである。よって、目標値変更部２３は、負荷電流Ｉの急変時の起点電流値の大きさに応じて、負荷電流Ｉの急減時の変化量ΔＶの見積もり方法を変更する。
Figure 2015228715
例えば、目標値変更部２３は、負荷電流Ｉが最大変化量ΔＩｍａｘ以上である場合、式２に従って算出される値に出力電圧目標値ｖｒｅｆを設定する。一方、目標値変更部２３は、負荷電流Ｉが最大変化量ΔＩｍａｘ未満である場合、式３に従って算出される値に出力電圧目標値ｖｒｅｆを設定する。出力電圧Ｖの実際の変化量ΔＶが見積もり値に完全に一致するとは限らないため、式２，３には、マージンＢが含まれている。図３は、Ｖｍｉｎ＝１１．４、Ｖｍｅｄ＝１２、Ｖｍａｘ＝１２．６、ΔＩｍａｘ＝１０４、Ｉｍａｘ＝２０８、Ｃ＝１０８００μＦ，ｒＣ＝１．８ｍΩ、ｆｃ＝５ｋＨｚ、φ＝４５°、Ｂ＝５０ｍＶである場合を示している。
図５は、ΔＩｍａｘ＜Ｉｍａｘである場合の、出力電圧目標値ｖｒｅｆを設定する方法の一例を示すフローチャートである。定数及び変数は、それぞれ、以下の通りである。
Figure 2015228715
ステップＳ１１で、目標値変更部２３は、現在の負荷電流値ｉｏと現在の出力電圧値ｖｏとを取得する。
ステップＳ１２で、目標値変更部２３は、負荷電流値ｉｏの今回値と前回値との差の絶対値を算出する。ステップＳ１３で、目標値変更部２３は、所定の一定時間Ｔｉで取得された値に基づいて算出された絶対値が閾値Ｌｉ以下であるか否かを判定する。
目標値変更部２３は、絶対値が閾値Ｌｉよりも大きい場合、負荷電流値ｉｏの急変中に出力電圧目標値ｖｒｅｆが変更されることを防止するため、ステップＳ１４で、出力電圧目標値ｖｒｅｆの今回値を前回値に設定する。つまり、目標値変更部２３は、出力電圧目標値ｖｒｅｆを前時刻と同じ値に設定する。一方、目標値変更部２３は、絶対値が閾値Ｌｉ以下である場合、負荷電流値ｉｏは急変していないと判定する。
ステップＳ１５で、目標値変更部２３は、出力電圧値ｖｏの今回値と前回値との差の絶対値を算出する。ステップＳ１６で、目標値変更部２３は、所定の一定時間Ｔｖで取得された値に基づいて算出された絶対値が閾値Ｌｖ以下であるか否かを判定する。
目標値変更部２３は、絶対値が閾値Ｌｖよりも大きい場合、出力電圧値ｖｏの急変中に出力電圧目標値ｖｒｅｆが変更されることを防止するため、ステップＳ１４で、出力電圧目標値ｖｒｅｆの今回値を前回値に設定する。つまり、目標値変更部２３は、出力電圧目標値ｖｒｅｆを前時刻と同じ値に設定する。一方、目標値変更部２３は、絶対値が閾値Ｌｖ以下である場合、出力電圧値ｖｏは急変していないと判定する。
目標値変更部２３は、ステップＳ１２で算出された絶対値が閾値Ｌｉ以下であり且つステップＳ１５で算出された絶対値が閾値Ｌｖ以下である場合、ステップＳ１７の処理を実行する。
ステップＳ１７で、目標値変更部２３は、負荷電流値ｉｏがΔＩｍａｘよりも大きいか否かを判定する。
目標値変更部２３は、負荷電流値ｉｏがΔＩｍａｘ以上である場合、ステップＳ１８で、式２に従って予め算出されたＶｒｅｆ，ｍｉｎに出力電圧目標値ｖｒｅｆを変更する。一方、目標値変更部２３は、負荷電流値ｉｏがΔＩｍａｘよりも小さい場合、ステップＳ１９で、式３に従って算出された値に出力電圧目標値ｖｒｅｆを変更する。定数Ａは、上記式に従って予め算出されていると、出力電圧目標値ｖｒｅｆの算出時間を短縮できる。
ステップＳ２０で、目標値変更部２３は、ｖｒｅｆ，ｉｏ，ｖｏの今回値をそれぞれ前回値として書き換えて、ステップＳ１１以降の処理を繰り返す。
図６は、ΔＩｍａｘ＝Ｉｍａｘである場合の、出力電圧目標値ｖｒｅｆを設定する方法の一例を示すフローチャートである。図６では、図５に対して、ステップＳ１７が省略されている。ΔＩｍａｘ＝Ｉｍａｘである場合、ステップＳ１７で示される判定ステップを省略できるため、出力電圧目標値ｖｒｅｆの演算時間を短縮できる。
図７は、負荷電流Ｉの大きさに応じて用意された複数の候補の中から出力電圧目標値ｖｒｅｆを選択する方法の一例を説明するための図である。負荷電流Ｉは、その大きさに応じて複数（図７の場合、Ｍ個）の区間Ｐｍに予め分割され、出力電圧目標値ｖｒｅｆの候補Ｖｍが分割された区間毎に一つずつ予め割り当てられている（ｍ＝１，・・・，Ｍ）。例えば、Ｖｍ≧Ｖｍｅｄに設定されるとよく、ＶＭ≦ＶＭ−１≦・・・≦Ｖ２≦Ｖ１に設定されるとよい。目標値変更部２３は、例えば、負荷電流値ｉｏの大きさに応じて予め用意された複数の候補Ｖｍの中から出力電圧目標値ｖｒｅｆを選択することで、負荷電流Ｉの小変化に対して出力電圧目標値ｖｒｅｆが常に変化し続けることを防止でき、出力電圧Ｖの制御精度に与える影響を低減できる。
Figure 2015228715
複数の候補Ｖｍは、式４又は式５に従って予め算出されて、制御装置２０に備えられたメモリに予め格納されているとよい。式４，５は、負荷電流Ｉがステップ状に急変する時の出力電圧Ｖの変化量ΔＶの見積もりに基づいて候補Ｖｍを算出する式である。目標値変更部２３は、図８に示されるように、取得された負荷電流値ｉｏの大きさに対応する候補Ｖｍをメモリから読み出し、その読み出された候補Ｖｍを出力電圧目標値ｖｒｅｆに設定する。図８は、Ｖｍｉｎ＝１１．４、Ｖｍｅｄ＝１２、Ｖｍａｘ＝１２．６、ΔＩｍａｘ＝１０４、Ｉｍａｘ＝２０８、Ｃ＝１０８００μＦ，ｒＣ＝１．８ｍΩ、ｆｃ＝５ｋＨｚ、φ＝４５°、Ｂ＝５０ｍＶ、Ｉｍａｘ＝Ｉ４＝２０８，Ｉ３＝１０４，Ｉ２＝６０，Ｉ１＝３０，Ｉ０＝０である場合を示している。
図９は、負荷電流Ｉの大きさに応じて用意された複数の候補の中ら出力電圧目標値ｖｒｅｆを選択する方法の一例を説明するための図である。負荷電流Ｉは、その大きさに応じて複数（図９の場合、Ｍ個）の区間￣Ｐｍに予め分割され、出力電圧目標値ｖｒｅｆの候補Ｖｍが分割された区間毎に一つずつ予め割り当てられている（ｍ＝１，・・・，Ｍ）。なお、「￣Ｐｍ」における「￣」は、「Ｐｍ」のオーバーラインを表す。負荷電流ＩのＭ個の区間￣Ｐｍのそれぞれの下限値は、負荷電流Ｉの最小値Ｉ０に全て等しく、各区間￣Ｐｍの範囲は、ｍの値が大きくなるほど広くなる。
図１０は、出力電圧目標値ｖｒｅｆを設定する方法の一例を示すフローチャートである。ステップＳ１１〜ステップＳ１６の説明は、上述のフローチャートと同様のため、省略する。定数及び変数は、それぞれ、以下の通りである。
Figure 2015228715
現在の負荷電流値ｉｏが含まれる区間Ｐｍのｍの値をμとする場合、ステップＳ２１，Ｓ２６で、目標値変更部２３は、μを演算する。ステップＳ２２で、目標値変更部２３は、μがμ−１（μの前回値）以下であるか否かを判定することによって、負荷電流Ｉが上昇したか低下したかを検出し、μがμ−１よりも大きい場合、負荷電流Ｉが上昇したと判定し、μがμ−１よりも小さい場合、負荷電流Ｉが低下したと判定する。
目標値変更部２３は、μがμ−１よりも大きい場合、ステップＳ２５で、式４又は式５に従って算出された候補Ｖμ（すなわち、ｍ＝μのときのＶｍ）に出力電圧目標値ｖｒｅｆを変更する。
一方、目標値変更部２３は、μがμ−１以下である場合、ステップＳ２３で、￣μを演算する。「￣μ」における「￣」は、「μ」のオーバーラインを表す。￣μは、今回からＮ回前までの（Ｎ＋１）個の負荷電流値ｉｏが含まれる区間￣Ｐｍのうち、最も狭い区間のｍの値である。目標値変更部２３は、μがμ−１以下である場合、ステップＳ２４で、式４又は式５に従って算出された候補Ｖ￣μ（すなわち、ｍ＝￣μのときのＶｍ）に出力電圧目標値ｖｒｅｆを変更する。
つまり、目標値変更部２３は、ステップＳ２２，Ｓ２５の処理を行うことによって、負荷電流Ｉの上昇が検出された場合、出力電圧目標値ｖｒｅｆを速やかに減少させることができる。一方、目標値変更部２３は、ステップＳ２２，Ｓ２３，Ｓ２４の処理を行うことによって、負荷電流Ｉの低下が検出された場合、所定電流値以下の負荷電流Ｉの低下状態が一定時間以上継続してから出力電圧目標値ｖｒｅｆを増加させることができる。すなわち、負荷電流Ｉの低下が検出されても、出力電圧目標値ｖｒｅｆを増加させにくくすることができる。したがって、負荷電流Ｉの値が比較的大きいときは、出力電圧目標値ｖｒｅｆが高く設定され続けることを防止できる。
ステップＳ２７で、目標値変更部２３は、出力電圧目標値ｖｒｅｆ，今回から（Ｎ−１）回前までのＮ個の負荷電流値ｉｏ，出力電圧値ｖｏ及びμを、それぞれ前回値として書き換えて、ステップＳ１１以降の処理を繰り返す。
したがって、負荷電流Ｉの急変時の変化量ΔＶの見積もりに基づいて出力電圧目標値ｖｒｅｆを変更することで、負荷電流Ｉの急減時にも出力電圧Ｖが上限値Ｖｍａｘを超過しない範囲内で出力電圧Ｖをなるべく高い値に制御できる。
また、負荷電流Ｉの大きさに応じて用意された複数の候補Ｖｍの中から出力電圧目標値ｖｒｅｆが選択されることにより、出力電圧目標値ｖｒｅｆが負荷電流Ｉの変化によって常に変化し続けることを回避できる。
また、負荷電流Ｉ又は出力電圧Ｖが所定の変化率以上で変化している期間、出力電圧目標値ｖｒｅｆは変更されないため、負荷電流Ｉ又は出力電圧Ｖの急変時の出力電圧目標値ｖｒｅｆの変化を回避できる。また、出力電圧Ｖの制御に出力電圧目標値ｖｒｅｆの変化が悪影響を与えることを抑制できる。
また、負荷電流Ｉの上昇が検出された場合、出力電圧目標値ｖｒｅｆは減少させられ、負荷電流Ｉの低下が検出された場合、負荷電流Ｉの低下状態が一定時間以上継続してから出力電圧目標値ｖｒｅｆは増加させられる。したがって、出力電圧Ｖが上限値Ｖｍａｘを超過しにくくなる方向に出力電圧目標値ｖｒｅｆを変更することが可能となる。
したがって、本実施形態によれば、出力電圧Ｖをなるべく高く設定することと、負荷電流Ｉが急減少しても出力電圧Ｖを所定範囲内に収めることとを両立でき、コンバータ回路３０の高効率化を達成できる。
また、コンバータ回路３０の効率が向上することによって、サーバ２全体の効率も向上できる。例えば、図１１のように、サーバ２が、コンバータ６１と、コンバータ６１に直列に接続されたコンバータ６２とを備えている場合を考える。コンバータ６１，６２は、いずれも、入力される直流電圧を降圧して直流電力を出力するＤＣ−ＤＣコンバータである。例えば、コンバータ６１は、スイッチング電源装置３の出力部に備えられたＤＣ−ＤＣコンバータ６に対応し、コンバータ６２は、負荷７の入力部に備えられたコンバータに対応する。
図１１において、コンバータ６２の出力電力ｗ４は、
Figure 2015228715
Figure 2015228715
 と算出できる。図１２において、コンバータ６１の出力電圧ｖ２をｖ２ ´に上昇させたとき、コンバータ６１の効率η１がη１ ´に向上し、コンバータ６２の効率η２がη２ ´に低下したとする。このとき、
Figure 2015228715
 である。簡単化のため、「効率の積が変わらない」、すなわち、
Figure 2015228715
 のときを考える。
Figure 2015228715
 であるので、
Figure 2015228715
 となる。具体的に、ｖ２＝１２、ｖ２ ´＝１２．１とすることで、η１＝０．９８、η１ ´＝０．９８１になったとすると、
Figure 2015228715
 となるので、
Figure 2015228715
 である。これは、コンバータ６１の出力電圧ｖ２の上昇によりコンバータ６１の効率η１を向上させる一方で、上昇した出力電圧ｖ２をコンバータ６２によって降圧しても、コンバータ６１とコンバータ６２とを合わせた全体の効率を向上させることが可能であることを示す。
以上、制御装置、ＤＣ−ＤＣコンバータ、スイッチング電源装置及び情報処理装置を実施形態により説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。他の実施形態の一部又は全部との組み合わせや置換などの種々の変形及び改良が、本発明の範囲内で可能である。
以上の実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。
（付記１）
入力電力をスイッチング素子の駆動により降圧するコンバータ回路の出力電圧が目標値に一致するように、前記スイッチング素子を駆動させる駆動信号を生成する生成部と、
前記コンバータ回路の出力電流が小さくなるほど前記出力電圧が前記出力電圧の上限値に近づくように、前記目標値を変更する変更部とを備える、制御装置。
（付記２）
前記変更部は、前記出力電流が小さくなるほど前記目標値を増加させる、付記１に記載の制御装置。
（付記３）
前記変更部は、前記上限値と前記出力電圧の下限値との間の中央値よりも高い電圧値で前記目標値を増加させる、付記１又は２に記載の制御装置。
（付記４）
前記変更部は、前記出力電流の減少時に前記出力電圧が前記上限値を超えないように、前記目標値を変更する、付記１から３のいずれか一つに記載の制御装置。
（付記５）
前記変更部は、前記上限値から前記出力電圧を引いた差が所定の電圧差以上になるように、前記目標値を変更する、付記４に記載の制御装置。
（付記６）
前記変更部は、前記出力電流が所定の電流閾値を超えているとき、前記出力電流が小さくなるほど前記出力電圧が前記駆動信号により前記上限値に近づかないように、前記目標値を設定する、付記４又は５に記載の制御装置。
（付記７）
前記変更部は、前記出力電流が前記所定の電流閾値を超えているとき、前記目標値を一定値に固定する、付記６に記載の制御装置。
（付記８）
前記所定の電流閾値は、前記出力電流の最大変化量である、付記６又は７に記載の制御装置。
（付記９）
前記変更部は、前記出力電流又は前記出力電圧が所定の変化率以上で変化している期間、前記目標値を変更しない、付記１から８のいずれか一つに記載の制御装置。
（付記１０）
前記変更部は、前記出力電流の減少時の前記出力電圧の変動の見積もりに基づいて、前記目標値を変更する、付記１から８のいずれか一つに記載の制御装置。
（付記１１）
前記変更部は、前記出力電流の大きさに応じて用意された複数の候補の中から、前記目標値を選択する、付記１から１０のいずれか一つに記載の制御装置。
（付記１２）
前記変更部は、前記出力電流の上昇が検出された場合、前記目標値を減少させ、前記出力電流の低下が検出された場合、前記出力電流の低下状態が一定時間以上継続してから前記目標値を増加させる、付記１から１１のいずれか一項に記載の制御装置。
（付記１３）
入力電力が入力されるスイッチング素子と、前記スイッチング素子の駆動によって電流が流れるインダクタとを有するコンバータ回路と、
前記入力電力が前記スイッチング素子の駆動により降圧されることにより前記コンバータ回路から出力される出力電圧が目標値に一致するように、前記スイッチング素子を駆動させる駆動信号を生成する生成部と、
前記コンバータ回路の出力電流が小さくなるほど前記出力電圧が前記駆動信号により前記出力電圧の上限値に近づくように、前記目標値を変更する変更部とを備える、ＤＣ−ＤＣコンバータ。
（付記１４）
交流電力を変換して直流電力を出力するＡＣ−ＤＣコンバータと、
前記ＡＣ−ＤＣコンバータから出力される直流電力が入力されるスイッチング素子と、前記スイッチング素子の駆動によって電流が流れるインダクタとを有するコンバータ回路と、
前記直流電力が前記スイッチング素子の駆動により降圧されることにより前記コンバータ回路から出力される出力電圧が目標値に一致するように、前記スイッチング素子を駆動させる駆動信号を生成する生成部と、
前記コンバータ回路の出力電流が小さくなるほど前記出力電圧が前記駆動信号により前記出力電圧の上限値に近づくように、前記目標値を変更する変更部とを備える、スイッチング電源装置。
（付記１５）
入力電力をスイッチング素子の駆動により降圧するコンバータ回路の出力電圧が目標値に一致するように、前記スイッチング素子を駆動させる駆動信号を生成する生成部と、
前記コンバータ回路の出力電流が小さくなるほど前記出力電圧が前記駆動信号により前記出力電圧の上限値に近づくように、前記目標値を変更する変更部と、
前記出力電圧が供給される負荷とを備える、情報処理装置。
（付記１６）
前記負荷は、前記出力電圧を降圧して直流電力を出力するコンバータを含む、付記１５に記載の情報処理装置。
１ 外部電源
２ サーバ
３ スイッチング電源装置
４ 整流器
５ 力率改善回路
６ ＤＣ−ＤＣコンバータ
７ 負荷
１２ ＡＣ−ＤＣコンバータ
２０ 制御装置
２３ 目標値変更部
２７ 駆動制御部
３０ コンバータ回路
３３ トランジスタ
３６ チョークコイル

Claims (14)

  1. 入力電力をスイッチング素子の駆動により降圧するコンバータ回路の出力電圧が目標値に一致するように、前記スイッチング素子を駆動させる駆動信号を生成する生成部と、
    前記コンバータ回路の出力電流が小さくなるほど前記出力電圧が前記駆動信号により前記出力電圧の上限値に近づくように、前記目標値を変更する変更部とを備える、制御装置。
  2. 前記変更部は、前記出力電流が小さくなるほど前記目標値を増加させる、請求項１に記載の制御装置。
  3. 前記変更部は、前記上限値と前記出力電圧の下限値との間の中央値よりも高い電圧値で前記目標値を増加させる、請求項１又は２に記載の制御装置。
  4. 前記変更部は、前記出力電流の減少時に前記出力電圧が前記上限値を超えないように、前記目標値を変更する、請求項１から３のいずれか一項に記載の制御装置。
  5. 前記変更部は、前記上限値から前記出力電圧を引いた差が所定の電圧差以上になるように、前記目標値を変更する、請求項４に記載の制御装置。
  6. 前記変更部は、前記出力電流が所定の電流閾値を超えているとき、前記出力電流が小さくなるほど前記出力電圧が前記駆動信号により前記上限値に近づかないように、前記目標値を設定する、請求項４又は５に記載の制御装置。
  7. 前記変更部は、前記出力電流が前記所定の電流閾値を超えているとき、前記目標値を一定値に固定する、請求項６に記載の制御装置。
  8. 前記変更部は、前記出力電流又は前記出力電圧が所定の変化率以上で変化している期間、前記目標値を変更しない、請求項１から７のいずれか一項に記載の制御装置。
  9. 前記変更部は、前記出力電流の減少時の前記出力電圧の変動の見積もりに基づいて、前記目標値を変更する、請求項１から８のいずれか一項に記載の制御装置。
  10. 前記変更部は、前記出力電流の大きさに応じて用意された複数の候補の中から、前記目標値を選択する、請求項１から９のいずれか一項に記載の制御装置。
  11. 入力電力が入力されるスイッチング素子と、前記スイッチング素子の駆動によって電流が流れるインダクタとを有するコンバータ回路と、
    前記入力電力が前記スイッチング素子の駆動により降圧されることにより前記コンバータ回路から出力される出力電圧が目標値に一致するように、前記スイッチング素子を駆動させる駆動信号を生成する生成部と、
    前記コンバータ回路の出力電流が小さくなるほど前記出力電圧が前記駆動信号により前記出力電圧の上限値に近づくように、前記目標値を変更する変更部とを備える、ＤＣ−ＤＣコンバータ。
  12. 交流電力を変換して直流電力を出力するＡＣ−ＤＣコンバータと、
    前記ＡＣ−ＤＣコンバータから出力される直流電力が入力されるスイッチング素子と、前記スイッチング素子の駆動によって電流が流れるインダクタとを有するコンバータ回路と、
    前記直流電力が前記スイッチング素子の駆動により降圧されることにより前記コンバータ回路から出力される出力電圧が目標値に一致するように、前記スイッチング素子を駆動させる駆動信号を生成する生成部と、
    前記コンバータ回路の出力電流が小さくなるほど前記出力電圧が前記駆動信号により前記出力電圧の上限値に近づくように、前記目標値を変更する変更部とを備える、スイッチング電源装置。
  13. 入力電力をスイッチング素子の駆動により降圧するコンバータ回路の出力電圧が目標値に一致するように、前記スイッチング素子を駆動させる駆動信号を生成する生成部と、
    前記コンバータ回路の出力電流が小さくなるほど前記出力電圧が前記駆動信号により前記出力電圧の上限値に近づくように、前記目標値を変更する変更部と、
    前記出力電圧が供給される負荷とを備える、情報処理装置。
  14. 前記負荷は、前記出力電圧を降圧して直流電力を出力するコンバータを含む、請求項１３に記載の情報処理装置。
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