JP2016019309A - 電源装置、制御装置及びそのプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】追加の回路を設けることなく電解コンデンサの劣化を判定する。【解決手段】入力電圧が印加されるインダクタ２０と、インダクタに流れる電流をオンオフして誘導電圧を発生させるスイッチング素子２１と、誘導電圧に応じた電圧を平滑化して負荷に出力する電解コンデンサ２２と、制御回路１４とを備える。制御回路１４は、スイッチング素子を制御する。制御回路１４は、負荷へ出力する出力電圧を制御する第１の制御信号に、電解コンデンサ２２の劣化を検出する劣化検出信号を重畳した第２の制御信号をスイッチング素子２１に出力する。また、制御回路１４は、第２の制御信号により制御されたスイッチング素子２１のスイッチングにより出力された出力電圧を検出する。そして、検出回路１４は、検出された出力電圧と、第１の制御信号のデューティ比と、検出された出力電圧に含まれる劣化検出信号の周波数成分とに基づいて電解コンデンサ２２の劣化を推定する。【選択図】図４

Description

本発明は、電源装置、制御装置及びそのプログラムに関する。

サーバ等の電子機器には、電源電圧よりも高い電圧、又は電源電圧よりも低い電圧を入力電圧として使用するＩＣや電子部品が搭載されるため、電源電圧を昇圧又は降圧するＤＣ／ＤＣコンバータを有する電源装置が電子機器に搭載される。ＤＣ／ＤＣコンバータは、出力電圧を検出してスイッチング制御信号を形成するスイッチング制御部と、スイッチング制御信号に応じてオンオフ動作するスイッチング素子と、充電電圧を電源出力とする平滑用の電解コンデンサとを有する。

ＤＣ／ＤＣコンバータが有する電解コンデンサの寿命の到来を判定する寿命検知装置が知られている。一例では、寿命検知装置は、周波数測定部と、比較部と、寿命通知部とを有する。周波数測定部は、スイッチング制御信号の周波数を測定する。比較部は、周波数測定部が測定した周波数と予め設定されているしきい値と比較する。寿命通知部は、周波数測定部が測定した周波数がしきい値を超えたときに、電解コンデンサの寿命が到来したことを通知する。

また、電気二重層キャパシタに交流電圧を印加して、印加された交流電圧の周波数によるインピーダンス特性を測定して、電気二重層キャパシタの劣化を判定する方法が知られている。電気二重層キャパシタの劣化判定は、電解液の劣化によってインピーダンス特性に現れる変曲点を予め求め、この変曲点より低い周波数領域のインピーダンス値を比較して劣化判定を行うものである。

特開２００８−３０６８５０号公報 特開２００９−１９５０４４号公報 特開２０１１−１８８６４９号公報 特開２０１１−１０９８２３号公報 特開２００６−４７２８３号公報 特開２０１３−３８８４７号公報

電解コンデンサの寿命の到達を判定する従来の技術では、寿命の到達を判定するときに使用される入力信号を生成する装置、又は寿命の到達を判定するために使用する物理量を検出するための検出器が配置されている。例えば、上述の寿命検知装置はスイッチング制御信号の周波数を測定する周波数測定部を有し、電気二重層キャパシタの劣化を判定する方法では、電気二重層キャパシタに交流電圧を印加する装置が配置されている。

従来の技術には、電解コンデンサの寿命の到達を判定するために使用される機器が電源装置に配置されることにより、電源装置の製造コストが高くなるという課題がある。

一実施形態では、電解コンデンサの劣化を判定可能とする新たな手法を提供することを目的とする。

１つの態様では、入力電圧が印加されるインダクタと、インダクタに流れる電流をオンオフして誘導電圧を発生させるスイッチング素子と、誘導電圧に応じた電圧を平滑化して負荷に出力する電解コンデンサと、制御回路とを備える。制御回路は、スイッチング素子を制御する。制御回路は、負荷へ出力する出力電圧を制御する第１の制御信号に、電解コンデンサの劣化を検出する劣化検出信号を重畳した第２の制御信号をスイッチング素子に出力する。また、制御回路は、第２の制御信号により制御されたスイッチング素子のスイッチングにより出力された出力電圧を検出する。そして、検出回路は、検出された出力電圧と、第１の制御信号のデューティ比と、検出された出力電圧に含まれる劣化検出信号の周波数成分とに基づいて電解コンデンサの劣化を推定する。

一実施形態では、追加の回路を設けることなく電解コンデンサの劣化を判定することができる。

（ａ）は降圧型のＤＣ／ＤＣコンバータの内部の回路ブロック図であり、（ｂ）は（ａ）に示すＤＣ／ＤＣコンバータ内部のＬＣ部分を示す図である。 （ａ）は図１（ｂ）に示すＤＣ／ＤＣコンバータ内部のＬＣ部分のゲイン特性の一例を示す図であり、（ｂ）は図１（ｂ）に示すＤＣ／ＤＣコンバータ内部のＬＣ部分のゲイン特性の他の例を示す図である。 実施形態に係る電源装置の回路ブロック図である。 図３に示すＤＣ／ＤＣコンバータ制御回路の機能ブロック図である。 電解コンデンサ容量推定テーブルの一例を示す図である。 電解コンデンサの寿命の到達を判定する処理の処理フローを示すフローチャートである。

以下図面を参照して、電源装置、制御装置及びそのプログラムについて説明する。但し、本発明の技術的範囲はそれらの実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された発明との均等物に及ぶ点に留意されたい。

実施形態に係る電源装置について説明する前に、実施形態に係る電源装置のＤＣ／ＤＣコンバータに配置される電解コンデンサの容量を推定する方法について説明する。

図１（ａ）は降圧型のＤＣ／ＤＣコンバータの内部の回路ブロック図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）に示すＤＣ／ＤＣコンバータ内部のＬＣ部分を示す図である。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１２は、インダクタ２０と、スイッチング素子２１と、電解コンデンサ２２と、ダイオード２３とを有する。インダクタ２０はインダクタ抵抗２４を有し、スイッチング素子２１はスイッチング抵抗２５を有し、電解コンデンサ２２は電解コンデンサ抵抗２６を有し、ダイオード２３はダイオード抵抗２７を有する。ＤＣ／ＤＣコンバータ１２は、入力端に入力された入力電圧Ｖ_inを降圧して、出力電圧Ｖ_outとして出力端から出力する。ＤＣ／ＤＣコンバータ１２の出力端には負荷５０が接続され、出力電圧Ｖ_outと負荷５０の抵抗値Ｒとに応じて流れる出力電流Ｉ_outを負荷５０に供給する。

インダクタ２０は、スイッチング素子２２を介して一端が入力端子に接続され、他端が電解コンデンサ２２の一端と接続される。インダクタ２０は、スイッチング素子２１がオンオフすることにより流れる電流が変化し、それに応じて誘起電圧を発生し、発生した誘起電圧を電解コンデンサ２２に出力する。インダクタ２０が発生する誘起電圧は、スイッチング素子２１がオンオフされるスイッチング周波数ω_sを持つスイッチング周波数成分を含む。

スイッチング素子２１は、スイッチング周波数ω_sでオンオフ制御される。スイッチング素子２１は、出力電圧Ｖ_outが所定の電圧になるようにデューティ比ｄを変化させた制御信号により制御されることにより、出力電圧Ｖ_outが一定の電圧になるように制御される。

電解コンデンサ２２は、インダクタ２０から出力された誘起電圧を平滑化して出力電圧Ｖ_outとして出力する。電解コンデンサ２２によって平滑化された出力電圧Ｖ_outには、スイッチング周波数ω_sを持つスイッチング周波数成分が含まれている。

ダイオード２３は、スイッチング素子２１がオンしているときには、入力電圧に応じてスイッチング素子２１を介して流れる電流が接地側に流れることを防止する。また、ダイオード２３は、スイッチング素子２１がオフしているときには、インダクタ２０で発生した誘起電圧に応じて負荷５０に流れる電流の経路を形成する。

図１（ａ）において破線で囲まれるインダクタ２０と電解コンデンサ２２は、直列ＬＣ共振回路を形成する。また、破線で囲まれる部分に入力される入力信号の電圧は、直流電圧である入力電圧Ｖ_inとデューティ比ｄとでＶ_in・ｄと示される。すなわち、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２は、電圧Ｖ_in・ｄがスイッチング周波数ω_sで入力される入力信号により共振する共振回路である。

図２（ａ）は図１（ｂ）に示すＤＣ／ＤＣコンバータ内部のＬＣ部分のゲイン特性の一例を示す図であり、図２（ｂ）は図１（ｂ）に示すＤＣ／ＤＣコンバータ内部のＬＣ部分のゲイン特性の他の例を示す図である。

図２（ａ）は、インダクタ２０のインダクタンスＬが７００〔ｎＨ〕であるときに、電解コンデンサ２２の容量Ｃを３０００〔μＦ〕から１００００〔μＦ〕まで１０００〔μＦ〕間隔で変化させたときのゲイン特性を示す図である。ここで、出力電流Ｉ_outの直流成分である負荷電流Ｉ_LOADは０〔Ｖ〕である。図２（ａ）において、横軸は入力信号の周波数を示し、縦軸は図１（ｂ）に示す回路の入力信号の電圧Ｖ_in・ｄの振幅に対する出力電圧Ｖ_outの比、すなわち図１（ｂ）に示す回路のゲインを示す。本明細書では、図１（ｂ）に示す回路のゲインをＬＣゲインと称する。

ＬＣゲインは、式（１）に示すように、入力電圧Ｖ_inとデューティ比ｄとでＶ_in・ｄと示される電圧を入力とし、出力電圧Ｖ_outを出力としたときの伝達関数である。

ここで、Ａ₁は、

であり、Ｂ₁は、

であり、Ｃ_Vは、

である。また、αは、

である。式（１）において、Ｖ_inは入力電圧であり、ｄ（ｔ）はデューティ比であり、Ｖ_outは出力電圧である。また、式（１）において、Ｌはインダクタ２０のインダクタンスであり、Ｃは電解コンデンサ２２の容量である。また、式（１）において、ｒ_dはダイオード抵抗２７の抵抗値であり、ｒ_lはインダクタ抵抗２４の抵抗値であり、ｒ_qはスイッチング抵抗２５の抵抗値であり、ｒ_Cは電解コンデンサ抵抗２６の抵抗値である。

図２（ａ）に示す例では、１〔ｋＨｚ〕〜５〔ｋＨｚ〕の範囲に位置する共振周波数において、ＬＣゲインのピークが表れている。ＬＣゲインのピークの周波数は、インダクタ２０のインダクタンスＬと電解コンデンサ２２の容量Ｃとにより決定される。すなわち、インダクタ２０のインダクタンスＬが変化しないものとすると、ＬＣゲインのピークの周波数は、電解コンデンサ２２の容量Ｃにより決定される。同様に、ＬＣゲインのピークの近傍では、ある周波数におけるＬＣゲインは、電解コンデンサ２２の容量Ｃに応じて異なる。また、推定周波数ω_EにおけるＬＣゲインにＶ_in・ｄを乗じた値は、出力電圧Ｖ_outの推定周波数成分Ｖ_ωEになる。したがって、ＬＣゲインのピークの近傍の周波数である推定周波数ω_Eを持つ推定信号をスイッチング周波数ω_sに重畳し、出力電圧Ｖ_outの推定周波数成分Ｖ_ωEを検出することにより、電解コンデンサ２２の容量Ｃを推定できることになる。一例では、推定周波数ω_Eは、３〔ｋＨｚ〕にすることができる。

しかしながら、共振周波数によってＬＣゲインのピークが現れる周波数の近傍の周波数では、出力電流Ｉ_outが増加することによってもＬＣゲインが増加する。

図２（ｂ）は、インダクタ２０のインダクタンスＬが７００〔ｎＨ〕であり、電解コンデンサ２２の容量Ｃが１００００〔μＦ〕であるときに、負荷電流Ｉ_LOADを０〔Ａ〕、１０８〔Ａ〕及び２１６〔Ａ〕と変化させたときのゲイン特性を示す図である。図２（ｂ）において、横軸は入力信号の周波数を示し、縦軸は図１（ｂ）に示す回路のＬＣゲインを示す。

図２（ｂ）に示すゲイン特性では、１〔ｋＨｚ〕〜２〔ｋＨｚ〕の範囲にＬＣゲインのピークが表れているため、１〔ｋＨｚ〕〜５〔ｋＨｚ〕の範囲に位置する共振周波数に起因するＬＣゲインのピークと周波数帯域が重複している。このため、電解コンデンサ２２の容量Ｃを推定するためには、共振周波数に起因するＬＣゲインの変動と、出力電流Ｉ_outに起因するＬＣゲインの変動とを切り分けることが求められる。

共振周波数に起因するＬＣゲインの変動と、出力電流Ｉ_outに起因するＬＣゲインの変動とを切り分けるために、出力電圧Ｖ_outとデューティ比ｄとを使用して出力電流Ｉ_outの直流成分である負荷電流Ｉ_LOADを推定することが考えられる。そして、推定した負荷電流Ｉ_LOADにおける共振周波数に起因するＬＣゲインの変動、すなわち出力電圧Ｖ_outの推定周波数成分Ｖ_ωEと、電解コンデンサ２２の容量Ｃとの関係から電解コンデンサ２２の容量Ｃが推定される。

実施形態に係る電源装置では、出力電圧Ｖ_outとデューティ比ｄとから負荷電流Ｉ_LOADを推定し、推定した負荷電流Ｉ_LOAD及び出力電圧Ｖ_outの推定周波数成分Ｖ_ωEと電解コンデンサ２２の容量Ｃとの対応関係から、電解コンデンサ２２の容量Ｃを推定する。

すなわち、電源装置では、制御回路は、負荷を駆動しているときに、スイッチング周波数でスイッチング素子をオンオフ制御する制御信号に、スイッチング周波数より低い推定周波数を持つ推定信号を重畳したテスト制御信号をスイッチング素子に出力する。次いで、制御部は、出力電圧を検出し、出力電圧から出力電圧の推定周波数成分を抽出すると共に、出力電圧とデューティ比とを使用して、負荷電流を推定する。そして、制御回路は、負荷電流及び出力電圧の推定周波数成分と電解コンデンサの容量との対応関係に基づいて、負荷電流及び出力電圧の推定周波数成分から電解コンデンサの容量を推定する。制御回路は、ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧を制御するために使用される出力電圧及びデューティ比のみを使用して電解コンデンサの容量を推定するので、センサ等の電解コンデンサの容量を推定するための専用機器を電源装置から取り除くことができる。

図３は、実施形態に係る電源装置の回路ブロック図である。

電源装置１は、整流回路１０と、ＰＦＣ（power factor correction、力率改善）回路１１と、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２と、ＰＦＣ制御回路１３と、ＤＣ／ＤＣコンバータ制御回路１４と、記憶装置１５を有する。電源装置１では、入力端に交流電圧が入力され、電源装置１の出力端から出力電圧Ｖ_outを出力する。電源装置１の出力端には負荷５０が接続される。

整流回路１０は、ブリッジ型に接続された４つのダイオードと平滑用コンデンサを有する。４つのダイオードは入力される交流電圧を全波整流して平滑用コンデンサに出力し、平滑用コンデンサは全波整流された電圧を平滑して、脈流を出力する。

ＰＦＣ回路１１は、図１（ａ）に示すＤＣ／ＤＣコンバータと同一の回路構成を有し、整流回路１０から入力された脈流をＤＣ／ＤＣコンバータ１２に入力される入力電圧Ｖ_inに変換する。ＰＦＣ回路１１が生成する入力電圧Ｖ_inは、１０〔Ｈｚ〕以下の低周波成分を含む。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１２は、ＰＦＣ回路１１と同様に図１（ａ）に示す回路構成を有し、ＰＦＣ回路１１から入力された入力電圧Ｖ_inを降圧して出力電圧Ｖ_outを負荷５０に出力する。

ＰＦＣ制御回路１３は、ＤＳＰ（Digital Signal Pocessor）であり、記憶装置１５に記憶されるコンピュータプログラム（本明細書では、プログラムとも称する）に基づいて、ＰＦＣ回路１１の制御を実行するＰＦＣスイッチング制御部１３１を有する。ＰＦＣスイッチング制御部１３１は、ＡＡＦ（Anti-Aliasing Filter）１３２及びＡＤ変換器１３３を介して入力電圧Ｖ_inが入力され、ＤＡ変換器１３４を介してＰＦＣスイッチング制御信号をＰＦＣ回路１１のスイッチング素子２１に出力する。ＰＦＣスイッチング制御部１３１は、入力電圧Ｖ_inが一定の値となるようにデューティ比を変化させたＰＦＣスイッチング制御信号を生成する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ制御回路１４は、ＤＳＰであり、記憶装置１５に記憶されるプログラムに基づいて、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２の制御及び電解コンデンサ２２の容量Ｃの推定処理の所定の処理を実行する。ＤＣ／ＤＣコンバータ制御回路１４は、ＤＣ／ＤＣコンバータ制御回路１４が実行する処理のプログラムを記憶することができるコンピュータ読み取り可能な記録媒体とも接続可能であってもよい。記録媒体として、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤディスク及びＵＳＢメモリ等の可搬型記録媒体、フラッシュメモリ等の半導体メモリ、ハードディスクドライブ等が使用される。ＰＦＣ制御部１３を形成するＤＳＰは、ＤＣ／ＤＣコンバータ制御回路を形成するＤＳＰと共通化してもよい。

図４は、ＤＣ／ＤＣコンバータ制御回路１４の機能ブロック図である。

ＤＣ／ＤＣコンバータ制御回路１４は、スイッチング制御部１４１と、テスト制御信号生成部１４２と、寿命判定部１４３とを有する。スイッチング制御部１４１は、ＡＡＦ１４４及びＡＤ変換器１４５を介して出力電圧Ｖ_outが入力され、ＤＡ変換器１４６を介してスイッチング制御信号をＤＣ／ＤＣコンバータ１２のスイッチング素子２１に出力する。

スイッチング制御部１４１は、ＰＦＣスイッチング制御部１３１と同様に、出力電圧Ｖ_outが一定の値となるようにデューティ比ｄを変化させたスイッチング制御信号を生成する。スイッチング制御信号のスイッチング周波数は数十〔ＫＨｚ〕〜数十〔ＭＨｚ〕である。

テスト制御信号生成部１４２は、寿命判定部１４３が電解コンデンサ２２の寿命の到達を判定するときに、スイッチング制御部１４１が生成したスイッチング制御信号に寿命判定部１４３が生成した推定信号を重畳してテスト制御信号（第２の制御信号）を生成する。

寿命判定部１４３は、推定信号生成部３０と、帯域通過フィルタ３１と、出力電流演算フィルタ３２と、負荷電流推定フィルタ３３と、電解コンデンサ容量推定部３４とを有する。

推定信号生成部３０は、スイッチング周波数ω_sより低い周波数である推定周波数ω_E毎にスイッチング制御部１４１で生成されたスイッチング制御信号のデューティ比と比較して十分に小さい数値を有する推定信号（劣化検出信号）を生成し、出力する。推定周波数ω_Eは、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２のインダクタ２０と電解コンデンサ２２とにより形成される直列ＬＣ共振回路の共振周波数の近傍の周波数である。推定周波数ω_Eは、一例では３０〔ｋＨｚ〕であり、数十〔ＫＨｚ〕〜数十〔ＭＨｚ〕であるスイッチング周波数よりも小さい周波数である。また、一例では、スイッチング制御信号のデューティ比が「０．４５」であるのに対し、推定信号生成部３０で生成される数値は「０．０１」である。推定信号生成部３０で生成される数値は、デューティ比と比較して小さい値であるので、電源装置１が負荷を駆動中に電解コンデンサ２２の寿命の到達を判定した場合でも、電源装置１の動作に推定信号が影響を与えるおそれはない。

電解コンデンサ２２の寿命の到達を判定するときに、推定周波数ω_Eを持つ推定信号をスイッチング制御信号に重畳したテスト制御信号によりスイッチング素子２１を制御することにより、インダクタ２０が発生する誘起電圧は推定周波数成分を含むことになる。そして、電解コンデンサ２２が誘起電圧を平滑化した出力電圧Ｖ_outも推定周波数成分Ｖ_ωEを含むことになる。

帯域通過フィルタ３１は、推定周波数ω_Eの帯域が通過する帯域通過フィルタであり、出力電圧Ｖ_outの推定周波数成分Ｖ_ωEを出力電圧Ｖ_outから抽出する。帯域通過フィルタ３１は、所定の期間に亘って出力電圧Ｖ_outの推定周波数成分Ｖ_ωEを抽出し、抽出した出力電圧Ｖ_outの推定周波数成分Ｖ_ωEの最大値を出力電圧Ｖ_outの推定周波数成分Ｖ_ωEとして決定する。帯域通過フィルタ３１が決定した出力電圧Ｖ_outの推定周波数成分Ｖ_ωEは、適当な桁で値が丸められて、電解コンデンサ容量推定部３４に入力される。

出力電流演算フィルタ３２は、出力電圧Ｖ_outとスイッチング制御部から入力されるデューティ比ｄとを使用して、式（２）に基づいて出力電流Ｉ_outの推定値Ｉ_esを演算する。

式（２）において、Ｖ_in0は入力電圧の直流成分であり、ｄはデューティ比であり、Ｖ_outは出力電圧である。出力電流Ｉ_outの推定値Ｉ_esの分子は、スイッチング素子２１が１回オンオフするときにインダクタ２０に出力される電圧の平均値Ｖ_in0ｄから出力電圧Ｖ_outを減じたものであり、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２の内部で生じる電圧降下である。

また、式（２）において、ｒ_dはダイオード抵抗２７の抵抗値であり、ｒ_lはインダクタ抵抗２４の抵抗値であり、ｒ_qはスイッチング抵抗２５の抵抗値である。出力電流Ｉ_outの推定値Ｉ_esの分母は、スイッチング素子２１が１回オンオフするときにＤＣ／ＤＣコンバータ１２の内部に流れる電流の経路を考慮した抵抗値である。

出力電流Ｉ_outの推定値Ｉ_esは、スイッチング素子２１が１回オンオフするときにＤＣ／ＤＣコンバータ１２の内部で生じる電圧降下を、スイッチング素子２１が１回オンオフするときの電流の経路を考慮した抵抗値で除算することにより、演算される。

ここで、入力電圧の直流成分Ｖ_in0、スイッチング抵抗２５の抵抗値ｒ_q、インダクタ抵抗２４の抵抗値ｒ_l及びダイオード抵抗２７の抵抗値ｒ_dのそれぞれは、出力電流演算フィルタ３２に記憶されている。デューティ比ｄは、スイッチング制御部１４１から入力され、出力電圧Ｖ_outはスイッチング制御部１４１に入力されるものである。出力電流演算フィルタ３２は、スイッチング制御部１４１がデューティ比ｄを変化させるときに使用する出力電圧Ｖ_outとスイッチング制御部１４１が変化させたデューティ比ｄのみを取得して出力電流Ｉ_outの推定値Ｉ_esを演算している。

負荷電流推定フィルタ３３は、低域通過フィルタ３３１と、平均化フィルタ３３２とを有し、出力電流演算フィルタ３２から入力される出力電流Ｉ_outの推定値Ｉ_esをフィルタリングして出力電流Ｉ_outの推定値Ｉ_esの直流成分を抽出して負荷電流Ｉ_LOADとして出力する。

低域通過フィルタ３３１は、出力電流Ｉ_outの推定値Ｉ_esの推定周波数成分Ｖ_ωEより低い周波数を持つ周波数成分が通過するフィルタである。低域通過フィルタ３３１でフィルタリングすることにより、出力電流Ｉ_outの推定値Ｉ_esは、スイッチング素子２１のオンオフにより発生するスイッチングノイズ、及び出力電流Ｉ_outの推定値Ｉ_esの推定周波数成分Ｖ_ωE等の高周波ノイズが除去される。

平均化フィルタ３３２は、低域通過フィルタ３３１がフィルタリングした出力電流Ｉ_outの推定値Ｉ_esを所定の期間に亘って平均化することにより、低周波ノイズを除去する。ＤＣ／ＤＣコンバータ１２の入力電圧Ｖ_inは直流成分のみを有することが好ましいが、ＰＦＣ回路１１が生成する入力電圧Ｖ_inは、１０〔Ｈｚ〕以下の低周波成分を含むものである。出力電流Ｉ_outの推定値Ｉ_esは、入力電圧Ｖ_inに含まれている低周波成分を含むものであるので、平均化フィルタ３３２で出力電流Ｉ_outの推定値Ｉ_esをフィルタリングすることにより、出力電流Ｉ_outの推定値Ｉ_esに含まれていた低周波成分を除去することが好ましい。平均化フィルタ３３２で低周波成分は除去された出力電流Ｉ_outの推定値Ｉ_esは、適当な桁で値が丸められて、負荷電流Ｉ_LOADとして電解コンデンサ容量推定部３４に入力される。

電解コンデンサ容量推定部３４は、電解コンデンサ容量推定テーブル３４１を有する。電解コンデンサ容量推定部３４は、帯域通過フィルタ３１から入力される出力電圧Ｖ_outの推定周波数成分Ｖ_ωEと負荷電流推定フィルタ３３から入力される負荷電流Ｉ_LOADと電解コンデンサ容量推定テーブル３４１とを使用して電解コンデンサ２２の容量Ｃを推定する。

まず、電解コンデンサ容量推定部３４は、帯域通過フィルタ３１から入力された出力電圧Ｖ_outの推定周波数成分Ｖ_ωEを取得し、取得した出力電圧Ｖ_outの推定周波数成分Ｖ_ωEが一定の時間に亘って同一の値であるか否かを判定する。電解コンデンサ容量推定部３４は、取得した出力電圧Ｖ_outの推定周波数成分Ｖ_ωEが一定の時間に亘って同一の値であると判定したとき、取得した出力電圧Ｖ_outの推定周波数成分Ｖ_ωEを電解コンデンサ２２の容量Ｃを推定するときに使用する。電解コンデンサ容量推定部３４は、取得した出力電圧Ｖ_outの推定周波数成分Ｖ_ωEが一定の時間内に変動したと判定したとき、負荷電流推定フィルタ３３から入力される出力電圧Ｖ_outの推定周波数成分Ｖ_ωEを再度取得する。取得した出力電圧Ｖ_outの推定周波数成分Ｖ_ωEが一定の時間に亘って同一の値であるか否かを判定することによって、電解コンデンサ容量決定部３４３が誤った値を電解コンデンサ２２の容量Ｃとして推定してしまうことが防止される。

次いで、電解コンデンサ容量推定部３４は、負荷電流推定フィルタ３３から入力された負荷電流Ｉ_LOADを取得し、取得した負荷電流Ｉ_LOADが一定の時間に亘って同一の値であるか否かを判定する。電解コンデンサ容量推定部３４は、取得した負荷電流Ｉ_LOADが一定の時間に亘って同一の値であると判定したとき、取得した負荷電流Ｉ_LOADを電解コンデンサ２２の容量Ｃを推定するときに使用する。電解コンデンサ容量推定部３４は、取得した負荷電流Ｉ_LOADが一定の時間内に変動したと判定したとき、負荷電流推定フィルタ３３から入力される負荷電流Ｉ_LOADを再度取得する。取得した負荷電流Ｉ_LOADが一定の時間に亘って同一の値であるか否かを判定することによって、電解コンデンサ容量決定部３４３が誤った値を電解コンデンサ２２の容量Ｃとして推定してしまうことが防止される。

図５は、電解コンデンサ容量推定テーブル３４１の一例を示す図である。

電解コンデンサ容量推定テーブル３４１は、負荷電流Ｉ_LOAD及び出力電圧Ｖ_outの推定周波数成分Ｖ_ωEと電解コンデンサ２２の容量Ｃとの対応関係が記憶される。すなわち、電解コンデンサ容量推定テーブル３４１は、複数の負荷電流Ｉ_LOADのそれぞれに対して、電解コンデンサ２２の容量Ｃを変化させたときの出力電圧Ｖ_outの推定周波数成分Ｖ_ωEが正規化されて記憶されている。電解コンデンサ容量推定テーブル３４１では、負荷電流Ｉ_LOADが２１６〔Ａ〕であり、電解コンデンサ２２の容量Ｃが１００００〔μＦ〕であるときの出力電圧Ｖ_outの推定周波数成分Ｖ_ωEを「１」として正規化されている。以下、正規化された電圧Ｖ_outの推定周波数成分Ｖ_ωEを正規化値とも称する。

決定した負荷電流Ｉ_LOADが１０８〔Ａ〕であり、決定した出力電圧Ｖ_outの推定周波数成分Ｖ_ωEが４．０６〔Ｖ〕である場合を例に説明する。ここでは、「１」に正規化される負荷電流Ｉ_LOADが２１６〔Ａ〕であり、電解コンデンサ２２の容量が１００００〔μＦ〕であるときの出力電圧Ｖ_outの推定周波数成分Ｖ_ωEが３．１３〔Ｖ〕であるとする。

まず、電解コンデンサ容量決定部３４３は、決定した出力電圧Ｖ_outの推定周波数成分Ｖ_ωEを正規化する。決定した出力電圧Ｖ_outの推定周波数成分Ｖ_ωEは４．０６〔Ｖ〕であり、「１」に正規化される出力電圧Ｖ_outの推定周波数成分Ｖ_ωEは３．１３〔Ｖ〕であるので、電解コンデンサ容量決定部３４３は、出力電圧Ｖ_outの推定周波数成分Ｖ_ωEを、
４．０６／３．１３＝１．２９７１
と、正規化する。

次いで、電解コンデンサ容量決定部３４３は、負荷電流Ｉ_LOADが１０８〔Ａ〕の列を参照して、正規化値を電解コンデンサ２２の容量Ｃに変換する。負荷電流Ｉ_LOADが１０８〔Ａ〕の列では、「１．２９７１」は電解コンデンサ２２の容量Ｃが７０００〔μＦ〕のときの正規化値である「１．２９３０」よりも大きく且つ容量Ｃが６０００〔μＦ〕のときの正規化値である「１．４１７２」よりも小さい。電解コンデンサ２２の容量が６０００〔μＦ〕〜７０００〔μＦ〕なので、電解コンデンサ容量決定部３４３は、電解コンデンサ２２の容量Ｃが６０００〔μＦ〕及び７０００〔μＦ〕のときの正規化値から直線近似して電解コンデンサ２２の容量Ｃを推定する。

そして、電解コンデンサ容量決定部３４３は、推定された電解コンデンサ２２の容量Ｃがしきい値を下回っているか否かを判定する。例えば、しきい値が７０００〔μＦ〕である場合、電解コンデンサ容量決定部３４３は、推定された電解コンデンサ２２の容量Ｃがしきい値を下回っていると判定する。電解コンデンサ容量決定部３４３は、推定された電解コンデンサ２２の容量Ｃがしきい値を下回っていると判定すると、電解コンデンサの容量Ｃが低下したことを示す警報信号を出力する。

図６は、寿命判定部１４３が電解コンデンサ２２の寿命の到達を判定する処理の処理フローを示すフローチャートである。

まず、推定信号生成部３０は、電源装置１が負荷を駆動しているときに、推定周波数ω_Eを持つ推定信号をスイッチング制御信号に重畳する（Ｓ１０１）。

次いで、帯域通過フィルタ３１は、所定の期間に亘って出力電圧Ｖ_outの推定周波数成分Ｖ_ωEを抽出する（Ｓ１０２）。帯域通過フィルタ３１は、所定の期間に亘って出力電圧Ｖ_outの推定周波数成分Ｖ_ωEを抽出し、抽出した出力電圧Ｖ_outの推定周波数成分Ｖ_ωEの最大値を出力電圧Ｖ_outの推定周波数成分Ｖ_ωEとして決定する。次いで、帯域通過フィルタ３１は、出力電圧Ｖ_outの推定周波数成分Ｖ_ωEを適当な桁で値を丸める（Ｓ１０３）。

次いで、電解コンデンサ容量推定部３４は、負荷電流推定フィルタ３３から入力された負荷電流Ｉ_LOADを取得し、取得した負荷電流Ｉ_LOADが一定の時間に亘って同一の値であるか否かを判定する（Ｓ１０４）。取得した負荷電流Ｉ_LOADが一定の時間に亘って同一の値であると判定したとき、電解コンデンサ容量推定部３４は、取得した負荷電流Ｉ_LOADを電解コンデンサ２２の容量Ｃを推定するときに使用する負荷電流Ｉ_LOADに決定する（Ｓ１０５）。取得した負荷電流Ｉ_LOADが一定の時間内に変動したと判定したとき、処理はＳ１０１に戻る。

取得した負荷電流Ｉ_LOADが一定の時間に亘って同一の値であると判定したとき、出力電流演算フィルタ３２は、出力電圧Ｖ_outを検出した（Ｓ１０６）後に、デューティ比ｄをスイッチング制御部１４１から取得する（Ｓ１０７）。次いで、出力電流演算フィルタ３２は、式（２）を使用して出力電流Ｉ_outの推定値Ｉ_esを演算する（Ｓ１０８）。

次いで、負荷電流推定フィルタ３３は、出力電流Ｉ_outの推定値Ｉ_esをフィルタリングして出力電流Ｉ_outの推定値Ｉ_esの直流成分を抽出して負荷電流Ｉ_LOADとして出力する（Ｓ１０９）。次いで、負荷電流推定フィルタ３３は、出力した負荷電流Ｉ_LOADを適当な桁で値を丸める（Ｓ１１０）。

次いで、電解コンデンサ容量推定部３４は、帯域通過フィルタ３１から入力される出力電圧Ｖ_outの推定周波数成分Ｖ_ωEを取得し、取得した出力電圧Ｖ_outの推定周波数成分Ｖ_ωEが一定の時間に亘って同一の値であるか否かを判定する（Ｓ１１１）。取得した推定周波数成分Ｖ_ωEが一定の時間に亘って同一の値であると判定したとき、電解コンデンサ容量推定部３４は、取得した推定周波数成分Ｖ_ωEを電解コンデンサ２２の容量Ｃを推定するときに使用する推定周波数成分Ｖ_ωEに決定する（Ｓ１１２）。取得した推定周波数成分Ｖ_ωEが一定の時間内に変動したと判定したとき、処理はＳ１０１に戻る。

取得した推定周波数成分Ｖ_ωEが一定の時間に亘って同一の値であると判定したとき、電解コンデンサ容量推定部３４は、電解コンデンサ容量推定テーブル３４１を使用して電解コンデンサ２２の容量Ｃを推定する（Ｓ１１３）。

次いで、電解コンデンサ容量推定部３４は、推定された電解コンデンサ２２の容量Ｃがしきい値を下回っているか否かを判定する（Ｓ１１４）。

推定された電解コンデンサ２２の容量Ｃがしきい値を下回っていると判定したとき、電解コンデンサ容量推定部３４は、警報信号を出力する（Ｓ１１５）。

一例では、寿命判定部１４３が電解コンデンサ２２の寿命の到達を判定する処理は、１日当たり１回、同時刻に実行される。

電源装置１では、寿命判定部１４３は、スイッチング制御部１４１がデューティ比ｄを変化させるときに使用するパラメータのみを取得して、電解コンデンサ２２の寿命の到達を判定するので、寿命判定用の専用機器を配置せずに寿命判定が可能である。電源装置１では、コンデンサ寿命判定用の専用機器を配置せずに寿命判定が実行されるので、専用機器を配置することにより電源装置の大きさが大きくなることはない。また、寿命判定部１４３の処理はプログラム上で実現可能であるため、ＤＣ／ＤＣコンバータ制御回路１４に処理を実行させるプログラムを変更することで、電解コンデンサの寿命判定が可能であるため、製造コストを抑制できる。

また、電源装置１では、ＤＳＰであるＤＣ／ＤＣコンバータ制御回路１４の内部で、スイッチング制御信号に推定信号を重畳してテスト制御信号を生成するので、推定信号を重畳することによりノイズが発生するおそれは低い。また、電源装置１が駆動する負荷を停止することなく電解コンデンサ２２の寿命判定処理が実行可能であるので、負荷状態にかかわらず電解コンデンサ２２の寿命判定処理を実行できる。

電源装置１では、帯域通過フィルタにより出力電圧Ｖ_outの推定周波数成分Ｖ_ωEを出力電圧Ｖ_outから抽出するので、ＦＦＴ（Fast Fourier Transform）により出力電圧Ｖ_outの推定周波数成分Ｖ_ωEを抽出する場合と比較して、計算量を小さくすることができる。また、ＦＦＴでは、有限時間で計算した値は近似値となるが、電源装置１では、帯域通過フィルタにより抽出された出力電圧Ｖ_outの推定周波数成分Ｖ_ωEは近似されることはない。

また、電源装置１では、寿命判定部１４３は、出力電流Ｉ_outの直流成分である負荷電流Ｉ_LOADを推定するときに出力電流Ｉ_outを出力電圧Ｖ_out及びデューティ比ｄから演算し、演算した出力電流Ｉ_outをフィルタリングしている。ＤＣ／ＤＣコンバータ１２から入力される出力電圧Ｖ_out及びＤＡ変換器１４６からスッチング素子に入力されるスイッチング制御信号は共にスイッチング周波数に由来する高周波ノイズ及びＰＦＣ回路１１に由来する低周波ノイズを含むものである。電源装置１では、寿命判定部１４３により演算された出力電流Ｉ_outは、スイッチング制御部１４１から入力されるデューティ比を使用して出力電流Ｉ_outを演算するので、フィルタリングが比較的容易になる。

また、電源装置１では、出力電流Ｉ_outのフィルタリングは、低域通過フィルタ３３１による高周波成分のフィルタリングと、平均化フィルタ３３２による低周波成分のフィルタリングとの２段階でフィルタリングしている。電源装置１では、高周波成分及び低周波の２段階でフィルタリングすることにより、スイッチング周波数に由来する高周波ノイズ及びＰＦＣ回路１１に由来する低周波ノイズの双方が除去できる。

また、電源装置１では、電解コンデンサ容量推定テーブル３４１を使用して電解コンデンサ２２の容量Ｃを推定しているので、電解コンデンサ２２の容量Ｃの推定処理が迅速に実行可能である。

電源装置１では、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２は、降圧型のＤＣ／ＤＣコンバータであるが、昇圧型又は昇降圧型のＤＣ／ＤＣコンバータとしてもよい。ＤＣ／ＤＣコンバータ１２を昇圧型又は昇降圧型のＤＣ／ＤＣコンバータとするとき、式（２）の代わりに、それぞれの回路配置に応じた式を使用して出力電流Ｉ_outが演算されることになる。

また、電源装置１は、交流電圧を整流する整流回路１０を有するが、直流電圧が入力される場合は、整流回路１０は配置されない回路構成が採用される。また、入力される電圧に応じて、ＰＦＣ回路１１を省略する回路構成としてよい。

また、電源装置１では、推定信号生成部３０は、推定周波数ω_E毎に数値を生成しているが、デューティ比と比較して小さい振幅を有し且つ推定周波数ω_Eを持つ正弦波をサンプリングしたデータを生成する構成としてもよい。

また、電源装置１では、寿命判定部１４３はＳ１０２〜Ｓ１０５の推定周波数成分Ｖ_ωEを推定する処理を実行した後にＳ１０６〜Ｓ１１２の負荷電流Ｉ_LOADを推定する処理を実行している。しかし、Ｓ１０６〜Ｓ１１２の負荷電流Ｉ_LOADを推定する処理を実行した後にＳ１０２〜Ｓ１０５の推定周波数成分Ｖ_ωEを推定する処理を実行してもよい。また、Ｓ１０２〜Ｓ１０５の推定周波数成分Ｖ_ωEを推定する処理とＳ１０６〜Ｓ１１２の負荷電流Ｉ_LOADを推定する処理とは同時に実行してもよい。

電源装置１は、種々の装置に搭載可能である。例えば、電源装置１は、サーバ等の電子計算機に搭載することができる。電源装置１を電子計算機に搭載することにより、電子計算機の保守管理が改善される。また、電源装置１は、電子計算機及び情報端末等の機器に接続されるＡＣアダプタに搭載することができる。電源装置１をＡＣアダプタに搭載することにより、ＡＣアダプタに含まれる電解コンデンサの寿命の到達を判定し、判定結果をＡＣアダプタが接続される機器に通知することが可能になる。また、電源装置１は、自動販売機に搭載することができる。電源装置１を自動販売機に搭載することにより、電源装置１の電解コンデンサの寿命判定結果に応じて、自動販売機が使用されていないときに電源装置１の交換が可能になり、販売機会を逃すことなく電源装置１を交換できる。また、電源装置１は、山奥の監視センタ等に配置される自動検針端末に搭載することができる。電源装置１を自動検針端末に搭載することにより、電源装置１の交換作業のルートを効率化することができる。また、電源装置１は、ＡＴＭ（Automated Teller Machine）及び券売機に搭載することができる。電源装置１をＡＴＭ及び券売機に搭載することにより、ＡＴＭ及び券売機が使用されていない閑散期に電源装置１を交換することができる。

１ 電源装置
１０ 整流回路
１１ ＰＦＣ回路
１２ ＤＣ／ＤＣコンバータ
１３ ＰＦＣ制御回路
１４ ＤＣ／ＤＣコンバータ制御回路
１５ 記憶装置
２０ インダクタ
２１ スイッチング素子
２２ 電解コンデンサ
２３ ダイオード

Claims (7)

1. 入力電圧が印加されるインダクタと、
   前記インダクタに流れる電流をオンオフして誘導電圧を発生させるスイッチング素子と、
   前記誘導電圧に応じた電圧を平滑化して負荷に出力する電解コンデンサと、
   前記スイッチング素子を制御する制御回路と、
   を備え、
   前記制御回路は、前記負荷へ出力する出力電圧を制御する第１の制御信号に、前記電解コンデンサの劣化を検出する劣化検出信号を重畳した第２の制御信号を前記スイッチング素子に出力し、前記第２の制御信号により制御された前記スイッチング素子のスイッチングにより出力された出力電圧を検出し、検出された前記出力電圧と、前記第１の制御信号のデューティ比と、検出された前記出力電圧に含まれる前記劣化検出信号の周波数成分とに基づいて前記電解コンデンサの劣化を推定する、ことを有する電源装置。
2. 前記第１の制御信号は、スイッチング周波数で前記スイッチング素子をオンオフ制御し、前記出力電圧が所定の電圧になるようにデューティ比を変化させ、
   前記劣化検出信号は、前記スイッチング周波数より低い推定周波数を持ち、
   前記制御回路は、
   検出された前記出力電圧と、前記デューティ比とを使用して、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの負荷電流を推定し、
   前記負荷電流及び前記出力電圧が有する前記推定周波数成分と前記電解コンデンサの容量との対応関係に基づいて、前記負荷電流及び前記出力電圧の前記推定周波数成分から前記電解コンデンサの容量を推定する、請求項１に記載の電源装置。
3. 前記制御回路は、
   前記入力電圧に前記デューティ比を乗じた値と前記出力電圧との差を、前記インダクタ及び前記スイッチング素子の内部抵抗を含む前記ＤＣ／ＤＣコンバータの内部抵抗値で除算して、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの負荷に出力される出力電流を演算し、
   少なくとも前記推定周波数成分より低い周波数成分を前記出力電流から抽出した電流を、前記負荷電流と推定する、請求項２に記載の電源装置。
4. 前記制御回路は、少なくとも前記推定周波数以上の周波数成分を、前記出力電流から除去し、
   前記所定の周波数以上の周波数成分が除去された前記出力電流の平均値が前記負荷電流であると推定する、請求項３に記載の電源装置。
5. 前記制御回路は、前記負荷及び前記電解コンデンサの容量のそれぞれを変化させたときの前記出力電圧の前記推定周波数成分を示すテーブルを有する、請求項２〜４の何れか一項に記載の電源装置。
6. 入力電圧が印加されるインダクタと、
   前記インダクタに流れる電流をオンオフして誘導電圧を発生させるスイッチング素子と、
   前記誘導電圧に応じた電圧を平滑化して負荷に出力する電解コンデンサと、
   を有するＤＣ／ＤＣコンバータを制御する制御装置であって、
   前記負荷へ出力する出力電圧を制御する第１の制御信号に、前記電解コンデンサの劣化を検出する劣化検出信号を重畳した第２の制御信号を前記スイッチング素子に出力し、前記第２の制御信号により制御された前記スイッチング素子のスイッチングにより出力された出力電圧を検出し、検出された前記出力電圧と、前記第１の制御信号のデューティ比と、検出された前記出力電圧に含まれる前記劣化検出信号の周波数成分とに基づいて前記電解コンデンサの劣化を推定する、ことを有する、制御装置。
7. 入力電圧が印加されるインダクタと、
   前記インダクタに流れる電流をオンオフして誘導電圧を発生させるスイッチング素子と、
   前記誘導電圧に応じた電圧を平滑化して負荷に出力する電解コンデンサと、
   を有するＤＣ／ＤＣコンバータを制御するコンピュータプログラムであって、
   前記負荷へ出力する出力電圧を制御する第１の制御信号に、前記電解コンデンサの劣化を検出する劣化検出信号を重畳した第２の制御信号を前記スイッチング素子に出力し、
   前記第２の制御信号により制御された前記スイッチング素子のスイッチングにより出力された出力電圧を検出し、
   検出された前記出力電圧と、前記第１の制御信号のデューティ比と、検出された前記出力電圧に含まれる前記劣化検出信号の周波数成分とに基づいて前記電解コンデンサの劣化を推定する、
   ことを制御装置に実行させるためのコンピュータプログラム。

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