JP4352460B2

JP4352460B2 - 電源装置

Info

Publication number: JP4352460B2
Application number: JP2004241878A
Authority: JP
Inventors: 康夫長澤
Original assignee: Ｔｄｋラムダ株式会社
Priority date: 2004-08-23
Filing date: 2004-08-23
Publication date: 2009-10-28
Anticipated expiration: 2024-08-23
Also published as: JP2006060953A

Description

本発明は、ユーザ側の仕様に合わせて接続された負荷において、当該負荷が無負荷から重負荷まで変化する場合でも、最大効率となるよう出力特性を調整する電源装置に関する。

従来、例えばスイッチング電源，無停電電源装置などに代表される電源装置の効率は、最大定格負荷時を前提に検討されてきた。すなわち、電源装置は、製品仕様で設定された最大定格負荷を接続した時に最も効率がよくなるように設計するのが一般的であった。具体的に言うと、最大定格負荷が１００Ｗの電源であれば１００Ｗ出力時の効率を最大にするよう設計し、又一般のカタログにおいても効率スペックは最大定格でうたわれている。これを示したものが図６であるが、同図は、負荷率１００％付近で最大効率となるように設計された出力特性（効率特性）を示している。なお、負荷率とは、最大定格負荷に対する現在の負荷電力の割合（負荷率＝（負荷電力／最大定格負荷）×１００）をいう。

ところがユーザ側では、１００％負荷を連続で使用することは稀で、７０％〜８０％ぐらいディレーティングして使用している。ユーザやピーク時は最大定格出力が必要だが、通常は２０％程度の負荷しか使わないユーザも多い。このような条件下での使用においては、電源装置の効率は１００％負荷では良好となるが、２０％負荷では効率が低下してしまうこととなる。従って、ユーザ側にとってみると、軽負荷，中間負荷などでは電源装置の能力を最大限に発揮させることができず、結果的に損失として多くのエネルギーを無駄にしていることになる。

このような問題を解決する手段として、特許文献１には、負荷電流の変化の大小に応じて、電源装置の制御方式を変更する電源装置が開示されている。これは、負荷検出部で検出した負荷電流がしきい値より小さい場合はＲＣＣ方式で電源制御を行い、一方、負荷電流がしきい値より大きい場合は共振方式で電源制御を行なうというものであり、電源装置の負荷電力出力時に発生する負荷電流の変化に応じて、電源制御方式を切り替えることで効率を高めている。
特開２０００−２７０５４５号公報

しかし、上記従来の電源装置では、負荷電流の変化が激しい場合に、電源制御方式が頻繁に切り替ってしまうという問題があった。電源制御方式の切り替えが短時間に集中して発生すると、電源制御方式が安定しないため、電源装置の出力が低下する虞がある。

また、負荷電流の変化に合わせて、早めに電源制御方式を切り替えるため、２つのしきい値を設けることでヒステリシス特性を持たせているが、該２つのしきい値で挟まれた応差部分では２つの電源制御方式のどちらも採り得るため、中間負荷では電源制御方式が最適化されないという問題があった。とりわけ、負荷電流が前記応差部分でのみ変化する場合では、負荷電流のリップル（脈動）やサージ電流などで一時的にしきい値を超えてしまうと、電源制御方式が最適でない方に切り替ってしまう虞があり、一旦電源制御方式が切り替ってしまうと、前記ヒステリシス特性から負荷電流がある程度低下又は増加しなければ元の電源制御方式に戻ることができず、かえって効率が悪くなることもある。

そこで本発明は上記問題点に鑑み、種々の負荷条件に応じて、電源効率が最大になるよう自動的に調整する電源装置を提供することを目的とする。

本発明における請求項１の電源装置では、負荷条件を検出する検出手段と、前記検出手段からの検出結果に基づき一定期間中の前記負荷条件を監視し、その負荷条件のうち最も検出頻度の高い最頻負荷条件を判別する監視手段と、前記最頻負荷条件で電源効率が最大となるように出力特性を調整する調整手段と、前記出力特性で負荷に電力を出力する出力手段と、出力制御部とを備え、前記調整手段により選出された出力特性を前記出力制御部に記憶させ、再起動時には、前回選出された出力特性を初期設定とするように構成する。

本発明は、電源装置の出力特性を調整することにより、負荷条件に対する電源効率のピーク値をシフトさせることができることに着目してなされたものであり、検出手段により実際に検出された負荷条件を、監視手段で監視し、調整手段により当該負荷条件に最適な出力特性となるよう自動的に調整することで、負荷条件が種々に変化しても、電源効率を最大にすることができる。また、所定の期間内で検出された負荷条件のうち検出頻度の高い最頻負荷条件で電源効率が最大となるように出力特性を調整するため、出力特性が頻繁に変更されることがなく、出力を安定させることができる。さらに、調整手段により選出された出力特性を出力制御部に記憶させ、再起動時には、前回選出された出力特性を初期設定とするように構成すれば、電源投入時から最適な出力特性となり、より損失を少なくすることができる。

本発明の請求項１によると、ユーザ側の負荷条件で電源効率を最大にすることができるため、出力損失が少なく、省エネルギーに大きく貢献することができる。また、出力特性が頻繁に変更されることがなく、出力を安定させることができる。さらに、電源投入時から最適な出力特性となり、より損失を少なくすることができる。

以下、添付図面を参照しながら、本発明における電源装置の好ましい実施例を説明する。

図１は、本実施例における電源装置１の全体構成を示したブロック図である。同図において、電源装置１は、入力端子20に接続された電力供給源としての商用交流電源２から供給される交流電力を整流することで直流供給電力を得る例えばダイオードブリッジ回路などからなる入力フィルター及び整流回路部３と、前記直流供給電力から高調波成分を取り除き昇圧する例えばアクティブフィルタ回路からなる力率改善部４と、力率改善部４の出力側に発生する直流入力電圧を所要の負荷電圧に変換して出力する例えば絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータからなる出力手段としての出力部５と、出力部５から出力される負荷電力（負荷電圧及び負荷電流）を検出する検出手段としての負荷条件検出部９と、当該負荷電力を外部に出力する出力端子21と、後述する例えばマイクロコンピュータやＤＳＰなどからなる出力制御部10とにより構成され、出力端子21にはユーザ側の仕様に応じた負荷Ｌが接続される。

負荷条件検出部９は、出力部５から出力される負荷電圧を抵抗６，７により分圧することで検出し、一方、例えばカレントトランス及び電圧変換抵抗などからなる電流検出手段８により負荷電流を検出する。これらは、出力端子21に接続されたユーザ側の負荷Ｌを特徴づける負荷条件として検出され、出力制御部10に入力される。ここで、負荷条件とは、例えば負荷電流，負荷電圧，負荷電力，位相，インピーダンスなど負荷に関する電気的な各種条件をいい、本実施例では、このうち負荷電流，負荷電圧，負荷電力を検出するようにしている。

出力制御部10は、負荷条件検出部９で検出された検出結果としての負荷条件を所定のサンプリング周期でディジタル信号（離散時間信号）に変換するＡ／Ｄ変換手段11と、Ａ／Ｄ変換手段11でディジタル信号に変換された負荷条件を監視して、最も頻度の高い最頻負荷条件を判別する負荷条件監視手段12と、最頻負荷条件で電源効率が最大となるように出力部５の出力特性を調整する出力特性調整手段13とから構成され、所謂帰還制御回路として機能し、出力部５ひいては当該負荷電力を制御する。すなわち、出力制御部10は、負荷電圧を安定させるための帰還回路として、負荷条件検出部９で検出された負荷電圧の変動に応じて、出力部５を構成するスイッチング素子のパルス導通幅を例えばＰＷＭ制御などの周知の制御方法で可変制御すると共に、Ａ／Ｄ変換手段11，負荷条件監視手段12，及び出力特性調整手段13により、接続されたユーザ側の負荷Ｌに合わせ、その負荷条件で電源装置１の効率が最大になるように出力部５ひいては当該負荷電力の出力特性を自動的に調整する。

出力制御部10を構成する負荷条件監視手段12は、ユーザ側の装置に搭載された際に、負荷条件検出部９で検出された検出結果に基づき、負荷条件を例えば電源投入時や負荷電力安定時などのある一定期間モニター（監視）し、最も頻度の高い負荷条件である最頻負荷条件を判別する。そして、最頻負荷条件と電源装置１の最大定格とから負荷率を算出する。負荷率の算出に用いる負荷条件としては、検出頻度の高いものの他に、検出した負荷条件のピーク値や平均値を用いてもよく、この場合ノイズによる検出誤差を考慮した演算手段又は回路構成を採るのが好ましい。ところで、Ａ／Ｄ変換手段11は、負荷条件検出部９で検出された負荷条件（アナログ信号）を出力制御部10で取り扱い易いディジタル信号に変換するために設けられているが、上記のように、基準値の算出に用いる負荷条件としてピーク値や平均値を用いるために、出力制御部10の入力段にピークホールド回路や平滑回路などを設けた場合には、Ａ／Ｄ変換手段11を省略してもよい。

一方、出力特性調整手段13は、負荷条件監視手段12により判別された最頻負荷条件から算出された負荷率で最大効率となるよう、出力部５の構成要素や前記スイッチング素子の発振周波数などの電源装置１自体の内部状態を変更することで、出力部５の出力特性を自動的に調整する所謂オートチューニングを行う。

例えば、予め出力制御部10に記憶された出力特性の選出対象が、図２乃至図５で示すように、負荷率２０％から負荷率８０％まで２０％刻みで最大効率をシフトさせたものであるとする。これらの選出対象には、各出力特性毎に所定の幅で適合範囲が割り付けられており、例えば負荷率２０％で最大効率となる出力特性（図２）では、当該適合範囲は負荷率０％（無負荷）〜２９％となる。従って、負荷条件監視手段11により算出された負荷率が２５％のときは、これに該当する適合範囲を有する図２の出力特性が選出されることとなる。すなわち、出力特性調整手段13は、負荷条件監視手段11により算出された負荷率で最大効率となるものを、図２乃至図５で示した出力特性から選出し、当該選出した出力特性で負荷電力が出力されるよう、出力部５ひいては電源装置１の内部状態を変更することで、電源装置１の効率を自動的に調整する。

なお、前記出力部５の構成要素としては、例えば、回路方式（トポロジー），補助電源方式，共振条件を決定している各種定数，トランス、コイルの巻き数及びインダクタンスなどがあり、これらを適宜変更することで、出力部５の出力特性を自動的に調整する。具体的に言うと、例えば、出力部５に設けられた例えばスイッチング素子やリレーなどから成る切替手段５ａに切替信号を出力することで、当該構成要素を変更する。

次に、本発明の作用について説明する。

商用交流電源２からの交流電力が、入力端子20を介して電源装置１の入力フィルター及び整流回路部３に供給されると、該入力フィルター及び整流回路部３は、当該交流電力を直流供給電力に変換する。このとき、入力フィルター及び整流回路部３の力率改善部４側には、高調波成分を含む脈動した直流供給電圧が発生する。力率改善部４では、前記直流供給電圧から高調波成分を取り除くと共に、昇圧した直流入力電圧を出力部５に出力する。出力部５では、スイッチング素子をスイッチング動作（オン・オフ動作）させて、トランスの一次巻線に前記直流入力電圧を断続的に印加することで、二次巻線側に電圧を誘起させ、整流平滑した後、出力端子21を介して負荷電圧ひいては負荷電力を負荷Ｌに出力する。なお、以上の説明は、出力部５を絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータで構成した場合についての説明である。

負荷Ｌに出力される負荷電力は、負荷条件検出部９により負荷条件として検出される。より詳細には、負荷条件検出部９は、負荷電圧を抵抗６，７により分圧することで検出し、一方、電流検出手段８では、カレントトランスで検出した負荷電流を電圧変換抵抗で電圧に変換することで検出する。検出された負荷条件は、出力制御部10を構成するＡ／Ｄ変換手段11でディジタル信号に変換され、負荷条件監視手段12でモニターされる。負荷条件監視手段12は、負荷条件検出部９からの検出結果に基づき電源投入時から一定期間中の当該負荷条件をモニターして、最も頻度の高い最頻負荷条件を判別し、当該最頻負荷条件と電源装置１の最大定格とから現在接続されている負荷Ｌに対する負荷率を算出する。

出力特性調整手段13は、負荷条件監視手段12により算出された負荷率で最大効率となる出力特性を、予め出力制御部10に記憶された出力特性の中から選出し、当該選出した出力特性で負荷電力が出力されるよう出力部５の切替手段５ａに切替信号を出力する。出力部５では、切替手段５ａにより、共振条件を決定している定数可変，発振周波数可変，補助電源方式の切り替え，トランス、コイルのインダクタンス可変などの構成要素が変更されるため、出力特性調整手段13により選出された前記出力特性で負荷Ｌに負荷電力を出力する。なお、最初の電源投入時では、ユーザ側の負荷条件が不明であるため、出力特性の初期設定を従来と同様の負荷率１００％で最大効率となるもの（図６参照）としておけばよい。また、ユーザ側で一度接続された負荷Ｌは、頻繁に取り替えられることは稀なので、出力特性調整手段13により選出された出力特性を出力制御部10に記憶させ、再起動時には、前回選出された出力特性を初期設定とするように構成すれば、電源投入時から最適な出力特性となり、より損失を少なくすることができる。

このようにして、実際接続されている負荷Ｌの負荷条件に応じて、出力部５ひいては電源装置１の内部状態を変更することで、電源装置１の効率を自動的に調整することができる。従って、電源装置１の出力損失が少なくなるように、負荷条件に応じた電源効率とすることができるため、省エネルギーに大きく貢献することができる。また、本実施例では、所定の期間内で検出された負荷条件のうち検出頻度の高い最頻負荷条件で電源効率が最大となるように出力特性を調整するため、出力特性が頻繁に変更されることがなく、出力を安定させることができる。もちろん、負荷条件を出力制御部10を構成する負荷条件監視手段12によりリアルタイム（実時間）でモニターするようにしてもよい。このようにすれば、負荷条件が種々に変化しても、電源装置１の効率を常に最大にすることができる。とりわけ、負荷変動が大きい機器を負荷Ｌとする場合には、電源装置１をリアルタイムでオートチューニングするよう構成するのが好ましい。

以上のように本実施例では、負荷Ｌの負荷条件を検出する検出手段としての負荷条件検出部９と、負荷条件検出部９からの検出結果に基づき一定期間中の前記負荷条件を監視して、最も頻度の高い最頻負荷条件を判別する監視手段としての負荷条件監視手段12と、前記最頻負荷条件で電源効率が最大となるように出力特性を調整する調整手段としての出力特性調整手段13と、前記出力特性で負荷Ｌに電力を出力する出力手段としての出力部５とを備えている。

本発明は、電源装置１の出力特性を調整することにより、負荷条件に対する電源効率のピーク値をシフトさせることができることに着目してなされたものであり、負荷条件検出部９により実際に検出された負荷条件を、負荷条件監視手段12で監視し、出力特性調整手段13により当該負荷条件に最適な出力特性となるよう自動的に調整することで、負荷条件が種々に変化しても、電源効率を最大にすることができる。また、所定の期間内で検出された負荷条件のうち検出頻度の高い最頻負荷条件で電源効率が最大となるように出力特性を調整するため、出力特性が頻繁に変更されることがなく、出力を安定させることができる。従って、ユーザ側の負荷条件で電源効率を最大にすることができるため、出力損失が少なく、省エネルギーに大きく貢献することができる。また、出力特性が頻繁に変更されることがなく、出力を安定させることができる。

なお、本発明は、上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更可能である。出力特性は効率特性に限らず、例えば伝送特性，補償時間特性など電源装置の出力に関する全ての特性に対して適用できる。例えば、電源装置１の効率を最大とする若しくはノイズを抑制するため、負荷条件検出部９に負荷Ｌのインピーダンスを計測する手段を設け、出力制御部10により電源装置１側と負荷Ｌとのインピーダンスマッチング（整合）を行うようにしてもよい。又、出力部５以外に、入力フィルター及び整流回路部３や力率改善部４にそれぞれ切替手段３ａ，４ａを設けることにより、入力フィルターや整流回路，及び力率改善回路についても、その構成を負荷条件に最適に切り換えて対応しても良い。その他、例えば、負荷電圧が所定の第一の閾値を超えて低下した場合に、出力能力を増加させ、負荷電圧が所定の第二の閾値を超えて増加した場合には、出力能力を減少させるように補助電源を切り替えるよう構成することで、負荷条件に応じて出力能力（最大定格電力）を増減するようにしてもよい。このようにすることで、ユーザ側の負荷に対する適応力をさらに向上させることができる。

また、出力制御部10を、負荷条件を検出せずに、予め設定されたタイムチャートプログラムに従って出力特性を変更するようにすることも可能である。

本発明は、電源装置であればどのようなものでも適用可能であり、出力電力も直流出力と交流出力とのどちらでもよく、出力方式として各種スイッチング電源方式が採用可能であり、さらには負荷電流を一定に制御する電流源に適用してもよい。

本発明の第１実施例における電源装置のブロック図である。同上、電源装置の出力特性が負荷率２０％で最大効率となることを示す説明図である。同上、電源装置の出力特性が負荷率４０％で最大効率となることを示す説明図である。同上、電源装置の出力特性が負荷率６０％で最大効率となることを示す説明図である。同上、電源装置の出力特性が負荷率８０％で最大効率となることを示す説明図である。従来例における電源装置の出力特性を示す説明図である。

５出力部（出力手段）
９負荷条件検出部（検出手段）
10 出力制御部
12 負荷条件監視手段（監視手段）
13 出力特性調整手段（調整手段）

Claims

負荷条件を検出する検出手段と、前記検出手段からの検出結果に基づき一定期間中の前記負荷条件を監視し、その負荷条件のうち最も検出頻度の高い最頻負荷条件を判別する監視手段と、前記最頻負荷条件で電源効率が最大となるように出力特性を調整する調整手段と、前記出力特性で負荷に電力を出力する出力手段と、出力制御部とを備え、前記調整手段により選出された出力特性を前記出力制御部に記憶させ、再起動時には、前回選出された出力特性を初期設定とするように構成することを特徴とする電源装置。