JP2018085827A - 電圧制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】装置分解能よりも高精度で電圧変換部の出力電圧を制御できる電圧制御装置を提供する。【解決手段】電圧変換部の出力電圧と目標出力電圧との差分に基づいてＰＷＭ信号の目標デューティ比を求める演算部１１０と、目標デューティ比より小さく装置分解能に従った第１デューティ比を算出しＰＷＭ信号を出力する第１算出部１２０と、指令に従ったデューティ比が設定されたＰＷＭ信号を生成する生成部１４０と、目標デューティ比より大きく装置分解能に従った第２デューティ比を算出し、かつ、時間平均デューティ比を目標デューティ比に一致させるための第１デューティ比と第２デューティ比との割合を算出する第２算出部１３０と、割合に基づいて第１デューティ比から第２デューティ比に切り替える期間を決定し、期間中はＰＷＭ信号が第２デューティ比となるように指令を変更する変更部１５０と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、入力電圧を所定の出力電圧に変換する電圧変換部のスイッチング動作を指令するパルス幅変調（ＰＷＭ：Pulse Width Modulation）信号を制御する電圧制御装置に関する。

例えば、特許文献１に、ＤＣ／ＤＣコンバータ（電圧変換部）の出力電圧が目標の出力電圧に収束するように、ＤＣ／ＤＣコンバータのスイッチング動作を指令するＰＷＭ信号のデューティ比を制御する電圧制御装置が、開示されている。

特開平１１−１３６９２９号公報

上記特許文献１に記載の電圧制御装置などでは、１つの制御周期の期間中は、電圧変換部の出力電圧と目標の出力電圧との差に基づいて、電圧制御装置の分解能に従った固定のデューティ比を持つＰＷＭ信号を出力し続ける。このため、従来の電圧制御装置では、装置の分解能よりも高精度で電圧変換部の出力電圧を制御することができない。

なお、高精度で電圧変換部の出力電圧を制御するためには、より動作周波数が高くかつ分解能が高い電圧制御装置を使用することが考えられるが、このような高性能の電圧制御装置は、高価かつ消費電流が大きいという課題がある。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、装置の分解能に従ったデューティ比を持つＰＷＭ信号を用いつつ、当該装置の分解能よりも高精度で電圧変換部の出力電圧を制御することができる、電圧制御装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の一態様は、入力電圧を所定の出力電圧に変換する電圧変換部のスイッチング動作を指令するＰＷＭ信号を制御する電圧制御装置であって、電圧変換部の出力電圧と所定の目標出力電圧との差分に基づいて、ＰＷＭ信号の目標デューティ比を求める演算部と、目標デューティ比より小さくかつ電圧制御装置の分解能に従った第１デューティ比を、所定の制御周期の間隔で算出し、ＰＷＭ信号を第１デューティ比に設定するデューティ指令を出力する第１算出部と、デューティ指令に従ったデューティ比が設定されたＰＷＭ信号を生成する生成部と、目標デューティ比より大きくかつ電圧制御装置の分解能に従った第２デューティ比を、制御周期の間隔で算出し、かつ、制御周期における時間平均デューティ比を目標デューティ比に一致させるための第１デューティ比と第２デューティ比との割合を算出する第２算出部と、割合に基づいて制御周期内において第１デューティ比から第２デューティ比に切り替える期間を決定し、決定された期間中はＰＷＭ信号のデューティ比が第２デューティ比となるようにデューティ指令を変更する変更部と、を備えることを特徴とする。

この本発明では、演算部で求められたＰＷＭ信号の目標デューティ比に基づいて、目標デューティ比より小さくて電圧制御装置の分解能に従った第１デューティ比と、目標デューティ比より大きくて電圧制御装置の分解能に従った第２デューティ比とが、算出される。ＰＷＭ信号のデューティ比は、所定の制御周期における時間平均デューティ比が目標デューティ比に一致する割合で、第１デューティ比の期間と第２デューティ比の期間とが切り替えられて（換言すれば時分割に）設定される。

この第１デューティ比と第２デューティ比との切り替え制御（時分割制御）により、制御周期内の全デューティ比を時間平均した見かけ上のデューティ比を、電圧制御装置の分解能よりも高い精度で制御することができる。これにより、高精度の分解能を持つ高価で消費電力が大きいマイコンなどを新たに用いなくても、自装置が持つ分解能よりも高精度で電圧変換部の出力電圧を制御することができる。

また、本発明では、電圧制御装置の分解能よりも高い精度で電圧変換部の出力電圧を制御することができる。よって、ある制御周期について、その前後の制御周期との間における出力電圧（出力電流）の平均値の差が小さくなる。従って、電圧変換部の出力電圧（出力電流）の揺れ（リップル）を小さくすることができる。

上記本発明の電圧制御装置によれば、装置の分解能に従ったデューティ比を持つＰＷＭ信号を用いつつ、当該装置の分解能よりも高精度で電圧変換部の出力電圧を制御することができる。

本発明の一実施形態に係る電圧制御装置を適用したシステムの構成例 電圧制御装置の各構成が出力するデューティ比の関係を示す一例 電圧制御装置の各構成が出力するデューティ比の関係を示す他の一例

［概要］
本発明の電圧制御装置では、ＰＷＭ信号の目標デューティ比について、目標デューティ比より小さい装置分解能に従った第１デューティ比と、目標デューティ比より大きい装置分解能に従った第２デューティ比とを、算出する。そして、１つの制御周期における時間平均デューティ比が目標デューティ比Ｄに一致する割合になるように、第１デューティ比の期間と第２デューティ比の期間とを切り替えて（時分割に）設定したＰＷＭ信号を生成する。これにより、電圧制御装置の分解能よりも高い精度で電圧変換部の出力電圧を制御することができる。

［構成の説明］
図１は、本発明の一実施形態に係る電圧制御装置１００を適用したシステムの構成例を示す図である。図１に例示したシステムは、電圧制御装置１００と、電圧変換部２００と、帰還入力段フィルタ３００と、を含んで構成されている。

本実施形態に係る電圧制御装置１００は、例えばマイコンなどで構成され、電圧変換部２００の出力電圧を制御することを行う。図１に示した電圧制御装置１００は、演算部１１０と、第１算出部１２０と、第２算出部１３０と、ＰＷＭ信号生成部１４０と、デューティ変更部１５０と、を備えている。ＰＷＭ信号生成部１４０は、請求項における「生成部」に対応している。デューティ変更部１５０は、請求項における「変更部」に対応している。

演算部１１０は、帰還入力段フィルタ３００を介して電圧変換部２００から出力される出力電圧Ｖを帰還入力する。そして、演算部１１０は、電圧変換部２００の出力電圧Ｖと予め保持する目標出力電圧Ｖtgtとの差分に基づいて、制御指令であるＰＷＭ信号の目標デューティ比Ｄtgtを求める。この目標デューティ比Ｄtgtは、電圧制御装置１００のデューティ比分解能に依存されることなく、そのデューティ比分解能よりも高い精度で求められる。

例えば、電圧制御装置１００のデューティ比分解能が１％の精度であって、目標出力電圧Ｖtgtが「１２Ｖ」と設定されている場面を一例に考える。この場面において、直前に目標デューティ比Ｄtgtを「５０％」として制御した電圧変換部２００の出力電圧Ｖが目標出力電圧Ｖtgtよりも低い「１１Ｖ」であった場合、一般的には、デューティ比分解能の精度に従って、出力電圧Ｖを昇圧させる方向に次の目標デューティ比Ｄtgtを「５１％」と設定することが考えられる。

これに対して、本実施形態による演算部１１０は、デューティ比分解能よりも高い精度で、目標デューティ比Ｄtgtを「５０．３％」や「５０．５％」などと設定することが可能に構成されている。なお、デューティ比分解能よりも高い精度によるいずれのデューティ比に設定するかについては、これまでの電圧変換部２００の出力電圧Ｖの変動傾向や、後述する１つの制御周期中に時分割による割り当てが可能な数（割合）などに基づいて、決定される。

第１算出部１２０は、所定の制御周期Ｔの間隔で、演算部１１０によって求められた目標デューティ比Ｄtgtを入力する。そして、第１算出部１２０は、目標デューティ比Ｄtgtに基づいて、１つの制御周期Ｔ中におけるＰＷＭ信号の基準デューティ比となる第１デューティ比Ｄ１を算出する。そして、第１算出部１２０は、この算出した第１デューティ比Ｄ１をＰＷＭ信号に設定するためのデューティ指令をＰＷＭ信号生成部１４０へ出力する。

第１算出部１２０は、電圧制御装置１００のデューティ比分解能の精度に従った第１デューティ比Ｄ１を算出する。具体的には、この第１デューティ比Ｄ１は、目標デューティ比Ｄtgtよりも小さいデューティ比であって、かつ、電圧制御装置１００のデューティ比分解能に従ったデューティ比とすることができる。

例えば、上述のように、電圧制御装置１００のデューティ比分解能が１％の精度であって、目標デューティ比Ｄtgtが「５０．３％」である場合には、「５０．３％」より小さい値であって、かつ、精度１％のデューティ比分解能に従った「５０％」が、第１デューティ比Ｄ１として算出される。なお、「４９％」や「４８％」も条件を満たすので、第１デューティ比Ｄ１として選択されても構わない。

第２算出部１３０は、所定の制御周期Ｔの間隔で、演算部１１０によって求められた目標デューティ比Ｄtgtを入力する。そして、第２算出部１３０は、目標デューティ比Ｄtgtに基づいて、１つの制御周期中におけるＰＷＭ信号の切り替えデューティ比となる第２デューティ比Ｄ２を算出する。そして、第２算出部１３０は、この算出した第２デューティ比Ｄ２をデューティ変更部１５０へ出力する。

第２算出部１３０は、電圧制御装置１００のデューティ比分解能の精度に従った第２デューティ比Ｄ２を算出する。具体的には、この第２デューティ比Ｄ２は、目標デューティ比Ｄtgtよりも大きいデューティ比であって、かつ、電圧制御装置１００のデューティ比分解能に従ったデューティ比とすることができる。

例えば、上述のように、電圧制御装置１００のデューティ比分解能が１％の精度であって、目標デューティ比Ｄtgtが「５０．３％」である場合には、「５０．３％」より大きい値であって、かつ、精度１％のデューティ比分解能に従った「５１％」が、第２デューティ比Ｄ２として算出される。この例の場合、第２デューティ比Ｄ２は、上述した第１デューティ比Ｄ１＝「５０％」に対して、電圧制御装置１００のデューティ比分解能における１最下位ビット（１ＬＳＢ）だけオフセットを持たせたデューティ比と言える。なお、「５２％」や「５３％」も条件を満たすので、第２デューティ比Ｄ２として選択されても構わない。

ここで、所定の制御周期Ｔは、基本的には、電圧制御装置１００の性能によって要求される第１周期と、システムによって要求される第２周期と、に基づいて定めることができる。電圧制御装置１００の性能によって要求される第１周期とは、例えば電圧制御装置１００が内蔵するＣＰＵ（Central Processing Unit）の負荷が１００％を超えない周期である。システムによって要求される第２周期とは、例えばシステムに接続される負荷で許容される電圧・電流に依存する周期である。典型的には、所定の制御周期は、第１周期を越え、かつ、第２周期未満に設定される。

さらに、第２算出部１３０は、制御周期Ｔにおける時間平均デューティ比を目標デューティ比Ｄtgtに一致させるための第１デューティ比Ｄ１と第２デューティ比Ｄ２との割合Ｒate（＝Ｄ１：Ｄ２）を算出する。そして、第２算出部１３０は、第２デューティ比Ｄ２と共に、この算出した割合Ｒateをデューティ変更部１５０へ出力する。なお、第２算出部１３０は、第１デューティ比Ｄ１を第１算出部１２０から取得してもよいし、第１デューティ比Ｄ１と同様にして自ら算出してもよい。

例えば、上述のように「５０．５％」である目標デューティ比Ｄtgtに関して、「５０％」の第１デューティ比Ｄ１と「５１％」の第２デューティ比Ｄ２とが算出された場合、制御周期Ｔを１０分割するのであれば、第１デューティ比Ｄ１と第２デューティ比Ｄ２との割合Ｒateが５対５として算出される（Ｄ１：Ｄ２＝５：５）。また、例えば、「５０．３％」である目標デューティ比Ｄtgtに関して、「５０％」の第１デューティ比Ｄ１と「５１％」の第２デューティ比Ｄ２とが算出された場合、制御周期Ｔを１０分割するのであれば、第１デューティ比Ｄ１と第２デューティ比Ｄ２との割合Ｒateが７対３として算出される（Ｄ１：Ｄ２＝７：３）。

なお、制御周期Ｔをいくつに分割するのか、すなわち１分割期間の長さについては、後述する電圧変換部２００の出力段フィルタ２２０が有する時定数および帰還入力段フィルタ３００が有する時定数に基づいて、適切に設定すればよい。具体的には、第１デューティ比Ｄ１と第２デューティ比Ｄ２との電圧差分の変化が平均化されるように、各フィルタが有する時定数以内の期間で設定される。

ＰＷＭ信号生成部１４０は、第１算出部１２０からＰＷＭ信号を第１デューティ比Ｄ１に設定するデューティ指令を入力する。そして、ＰＷＭ信号生成部１４０は、制御周期Ｔ中におけるデューティ比を第１デューティ比Ｄ１に設定したＰＷＭ信号を生成する。また、ＰＷＭ信号生成部１４０は、後述するデューティ変更部１５０から受信するデューティ指令の変更指示に従って、ＰＷＭ信号のデューティ比を第１デューティ比Ｄ１から第２デューティ比Ｄ２に切り替えることを行う。このデューティ指令に基づいて生成されたＰＷＭ信号は、電圧変換部２００へ出力される。

デューティ変更部１５０は、第２算出部１３０から第２デューティ比Ｄ２および割合Ｒateを入力する。そして、デューティ変更部１５０は、第２デューティ比Ｄ２および割合Ｒateに基づいて、制御周期Ｔ内において第１デューティ比Ｄ１から第２デューティ比Ｄ２に切り替える期間を決定する。デューティ変更部１５０は、この決定した期間中はＰＷＭ信号のデューティ比が第２デューティ比Ｄ２となるように、ＰＷＭ信号生成部１４０においてＰＷＭ信号の生成に参照されるデューティ指令を変更する。

このデューティ変更部１５０は、例えばダイレクトメモリアクセス（ＤＭＡ）転送機能などを用いたＣＰＵを介さない割り込みなどの処理によって、ＰＷＭ信号生成部１４０がＰＷＭ信号を生成する際に参照するデューティ比が指示されたデューティ指令（レジスタの値など）を変更することができる。

電圧変換部２００は、ＰＷＭ信号生成部１４０が出力するＰＷＭ信号を受けて、入力電圧を所定の電圧に変換して出力することを行う。この電圧変換部２００は、例えば、ＰＷＭ信号によって入力電圧をデューティ比制御するＤＣ／ＤＣコンバータ２１０と、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１０が出力する電圧信号を平滑する出力段フィルタ２２０とで、構成される。

帰還入力段フィルタ３００は、電圧変換部２００が出力する変換後の電圧信号を入力して、当該電圧信号をさらに平滑する。この平滑された電圧信号Ｖは、電圧制御装置１００の演算部１１０に帰還入力される。この平滑処理は、ＰＷＭ信号のデューティ比制御によって生じる電圧変換部２００の出力電圧の変動を小さくさせるために実施される。

例えば、デューティ比制御によって電圧変換部２００の出力電圧が「１０Ｖ」から「１１Ｖ」に大きく切り替わるような場合でも、帰還入力段フィルタ３００の平滑によって、例えば１０．３Ｖ〜１０．７Ｖの間の電圧値を出力することができる。この平滑処理によって、電圧制御装置１００の演算部１１０において、電圧制御装置１００のデューティ比分解能よりも高い精度の目標デューティ比Ｄtgtを求め易くなる。

なお、電圧変換部２００の出力段フィルタ２２０において帰還入力段フィルタ３００で求められる機能を果たすことができるのであれば、帰還入力段フィルタ３００を省略することができる。

［装置が実行する制御例］
次に、図２および図３をさらに参照して、本発明の一実施形態に係る電圧制御装置１００が実行する制御を説明する。図２および図３は、制御周期Ｔにおける電圧制御装置１００の各構成が出力するデューティ比の関係の一例をそれぞれ説明する図である。

図２では、１０分割された制御周期Ｔに対して、「５０％」の第１デューティ比Ｄ１と「５１％」の第２デューティ比Ｄ２とを用いて、制御指令である目標デューティ比Ｄtgt「５０．５％」を実現させる場合を例示している。

図２に示すように、演算部１１０によって、ＰＷＭ信号の目標デューティ比Ｄtgt「５０．５％」が求められる。この目標デューティ比Ｄtgtに基づいて、第１算出部１２０および第２算出部１３０によって、第１デューティ比Ｄ１「５０％」、第２デューティ比Ｄ２「５１％」、および割合Ｒate「５：５」が、それぞれ算出される。そして、デューティ変更部１５０によって、割合Ｒateに基づいて、１０に分割された第１デューティ比Ｄ１の期間のうち５つの期間を第２デューティ比Ｄ２に切り替える期間が決定される。ＰＷＭ信号生成部１４０では、その決定した期間に第２デューティ比Ｄ２を、決定した期間以外に第１デューティ比Ｄ１を設定するというデューティ指令に従って、ＰＷＭ信号が生成される。

図２の例では、第１、第３、第５、第７、および第９の分割期間（すなわちデューティ比切り替え単位）においてデューティ比を「５０％」とし、第２、第４、第６、第８、および第１０の分割期間においてデューティ比を「５１％」に切り替える、デューティ指令を示している。このデューティ指令を用いた第１デューティ比Ｄ１との第２デューティ比Ｄ２との切り替えにより、制御周期Ｔにおける時間平均デューティ比を目標デューティ比Ｄtgt「５０．５％」に一致させることができる。

また、図３では、１０分割された制御周期Ｔに対して、「５０％」の第１デューティ比Ｄ１と「５１％」の第２デューティ比Ｄ２とを用いて、制御指令である目標デューティ比Ｄtgt「５０．３％」を実現させる場合を例示している。

図３に示すように、演算部１１０によって、ＰＷＭ信号の目標デューティ比Ｄtgt「５０．３％」が求められる。この目標デューティ比Ｄtgtに基づいて、第１算出部１２０および第２算出部１３０によって、第１デューティ比Ｄ１「５０％」、第２デューティ比Ｄ２「５１％」、および割合Ｒate「７：３」が、それぞれ算出される。そして、デューティ変更部１５０によって、割合Ｒateに基づいて、１０に分割された第１デューティ比Ｄ１の期間のうち３つの期間を第２デューティ比Ｄ２に切り替える期間が決定される。ＰＷＭ信号生成部１４０では、その決定した期間に第２デューティ比Ｄ２を、決定した期間以外に第１デューティ比Ｄ１を設定するというデューティ指令に従って、ＰＷＭ信号が生成される。

図３の例では、第１、第２、第３、第４、第５、第６、および第７の分割期間においてデューティ比を「５０％」とし、第８、第９、および第１０の分割期間においてデューティ比を「５１％」に切り替える、デューティ指令を示している。このデューティ指令を用いた第１デューティ比Ｄ１との第２デューティ比Ｄ２との切り替えにより、制御周期Ｔにおける時間平均デューティ比を目標デューティ比Ｄtgt「５０．３％」に一致させることができる。

なお、第１デューティ比Ｄ１と第２デューティ比Ｄ２との切り替えは、図２に示したように交互に行ってもよいし、図３に示したようにまとまって行ってもよい。どの分割期間をどのデューティ比に設定するかは、制御周期Ｔにおける割合Ｒateを満足していれば、電圧変換部２００の出力段フィルタ２２０および帰還入力段フィルタ３００が有する時定数を考慮して自由に設計することができる。

［本実施形態における作用・効果］
上述した本発明の一実施形態に係る電圧制御装置１００によれば、演算部１１０で求めたＰＷＭ信号の目標デューティ比Ｄtgtに基づいて、目標デューティ比Ｄtgtより小さくて電圧制御装置１００の分解能に従った第１デューティ比Ｄ１と、目標デューティＤtgt比より大きくて電圧制御装置１００の分解能に従った第２デューティ比Ｄ２とを、算出する。ＰＷＭ信号のデューティ比は、制御周期Ｔにおける時間平均デューティ比が目標デューティ比Ｄtgtに一致する割合Ｒateで、第１デューティ比Ｄ１の期間と第２デューティ比Ｄ２の期間とが切り替えられて（換言すれば時分割に）設定される。

この第１デューティ比Ｄ１と第２デューティ比Ｄ２との切り替え制御（時分割制御）により、制御周期Ｔ内の全デューティ比を時間平均した見かけ上のデューティ比を、電圧制御装置１００の分解能よりも高い精度で制御することができる。これにより、高精度の分解能を持つ高価で消費電力が大きいマイコンなどを新たに用いなくても、電圧制御装置１００が持つ分解能よりも高精度で電圧変換部２００の出力電圧を制御することができる。

また、本発明では、電圧制御装置１００の分解能よりも高い精度で電圧変換部２００の出力電圧を制御することができる。よって、ある制御周期Ｔについて、その前後の制御周期Ｔとの間における出力電圧（出力電流）の平均値の差が小さくなる。従って、電圧変換部２００の出力電圧（出力電流）の揺れ（リップル）を小さくすることができる。

本発明の電圧制御装置は、ソーラー発電システムなどに利用可能であり、特に自己装置の分解能よりも高い精度で電圧変換部の出力電圧を制御したい場合などに有用である。

１００ 電圧制御装置
１１０ 演算部
１２０ 第１算出部
１３０ 第２算出部
１４０ ＰＷＭ信号生成部
１５０ 時分割制御部
２００ 電圧変換部
２１０ ＤＣ／ＤＣコンバータ
２２０ 出力段フィルタ
３００ 帰還入力段フィルタ

Claims (1)

1. 入力電圧を所定の出力電圧に変換する電圧変換部のスイッチング動作を指令するＰＷＭ信号を制御する電圧制御装置であって、
   前記電圧変換部の出力電圧と所定の目標出力電圧との差分に基づいて、前記ＰＷＭ信号の目標デューティ比を求める演算部と、
   前記目標デューティ比より小さくかつ前記電圧制御装置の分解能に従った第１デューティ比を、所定の制御周期の間隔で算出し、前記ＰＷＭ信号を当該第１デューティ比に設定するデューティ指令を出力する第１算出部と、
   前記デューティ指令に従ったデューティ比が設定された前記ＰＷＭ信号を生成する生成部と、
   前記目標デューティ比より大きくかつ前記電圧制御装置の分解能に従った第２デューティ比を、前記制御周期の間隔で算出し、かつ、前記制御周期における時間平均デューティ比を前記目標デューティ比に一致させるための前記第１デューティ比と前記第２デューティ比との割合を算出する第２算出部と、
   前記割合に基づいて前記制御周期内において前記第１デューティ比から前記第２デューティ比に切り替える期間を決定し、当該決定された期間中は前記ＰＷＭ信号のデューティ比が前記第２デューティ比となるように前記デューティ指令を変更する変更部と、
   を備えることを特徴とする、電圧制御装置。

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