JP4578303B2 - スイッチング装置 - Google Patents

Description

本発明は、パワースイッチング素子のオン操作及びオフ操作を繰り返すスイッチング制御を行うことで、制御対象を所望とする制御量に制御する制御手段を備えるスイッチング装置に関する。

この種のスイッチング装置としては、例えば車載パワーエレクトロニクス機器において用いられるものがある。そして、この種のスイッチング装置では、例えばパルス幅変調（ＰＷＭ）制御等により、パワースイッチング素子のオン操作やオフ操作の態様を設定することで、制御対象を所望とする制御量に制御している。こうしたスイッチング装置は、制御対象が所望とする制御量となると、そのときのオン操作及びオフ操作を定常的に繰り返すこととなる。このため、オン操作の開始タイミング間の間隔やオフ操作の開始タイミング間の間隔によって作られるスイッチング周波数やそれらの高調波の周波数を有したノイズ成分だけが高いエネルギを持ってしまう。そして、高いエネルギを有するノイズ成分が、車両に搭載されたラジオ受信機等において選局されている放送局の周波数に重畳することがある。このようにノイズ成分が放送局の周波数に重畳すると、カーオーディオ等のスピーカからノイズが出力され、ユーザに不快感を生じさせる。

そこで従来は、例えば下記特許文献１，２に見られるように、スイッチング周波数の高調波が、選局された放送局の周波数帯域と所定の関係を有するように、上記スイッチング周波数を設定することも提案されている。すなわち、例えば選局された放送局の周波数と規定の周波数差を有するようにスイッチング周波数を設定することで、スピーカからノイズが出力されることを回避することができる。

ただし、こうした場合であっても、ＰＷＭ制御等によりオン操作及びオフ操作の態様が変化するときには、上記スイッチング周波数やその高調波が放送局の周波数と重なる可能性は否定できない。
特開２００２−３３５６７２号公報 特開２００３−８８１０１号公報

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、制御対象を所望とする制御量に制御するに際し、スイッチング制御に起因したノイズのピーク値を好適に低減することのできるスイッチング装置を提供することにある。

以下、上記課題を達成するための手段及びその作用効果について記載する。

手段１では、パワースイッチング素子のオン操作及びオフ操作を繰り返すスイッチング制御を行うに際し、前記オン操作の開始タイミング間の間隔、前記オフ操作の開始タイミング間の間隔及び、該いずれかの間隔に対する前記パワースイッチング素子のオン期間又はオフ期間の比であるデューティの少なくとも１つを可変制御することで、制御対象を所望とする制御量に制御する制御手段を備えるスイッチング装置において、前記可変制御を、前記オン操作の開始タイミング間の間隔及び前記オフ操作の開始タイミング間の間隔の作るスイッチング周波数が互いに重ならないようにして行なうことを特徴とする。

上記構成では、オン操作の開始タイミング間の間隔及びオフ操作の開始タイミング間の間隔の作るスイッチング周波数が互いに重ならないようにして、制御対象を所望とする制御量に制御する。これにより、スイッチング周波数が拡散されるため、スイッチング制御に起因したノイズのピーク値を好適に低減することができる。

手段２では、手段１において、前記制御手段は、前記オン操作及び前記オフ操作のいずれか一方の開始タイミング間の間隔が互いに異なる複数の間隔からなる基本パターンを繰り返すように前記パワースイッチング素子の操作態様を設定する設定する設定手段と、前記基本パターンの前記互いに異なる複数の間隔の各間隔における前記デューティを可変制御することで、前記制御対象を所望とする制御量に制御するデューティ制御手段とを備えることを特徴とする。

上記構成では、オン操作及びオフ操作のいずれか一方の開始タイミング間の間隔が基本パターンにより互いに異なるように設定される。こうした設定にて、各間隔のデューティを可変設定すると、このデューティの設定態様によっては、上記開始タイミングのうちの他方（基本パターンにより間隔を定められていない方）の作るスイッチング周波数同士が互いに重なることや、同スイッチング周波数と基本パターンの定めるスイッチング周波数とが互いに重なることがある。そして、これらが重なると、重なる周波数及びその整数倍の周波数においてノイズレベルが大きくなる。この点、上記構成では、オン操作の開始タイミング間の間隔及びオフ操作の開始タイミング間の間隔の作るスイッチング周波数が互いに重ならないとの条件でデューティを可変制御するため、開始タイミング間の間隔が重なることによるノイズレベルの増大を回避することができる。

手段３では、手段２において、前記デューティ制御手段は、前記スイッチング周波数が互いに重ならないデューティを記憶する手段を備え、該記憶されるデューティによって前記可変制御を行うことを特徴とする。

上記構成では、スイッチング周波数が互いに重ならないデューティを記憶する手段を備えるために、上記開始タイミング間の間隔の作るスイッチング周波数が互いに重ならないとの条件でデューティの可変制御を簡易に行なうことができる。

手段４では、手段２において、前記設定手段は、前記基本パターンとして互いに異なる複数個のパターンを備え、前記制御対象を所望とする制御量に制御する際に要求されるデューティに応じて前記基本パターンを切り替えることを特徴とする。

上記基本パターンによって定められた各間隔においてデューティを可変制御すると、要求されるデューティでは、上記開始タイミング間の間隔の作るスイッチング周波数が互いに重なることがある。この点、上記構成では、要求されるデューティに応じて基本パターンを切り替えるために、所定の基本パターンにおいて要求されるデューティに設定すると上記開始タイミング間の間隔の作るスイッチング周波数が互いに重なる場合には、別の基本パターンに切り替えることで上記スイッチング周波数の重なりを回避することができる。このため、上記構成によれば、上記開始タイミング間の間隔の作るスイッチング周波数が互いに重なることを好適に回避しつつ要求されるデューティに設定することができる。

手段５では、前記デューティ制御手段は、所定期間に対するオン期間の合計時間又はオフ期間の合計時間の比で表される平均のデューティを前記制御対象を所望とする制御量に制御する際に要求されるデューティとする条件下、前記オン操作及び前記オフ操作の周期のいくつかのデューティを互いに異ならしめつつ前記デューティの可変制御を行うことを特徴とする。

上記基本パターンによって定められた各間隔においてデューティを可変制御すると、要求されるデューティでは、上記開始タイミング間の間隔の作るスイッチング周波数が互いに重なることがある。この点、上記構成では、オン操作及びオフ操作の周期のいくつかのデューティを互いに異ならしめることで、上記開始タイミング間の間隔の作るスイッチング周波数が互いに重なるデューティとなることを回避することができる。しかも、上記平均のデューティを要求されるデューティとすることで、上記開始タイミング間の間隔の作るスイッチング周波数が互いに重なることを好適に回避しつつ要求されるデューティに設定することができる。

手段６では、手段２〜５のいずれかにおいて、前記デューティ制御手段は、当該スイッチング装置に対するノイズ対策の所望される周波数帯域において、前記オン操作の開始タイミング間の間隔及び前記オフ操作の開始タイミング間の間隔の作るスイッチング周波数の複数の高調波が互いに重ならないデューティにて前記デューティの可変制御を行うことを特徴とする。

上記構成では、スイッチング周波数の複数の高調波が重ならないデューティにてデューティの可変制御を行うことで、高調波が重なることによる同高調波の周波数におけるノイズレベルの増大を回避することができる。

手段７では、手段６において、前記ノイズ対策は、無線放送の電波に対してなされるものであり、前記複数の高調波が互いに重なるとは、前記無線放送の一放送局あたりのバンド幅内に前記複数の高調波が含まれることをいうことを特徴とする。

無線放送の各放送局は、所定の周波数幅（バンド幅）を有する。この点、上記構成では、上記重なりを一放送局当たりのバンド幅を用いて定義することで、各放送局の周波数内に複数の高調波が重なることを適切に排除できる。

（第１の実施形態）
以下、本発明にかかるスイッチング装置をハイブリッド車に搭載されるＤＣ−ＤＣコンバータのスイッチング装置に適用した第１の実施形態を図面を参照しつつ説明する。

図１に、上記ハイブリッド車の構成を示す。このハイブリッド車では、内燃機関２及びモータジェネレータ４の駆動力が、動力分配装置６を介してシャフト８、駆動輪１０へと伝達される。

上記モータジェネレータ４は、動力分配装置６に駆動力を付与する機能に加えて、当該車両の運転状態に応じて、動力分配装置６から付与される駆動力により発電を行なう機能も有している。モータジェネレータ４は、ＤＣ−ＤＣコンバータやインバータ、高圧バッテリを備えて構成されるパワーコントロールユニット１４と接続されている。パワーコントロールユニット１４は、モータジェネレータ４によって発電される交流電力を直流電力に変換して、蓄電する。更に、パワーコントロールユニット１４は、高圧電力を降圧してバッテリ１６に供給する。

更に、このハイブリッド車には、ラジオ受信機１８及びスピーカ１９が搭載されている。このラジオ受信機１８は、ＡＭ受信機とＦＭ受信機とを備えている。ここでＡＭ受信機は、アナログのＡＭ変調により搬送波が変調された被変調波を、検波及び復調し、スピーカ１９に音声信号として出力するものである。このＡＭ放送の周波数帯域は、例えば「５１０〜１７２０ｋＨｚ」である。一方、ＦＭ受信機は、周波数変調された被変調波を、検波及び復調し、スピーカ１９に音声信号として出力するものである。このＦＭ放送の周波数帯域は、例えば「７６〜１０８ＭＨｚ」である。

図２に、上記パワーコントロールユニット１４内のＤＣ−ＤＣコンバータ及びその制御装置（スイッチング装置）の構成を示す。

ＤＣ−ＤＣコンバータ２０は、絶縁型のＤＣ−ＤＣコンバータ２０として構成されている。すなわち、先の図１に示したモータジェネレータ４の交流電力が直流電力に変換されたものを蓄電する高圧バッテリ１５、パワースイッチング素子２６及びトランス２３のコイル２３ａの直列回路と、上記バッテリ１６に低圧電力を出力する低圧回路とによって構成されている。ここで、低圧回路においては、トランス２３のコイル２３ｂにダイオード２７及びコイル２８が直列に接続されている。また、ダイオード２７及びコイル２８間と接地との間にはダイオード２２が接続されており、コイル２８の出力側と接地との間にはコンデンサ２４が接続されている。こうした構成において、パワースイッチング素子２６のオン操作及びオフ操作を繰り返すスイッチング制御により、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０の出力が制御される。

上記スイッチング制御は、マイクロコンピュータ３０によって行なわれる。このマイクロコンピュータ３０は、中央処理装置やメモリ３２等を備えて構成されている。そして、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０の出力を取り込み、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０の出力を所望の出力に制御すべく、ドライバ４０を介してパワースイッチング素子２６のオン操作及びオフ操作を行なう（スイッチング制御を行う）。詳しくは、ドライバ４０を介してパワースイッチング素子２６に駆動パルスを出力することで、パワースイッチング素子２６のオン操作及びオフ操作を行なう。

ただし、このスイッチング制御の態様によっては、同スイッチング制御に起因して、上記受信機１８によって選局されている放送局の周波数にノイズが重畳されることがある。このスイッチング制御に起因したノイズは、スイッチング制御に起因した放射ノイズのみならず、先の図１に示すラインＬ１，Ｌ２を介して伝達されるノイズもある。すなわち、受信機１８の接地側のラインＬ１がパワーコントロールユニット１４（詳しくはＤＣ−ＤＣコンバータ２０）と接続されており、また、受信機１８とバッテリ１６とを接続するラインＬ２は、パワーコントロールユニット１４（詳しくは、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０）とも接続されているため、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０からのノイズがラインＬ１，Ｌ２を介して受信機１８に混入する。

このスイッチング制御に起因した受信機１８へのノイズの混入は、スイッチング制御にかかる周波数やその高調波が、受信機１８によって受信される放送局の周波数と重なるときに生じるものである。以下、これについて、図３〜図５に基づき説明する。

図３（ａ）は、パワースイッチング素子２６を駆動する上記駆動パルスを示している。ちなみに、この駆動パルスの立ち上がっている期間（論理「Ｈ」レベルの期間）又は立ち下がっている期間（論理「Ｌ」レベルの期間）にわたって、パワースイッチング素子２６がオン操作される。例えば、パワースイッチング素子２６がＮチャネルＭＯＳトランジスタである場合には、駆動パルスが論理「Ｈ」レベルの期間にパワースイッチング素子２６がオン操作される。また、例えばパワースイッチング素子２６がＰチャネルＭＯＳトランジスタである場合には、駆動パルスが論理「Ｌ」レベルの期間にパワースイッチング素子２６がオン操作される。なお、以下、本実施形態では、駆動パルスの論理「Ｈ」レベルの期間、パワースイッチング素子２６がオン操作される場合を例にとって説明する。

図３（ａ）では、駆動パルスの立ち上がり（オン操作の開始タイミング）間の間隔Ｔｈと、駆動パルスの立ち下がり（オフ操作の開始タイミング）間の間隔Ｔｌとが互いに等しく設定されている。このため、図３（ｂ）に示すように、これらの逆数である各スイッチング周波数ｆｈ，ｆｌが互いに等しくなるため、スイッチング周波数ｆｈ，ｆｌにおいてノイズのエネルギレベルが大きくなる（図３（ｂ）では、便宜上スイッチング周波数ｆｈ，ｆｌをわずかにずらして描いている）。このため、図３（ｃ）に示すように、スイッチング周波数ｆｈ（ｆｌ）やその高調波「ｆｈ×２，ｆｈ×３，ｆｈ×４，ｆｈ×５（ｆｌ×２，ｆｌ×３，ｆｌ×４，ｆｌ×５）」の周波数においてノイズのエネルギレベルが大きくなる。

図４に、図３（ａ）の駆動パルスにてスイッチング制御を行った場合のノイズのエネルギレベルの実験値を示す。図示されるように、実線で示すピークノイズと破線で示す平均のノイズの双方とも大きなエネルギレベルとなっている。

ここで、スイッチング周波数に起因したノイズのエネルギレベルを低減するためには、次のような制御を行うこと等が考えられる。（イ）ＰＷＭ制御において、各駆動パルスの立ち上がっている期間をランダム化する。（ロ）複数の周波数を設定してＰＷＭ制御を行う。（ハ）駆動パルスの立ち上がりエッジ及び立ち下がりエッジのタイミングが一定周期とならないように拡散させたパターンによってスイッチング制御を行う。

図５に、こうした手法にてスイッチング制御を行った場合に典型的なノイズのエネルギレベルを示す。図示されるように、上記手法にてスイッチング制御を行うことで、平均のノイズのエネルギレベルは大きく低減されている（この図５に示す実験では、先の図４に示すものと比較して平均のノイズのエネルギレベルが低減されている）。

ただし、ノイズのエネルギレベルが低減されたとはいえ、スイッチング周波数やその高調波が、受信機１８によって受信される放送局の周波数と重なるときには、スピーカ１９を介してバックノイズが出力される。もっとも、スイッチング周波数やその高調波が放送局の周波数と重ならないように設定すればバックノイズは解消されるが、こうした設定が困難なことは上述したとおりである。

そこで本実施形態では、オン操作の開始タイミング（駆動パルスの立ち上がりエッジ）間の間隔、及びオフ操作の開始タイミング（駆動パルスの立ち下がりエッジ）間の間隔が互いに異なるいくつかからなるパターンを設定する。これにより、パターン内でのスイッチング周波数の拡散を図る。そして、このパターンを周期的に繰り返すようにするとともに、このパターンの繰り返しの周期の逆数である拡散周波数を、可聴周波数以上に設定する。

図６（ａ）に、立ち上がりエッジ間の間隔及び立ち下がりエッジ間の間隔が互いに異なる３つの駆動パルスからなるパターンを例示する。ここでは、立ち上がりエッジ間の間隔Ｔｈ１〜Ｔｈ３、立ち下がりエッジ間の間隔Ｔｌ１〜Ｔｌ３の全てが互いに異なっている。このため、これら間隔Ｔｈ１〜Ｔｈ３の作るスイッチング周波数ｆｈ１〜ｆｈ３や、間隔Ｔｌ１〜Ｔｌ３の作るスイッチング周波数ｆｌ１〜ｆｌ３が互いに異なるため、図６（ｂ）に示すように、これらスイッチング周波数ｆｈ１〜ｆｈ３，ｆｌ１〜ｆｌ３が拡散される。これにより、これらに起因した平均のノイズは低減される。

ただし、このように設定したとしても、スイッチング周波数ｆｈ１〜ｆｈ３，ｆｌ１〜ｆｌ３のいずれか、又はそれらの高調波のいずれかが受信機１８によって受信されるＡＭ放送局の周波数に重なる場合には、スピーカ１９からノイズが出力される。ここで、本実施形態では、パターンの周期Ｔの逆数である拡散周波数を可聴周波数以上とする。このため、スイッチング周波数ｆｈ１〜ｆｈ３，ｆｌ１〜ｆｌ３のいずれか、又はそれらの高調波のいずれかが受信機１８によって受信されるＡＭ放送局の周波数と断続的に重なりを生じる場合であっても、重なりから次の重なりまでの間の周期の逆数は、可聴周波数以上となる。このため、最終的にスピーカ１９から出力されるノイズが可聴周波数帯内とならないため、スピーカ１９から出力される放送局の音声信号への可聴ノイズの重畳を好適に抑制することができる。

ちなみに、ここで可聴周波数以上とは、例えば「２０ｋＨｚ」以上とすればよい。これは、可聴周波数が「２０Ｈｚ〜２０ｋＨｚ」といわれていることによる。もっとも、この設定は絶対的なものではない。実際、人間の聴力には個人差があり、例えば「２０ｋＨｚ」の音波をキャッチできる人間は稀である。このため、上記拡散周波数を、例えば「１５ｋＨｚ」以上に設定しても顕著な効果が得られる。

図７（ａ）に、立ち上がりエッジ間の間隔及び立ち下がりエッジ間の間隔が互いに異なる２つの駆動パルスからなるパターンを例示する。ここでは、立ち上がりエッジ間の間隔Ｔｈ１，Ｔｈ２、立ち下がりエッジ間の間隔Ｔｌ１，Ｔｌ２の全てが互いに異なっている。そして、このパターンの周期Ｔの逆数を可聴周波数以上に設定することで、図７（ｂ）に示されるように、異なる２つの駆動パルスが可聴周波数以上の速さで切り替えられるようになる。

このように可聴周波数以上の速さで切り替えることで、図７（ｃ）に示すように、例えば上記間隔Ｔｈ２の作るスイッチング周波数ｆｈ２をＡＭラジオ放送の一ラジオ局の周波数（例えば「６００ｋＨｚ」）に一致させたとしても、スピーカ１９からの出力のうち可聴周波数帯内には、スイッチング制御に起因したノイズが混入しない。

ただし、図７（ｃ）に示す例のように、スイッチング周波数をＡＭラジオ放送帯域とする場合には、スイッチング周波数を拡散させるに際し、拡散させる各スイッチング周波数同士の周波数差を、ＡＭラジオ放送局の１局当たりの周波数幅（バンド幅）以上とする。すなわち、例えば日本のＡＭラジオ放送の１局当たりのバンド幅は「９ｋＨｚ」というように、通常、放送局には１局当たりに割り当てられるバンド幅が予め定められているため、このバンド幅以上の差を有するようにして周波数を拡散させる。これにより、たとえ受信機１８によって受信される放送局の周波数とスイッチング周波数とが一致したとしても、スイッチング周波数の全てが特定の放送局と一致することを回避することができる。このため、放送局の周波数とスイッチング周波数とが重なる場合であっても、重なりを断続的なものとすることができる。

ここで、上記拡散周波数を可聴周波数帯内で設定した場合と可聴周波数以上とした場合とでのＡＭラジオの音声信号のＦＦＴ特性評価の結果を示す。

図８（ａ）及び図８（ｂ）は、いずれも先の図７（ａ）に示したように２つの異なる駆動パルスにてスイッチング周波数を拡散させ、スピーカ１９を介して出力されるＡＭ受信機からの信号をＦＦＴ解析したものである。ただし、図８（ａ）では拡散周波数を可聴周波数帯内としているのに対し、図８（ｂ）では拡散周波数を可聴周波数以上としている。

図８（ａ）に示されるＦＦＴ解析結果では、「２．８ｋＨｚ」のところでノイズが重畳されるためにスピーカ１９から「ピー」といったノイズが出力されている。また、「９．１ｋＨｚ」のところでもノイズが重畳され、スピーカ１９から「キーン」といったノイズが出力されている。これに対し、図８（ｂ）に示す例では、可聴周波数帯内にノイズのピークがない。

このように、先の図６（ａ）や図７（ａ）に示した態様にてスイッチング制御を行うことで、スピーカ１９から可聴域のノイズが出力されることを回避することができる。ただし、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０の出力を所望とする出力に制御するためには、駆動パルスを固定とするわけには行かず、変化させることが要求される。そして、駆動パルスの可変設定態様によっては、立ち上がりエッジ間の間隔と立ち下がりエッジ間の間隔とが上述した関係を満たさなくなることがある。そして、スイッチング周波数同士が重なるようになると、スイッチング制御に際して放射されるノイズのエネルギレベルが増大する等の不都合を生じる。以下、これについて説明する。

本実施形態では、駆動パルスの立ち上がりエッジ間の間隔を互いに異なるいくつかの間隔に定める基本パターンを、先の図１に示したマイクロコンピュータ３０内のメモリ３２に記憶する。そして、立ち下がりエッジについては、デューティ（Ｄｕｔｙ）制御にて、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０の出力を所望の出力に制御するために要求されるＤｕｔｙを定めることで設定する。

ここで、図９に、駆動パルスの立ち上がりエッジ間の間隔を２つに分散させたときについて、立ち下がりエッジ間の間隔の作るスイッチング周波数とＤｕｔｙ制御との関係を示す。図９（ａ）に示すように、互いに異なる２つの間隔（間隔Ｔｈ１，Ｔｈ２）からなる基本パターンを繰り返すことで立ち上がりエッジ間の間隔を設定する場合、間隔Ｔｌ１，Ｔｌ２の作るスイッチング周波数ｆｌ１，ｆｌ２は、Ｄｕｔｙの変化に伴い図９（ｂ）に示す態様にて変化する。そして、この図９（ｂ）では、Ｄｕｔｙが「Ｘ％」のときに、立ち下がりエッジ間の間隔の作る２つのスイッチング周波数が一致する。

図１０に、駆動パルスの立ち上がりエッジ間の間隔を３つに分散させたときについて、立ち下がりエッジ間の間隔の作るスイッチング周波数とＤｕｔｙ制御との関係を示す。図１０（ａ）に示すように、互いに異なる３つの間隔（間隔Ｔｈ１’〜Ｔｈ３’）からなる基本パターンを繰り返すことで立ち上がりエッジ間の間隔を設定する場合、間隔Ｔｌ１’〜Ｔｌ３’の作るスイッチング周波数ｆｌ１’〜ｆｌ３’は、Ｄｕｔｙの変化に伴い図１０（ｂ）に示す態様にて変化する。そして、この図１０（ｂ）では、Ｄｕｔｙが「α％」のときと「β％」のときと「γ％」のときとに、立ち下がりエッジ間の間隔や立ち上がりエッジ間の間隔の作るスイッチング周波数が一致する。このため、所定のＤｕｔｙにおいては、先の図６（ｂ）に示したようにスイッチング周波数が拡散されたとしても、Ｄｕｔｙが変化することで図１１に示すようにスイッチング周波数に重なりが生じる。

更に、駆動パルスの立ち上がりエッジ間の間隔を４つに分散させたときには、スイッチング周波数が一致するＤｕｔｙは最大「９箇所」となる。ちなみに、基本パターンにおいて拡散させる上記間隔の数（スイッチング周波数の数）を増大させるほど、スイッチング周波数が一致するＤｕｔｙ値は増加する。

このように、Ｄｕｔｙ制御を行うと、設定されたＤｕｔｙによっては、スイッチング周波数が重なる場合が生じる。そこで本実施形態では、上記基本パターンとして、互いに異なる複数個（ここでは２個を例示）のパターンを備えるとともに、要求されるＤｕｔｙに応じて基本パターンを切り替えるようにする。

図１２に、本実施形態にかかるＤｕｔｙ制御態様を示す。本実施形態では、図１２（ａ）に示す基本パターン１と、図１２（ｂ）に示す基本パターン２とをマイクロコンピュータ３０内のメモリ３２に記憶しておく。ここで、メモリ３２に記憶される基本パターン１の情報は、立ち上がりエッジ間の間隔Ｔｈ１，Ｔｈとそれらの順番とである。ちなみに、基本パターン１の周期Ｔ（Ｔｈ１＋Ｔｈ２）は、可聴周波数以上に設定されている。また、メモリ３２に記憶される基本パターン２の情報は、立ち上がりエッジ間の間隔Ｔｈ１’，Ｔｈ２’，Ｔｈ３’と、それらの順番とである。ちなみに、基本パターン２の周期Ｔ’（Ｔｈ１’＋Ｔｈ２’＋Ｔｈ３’）は、可聴周波数以上に設定されている。

更に、本実施形態では、図１２（ｃ）に示す基本パターン１の使用可能なＤｕｔｙであるエリア１ａ，１ｂと、図１２（ｄ）に示す基本パターン２の使用可能なＤｕｔｙであるエリア２とを、マイクロコンピュータ３０内のメモリ３２に記憶しておく。これにより、要求されるＤｕｔｙに応じて基本パターンを切り替えることで、立ち上がりエッジ間の間隔及び立ち下がりエッジ間の間隔のそれぞれが作るスイッチング周波数が重ならないとの条件でＤｕｔｙを可変制御することができる。ちなみに、上記エリア１ａ，１ｂとエリア２との設定は、基本パターン１と基本パターン２とで上記使用可能なＤｕｔｙが重複しないとの条件で行なわれるものである。更に、上記設定は、エリア２の両端がエリア１ａ，１ｂと接しており、Ｄｕｔｙを連続的に設定可能とするとの条件で行なわれている。

上記態様にて基本パターンの設定やＤｕｔｙ制御を行なうことによって、スイッチング周波数が拡散されるため、スイッチング制御によるノイズのエネルギが特定の周波数において大きくなることを回避することができる。更に、基本パターンの周期の逆数である拡散周波数を可聴周波数以上とすることで、拡散されたスイッチング周波数又はそれらの高調波が受信機１８によって受信されている放送局と重なったとしても、スピーカ１９から出力されるノイズは可聴域とならない。

このため、本実施形態では、スイッチング周波数を、比較的低次の高調波がＡＭ放送帯域と重なることとなる長波（ＬＷ）や、ＡＭの放送帯域である中波（ＭＷ）に設定したとしても、ＡＭ放送を良好に聞くことができる。そして、このようにスイッチング周波数を比較的高周波に設定することで、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０を小型化することもできる。

以上詳述した本実施形態によれば、以下の効果が得られるようになる。

（１）オン操作及びオフ操作の開始タイミング間の間隔が互いに異なるパターンを繰り返すようにパワースイッチング素子２６を操作するとともに、このパターンの繰り返しの周期の逆数である拡散周波数を、可聴周波数以上に設定した。このように、周波数を拡散させることで、スイッチング制御に起因したノイズの平均レベルを低減させることができる。更に、拡散周波数を可聴周波数以上とすることで、最終的にスピーカ１９から出力されるノイズは可聴周波数とならないために、上記ノイズによる聴覚情報の伝達の妨害を好適に抑制することができる。

（２）駆動パルスの立ち上がりエッジ間の間隔を互いに異なる複数の間隔からなる基本パターンを繰り返すことで設定するとともに、これら互いに異なる複数の間隔の各間隔におけるＤｕｔｙを、駆動パルスのエッジの作るスイッチング周波数が互いに重ならないとの条件で可変制御した。これにより、駆動パルスのエッジ間の間隔が重なることによるノイズのエネルギレベルの増大を回避することができる。

（３）基本パターンとして、互いに異なる複数個のパターンを備えるとともに、要求されるＤｕｔｙに応じて基本パターンを切り替えるようにした。これにより、所定の基本パターンにおいて要求されるＤｕｔｙに設定するとスイッチング周波数が互いに重なる場合には、別の基本パターンに切り替えることでスイッチング周波数の重なりを回避することができる。このため、スイッチング周波数が互いに重なることを好適に回避しつつ要求されるＤｕｔｙに設定することができる。

（第２の実施形態）
以下、第２の実施形態について、先の第１の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。

先の第１の実施形態では、互いに異なる複数個のパターンを備えるとともに、要求されるＤｕｔｙに応じて基本パターンを切り替えるようにした。これに対し、本実施形態では、所定期間に対するオン期間（論理「Ｈ」期間）の合計時間又はオフ期間（論理「Ｌ」期間）の合計時間の比（パーセンテージ）で表される平均のＤｕｔｙを要求されるＤｕｔｙとする条件下、オン操作及びオフ操作の周期のいくつかのＤｕｔｙを互いに異ならしめつつＤｕｔｙの可変制御を行う。

詳しくは、本実施形態では、先の図１２（ａ）に示した基本パターン１のみを用い、基本パターン２は用いない。この場合、Ｄｕｔｙが「Ｘ％」となるときに立ち下がりエッジの作る２つのスイッチング周波数ｆｌ１，ｆｌ２が一致する。このため、本実施形態では、要求されるＤｕｔｙが「Ｘ％」のときには、図１３に示すように、基本パターン１の２周期に当たる所定期間「２×Ｔ」を制御周期Ｔｃとして、この間の平均Ｄｕｔｙが「Ｘ％」となるようにする。具体的には、制御周期Ｔｃ内における１回目の基本パターンの周期においては、Ｄｕｔｙを「（Ｘ＋α）％」とし、２回目の基本パターンの周期においては、Ｄｕｔｙを「（Ｘ−α）％」とする。これにより、Ｄｕｔｙを「Ｘ％」とすることを回避しつつも、制御周期Ｔｃにおける平均のＤｕｔｙを「Ｘ％」とすることができる。

なお、本実施形態において、要求されるＤｕｔｙが「Ｘ％」とならないときには、基本パターンの各周期間で共通のＤｕｔｙを設定するようにしてもよい。ただし、要求されるＤｕｔｙが「Ｘ％」となるときにＤｕｔｙ制御が非連続的に切り替わることを回避するために、要求されるＤｕｔｙが「Ｘ％」でないときにも制御周期Ｔｃにおける１回目の基本パターンの周期と２回目の基本パターンの周期とでＤｕｔｙを異なるように設定してもよい。すなわち、例えば、要求されるＤｕｔｙをＤＴとして、１回目の基本パターンの周期におけるＤｕｔｙを「ＤＴ＋α｛１−｜ＤＴ−Ｘ｜／１００｝」とし、２回目の基本パターンの周期におけるＤｕｔｙを「ＤＴ−α｛１−｜ＤＴ−Ｘ｜／１００｝」とするなどしてもよい。

以上説明した本実施形態によれば、先の第１の実施形態の上記（１），（２）の効果に加えて更に以下の効果が得られるようになる。

（４）制御周期Ｔｃ内の平均のＤｕｔｙを要求されるＤｕｔｙとする条件下、１回目の基本パターンの周期と２回目の基本パターンの周期とでＤｕｔｙを異なるように設定した。これにより、スイッチング周波数が互いに重なるＤｕｔｙ（上の例では「Ｘ％」）となることを回避することができる。しかも、上記平均のＤｕｔｙを要求されるＤｕｔｙとすることで、スイッチング周波数が互いに重なることを好適に回避しつつ要求されるＤｕｔｙに設定することができる。

（第３の実施形態）
以下、第３の実施形態について、先の第１の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。

本実施形態では、スイッチング周波数が互いに重ならないのみならず、ＡＭラジオ放送の周波数帯域において、スイッチング周波数の複数の高調波が重ならないＤｕｔｙにてＤｕｔｙの可変制御を行う。

ここで、重なるとは、ノイズ対策の所望される周波数帯域であるＡＭ放送帯域において、複数の高調波の周波数差がＡＭの一放送局当たりのバンド幅内となることである。すなわち、例えば日本のＡＭラジオ放送の場合、一放送局当たり「９ｋＨｚ」のバンド幅を有しているため、高調波の周波数差が「９ｋＨｚ」以内となる場合を重なると定義する。

具体的には、本実施形態では、基本パターンとしてのＮ個のパターンと、図１４に示すマップをマイクロコンピュータ３０のメモリ３２に備える。

ここで、図１４に示すマップは、各基本パターンによって定まるスイッチング周波数の高調波や、同基本パターンのもとでＤｕｔｙ制御を行ったときの駆動パルスの立ち下がりエッジ間の間隔の作るスイッチング周波数の高調波のいくつかが、ＡＭラジオ放送の周波数帯域において互いに重なることのないＤｕｔｙを、各基本パターン毎に示すものである。

ここで、実線及び破線の丸印は、いずれもスイッチング周波数の高調波が重ならないＤｕｔｙを示している。ただし、実線の丸印のみが実際に用いるＤｕｔｙである。これは、スイッチング周波数の複数の高調波がＡＭラジオ放送の周波数帯域において重ならないＤｕｔｙとなる基本パターンが複数ある場合、どの基本パターンを用いるかをマイクロコンピュータ３０で一義的に決めるための設定である。この設定においては、基本パターンを頻繁に切り替えることのないよう、同一の基本パターンで隣接するＤｕｔｙを使用可能であるときには、たとえ他に使用可能なパターンがあっても同一の基本パターンが選択されている。すなわち、例えばＤｕｔｙ「２％」で基本パターン１と基本パターンＮとが使用可能であるが、Ｄｕｔｙ「１％」で基本パターン１が選択されているため、Ｄｕｔｙ「２％」でも基本パターン１が選択されている。

以上説明した本実施形態によれば、先の第１の実施形態の上記（１），（２）の効果に加えて更に以下の効果が得られるようになる。

（５）スイッチング周波数の複数の高調波が重ならないＤｕｔｙにてＤｕｔｙの可変制御を行うことで、高調波が重なることによる同高調波の周波数におけるノイズのエネルギレベルの増大を回避することができる。

（その他の実施形態）
なお、上記各実施形態は、以下のように変更して実施してもよい。

・上記第２の実施形態では、制御周期Ｔｃを基本パターンの周期Ｔの２倍に設定したが、これに限らない。更に、上記平均のＤｕｔｙを要求されるＤｕｔｙとする条件下、パワースイッチング素子２６のオン操作及びオフ操作からなる周期のいくつかのＤｕｔｙを互いに異ならしめつつ行なうＤｕｔｙの可変制御の手法としては、基本パターン内で同一のＤｕｔｙとするものに限らない。例えば先の図１３において、一回目の基本パターンの間隔Ｔｈ１におけるＤｕｔｙと２回目の基本パターンの間隔Ｔｈ２におけるＤｕｔｙとを「（Ｘ＋α）％」とするとともに、一回目の基本パターンの間隔Ｔｈ２におけるＤｕｔｙと２回目の基本パターンの間隔Ｔｈ１におけるＤｕｔｙとを「（Ｘ−α）％」としてもよい。

・オン操作の開始タイミング間の間隔及びオフ操作の開始タイミング間の間隔の作るスイッチング周波数が互いに重ならないようにしてＤｕｔｙ制御を行う手法としては、上記各実施形態やそれらの変形例で例示したものに限らない。例えば先の図１２（ａ）に示した基本パターンについての情報と、図１２（ｃ）に示したエリア１ｂについての情報のみをマイクロコンピュータ３０に記憶し、エリア１ｂのＤｕｔｙのみでＤｕｔｙ制御を行ってもよい。

・上記各実施形態では、基本パターンによって、駆動パルスの立ち上がりエッジ間の間隔を定めたが、駆動パルスの立ち下がりエッジ間の間隔を定めてもよい。また、駆動パルスの論理「Ｌ」レベルとパワースイッチング素子２６のオン操作を対応させ、駆動パルスの論理「Ｈ」レベルとパワースイッチング素子２６のオフ操作とを対応させてもよい。

・基本パターンの設定としては、上記各実施形態やそれらの変形例で例示したものに限らない。この際、拡散周波数又はその高調波と、基本パターンの定めるスイッチング周波数又はそれらの高調波とが、当該スイッチング装置に対するノイズ対策の所望される周波数帯域において重ならないようにするなら、スイッチング制御にかかる周波数ノイズを更に拡散させることができる。

・上記各実施形態では、スイッチング制御を行う装置（スイッチング装置）に対するノイズ対策の所望される周波数帯域を、対象とするラジオ放送の周波数帯域全域（例えばＡＭ周波数帯域全域「５１０〜１７１０ｋＨｚ」）とした。このように設定することで、ユーザがいかなるＡＭラジオ放送を受信した場合であっても、同一のスイッチング制御を行ってノイズ対策を行なうことができた。しかし、上記ノイズ対策の所望される周波数帯域としては、対象とするラジオ放送の周波数帯域全域に限らない。例えば、ＡＭ周波数帯域の「５１０〜１０００ｋＨｚ」の周波数帯域と、「１０００〜１７１０ｋＨｚ」の周波数帯域とのうちのユーザによって選局されている放送局を含む方をノイズ対策の所望される周波数帯域としてもよい。そして、これら２つの周波数帯域のいずれにユーザの選局しているラジオ局があるかに応じて、スイッチング制御の態様を変更するなら、これら各周波数帯域においてスイッチング周波数やそれらの高調波が重ならない設定の実現が容易となる。すなわち、例えばＡＭ周波数帯域よりも低周波のＬＷ帯域等でスイッチング制御を行う場合、ＡＭ周波数帯域全域で高調波が重ならないような設定をすることは困難である。このため、スイッチング制御の態様（基本パターン及びＤｕｔｙ制御のパターン）を可変設定することで、各パターンの設定において高調波が重ならない設定を簡易に行なうことができる。

・スイッチング制御にかかる上記基本パターンの設定やＤｕｔｙ制御を、各ラジオ放送局の搬送波とスイッチング周波数やそれらの高調波とが重ならない態様にて行なってもよい。また、ＧＰＳ等の位置検出装置を搭載する車両においては、位置検出装置によって検出される車両の位置に基づき、受信可能な放送局の周波数を検知するとともに、該検知される放送局の周波数とスイッチング周波数やそれらの高調波とが重ならないように、スイッチング制御の態様を可変設定してもよい。こうした設定をしたとしても、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０やドライバ４０等の温度等による特性変化によりスイッチング周波数やそれらの高調波が受信可能なラジオ放送局の搬送波と重なりを生じることがあるため、拡散周波数を可聴周波数以上とすることは有効である。また、各スイッチング周波数やそれらの高調波がＡＭ周波数帯域で重ならないようにするなら、同帯域におけるノイズのエネルギレベルを好適に低減することができる。

・当該スイッチング装置に対するノイズ対策の所望される周波数信号としては、ラジオ放送局によって送信される周波数信号に限らない。例えば、製品出荷後の車両に対してオーディオＣＤ（Compact Disc）再生装置やＭＤ（Mini Disc）再生装置等のオーディオ再生装置やＤＶＤ（Digital Versatile Disc）再生装置等を搭載する場合、これらの再生対象となる媒体の有する聴覚情報をラジオ受信機１８にて受信可能な周波数信号として出力するものがある。この装置によれば、再生対象となる媒体の有する聴覚情報をラジオの周波数帯域の周波数信号として送信することで、ラジオ受信機１８にて聴覚情報が復調された後、スピーカ１９から出力されることが可能となる。しかし、この場合であっても、スイッチング周波数やそれらの高調波が上記装置の利用する周波数と重なるとスピーカ１９から可聴ノイズが出力されるおそれがある。このため、こうした周波数信号に対しても本発明の適用は有効である。ちなみに、この場合であっても、上記装置の利用する周波数に近似したラジオの一放送局当たりのバンド幅内において複数のスイッチング周波数や複数の高調波が含まれることを回避する上記設定は有効である。このため、たとえ上記装置の送信する周波数信号に対してのみノイズ対策が所望される場合であっても、同装置の利用するラジオの周波数帯域全域（例えばＡＭ放送の周波数帯域の全域）において上記各実施形態と同様にノイズ対策を行なっておいてもよい。

・パワースイッチング素子のオン操作及びオフ操作を繰り返すスイッチング制御を行うスイッチング装置によるスイッチング制御の行われるものとしては、先の図２に示したＤＣ−ＤＣコンバータ２０に限らない。例えば図１５に示すタイプの絶縁型のＤＣ−ＤＣコンバータ５０であってもよい。このＤＣ−ＤＣコンバータ５０では、高圧バッテリ５１と並列に、パワースイッチング素子５２，５３の直列接続体と、パワースイッチング素子５４，５５の直列接続体とが並列接続されている。そして、パワースイッチング素子５２とパワースイッチング素子５３との間と、パワースイッチング素子５４とパワースイッチング素子５５との間とには、コンデンサ５６とトランス５８のコイル５８ａとが接続されている。一方、トランス５８のコイル５８ｂの両端には、ダイオード５９及びダイオード６０がそれぞれ接続されている。これらダイオード５９及びダイオード６０のカソードは、ともにコイル６１に接続されている。そして、コイル６１の他方の端子は、コンデンサ６２に接続されている。また、トランス５８のコイル５８ｂのノードＮとコンデンサ６２の他方の端子とは接地されている。ちなみに、コンデンサ６２の両端子間の電圧がＤＣ−ＤＣコンバータ５０の出力となっている。

また、ＤＣ−ＤＣコンバータにも限らず、例えば図１６（ａ）に例示するインバータ７０でもよい。この図では、インバータ７０がパワーステアリングモータ８０に接続されている例を示した。このインバータ７０は、パワースイッチング素子７１，７２の直接接続体、パワースイッチング素子７３，７４の直列接続体、及びパワースイッチング素子７５，７６の直列接続体が、電源電圧と接地との間に並列接続されたものである。そして、上記各直列接続体のうち、２つのパワースイッチング素子の間（例えば、パワースイッチング素子７１とパワースイッチング素子７２との間）から、インバータの出力が取り出される。ちなみに、スイッチング制御により、ノードａの電圧は、図１６（ｂ）のように推移する。

・スイッチング周波数としては、ＡＭラジオやＬＷ帯の周波数帯域に限らず、例えばＦＭ放送の周波数帯域等でもよい。このようにいっそうの高周波にてスイッチング制御を行う際には、スイッチング周波数やそれらの高調波が、ＦＭの周波数帯域等において重なる数を問題とすることとなる。

・パワースイッチング素子のオン操作及びオフ操作を繰り返すスイッチング制御を行うことで、制御対象を所望とする制御量に制御する制御手段を備えるスイッチング装置としては、Ｄｕｔｙ制御を行うものに限らない。オン操作の開始タイミング間の間隔、オフ操作の開始タイミング間の間隔及び、該いずれかの間隔に対するオン操作時間又はオフ操作時間の比率であるデューティの少なくとも１つを可変制御するものであればよい。そして、上記可変制御を、オン操作の開始タイミング間の間隔及びオフ操作の開始タイミング間の間隔の作るスイッチング周波数が互いに重ならないようにして行なうことで、スイッチング周波数を拡散させることができる。

・その他、パワースイッチング装置としては、ハイブリッド車等の車両に搭載されるものに限らない。ただし、パワースイッチング装置を車両に搭載する場合には、スイッチング制御に起因してカーオーディオ等にノイズが混入するおそれがあるため本発明の適用は特に有効である。

第１の実施形態について、スイッチング装置が搭載されるハイブリッド車の車両の構成を示す図。 同実施形態におけるＤＣ−ＤＣコンバータの構成を示す回路図。 スイッチング制御にかかる問題点を説明するための図。 スイッチング制御によって生じたノイズの実験結果を示す図。 別のスイッチング制御によって生じたノイズの実験結果を示す図。 同実施形態にかかるスイッチング制御の態様を示す図。 同実施形態にかかるスイッチング制御の別の態様を示す図。 同実施形態にかかるスイッチング制御によるノイズの計測結果を示す図。 Ｄｕｔｙ制御の問題点を説明する図。 Ｄｕｔｙ制御の問題点を説明する図。 Ｄｕｔｙ制御の問題点を説明する図。 同実施形態におけるＤｕｔｙ制御態様を示す図。 第２の実施形態におけるＤｕｔｙ制御態様を説明する図。 第３の実施形態におけるＤｕｔｙ制御態様を説明する図。 ＤＣ−ＤＣコンバータの別の構成を例示する回路図。 スイッチング装置の適用対象となるインバータの回路図。

符号の説明

２０…ＤＣ−ＤＣコンバータ、２６…パワースイッチング素子、３０…マイクロコンピュータ。

Claims (6)

1. パワースイッチング素子のオン操作及びオフ操作を繰り返すスイッチング制御を行うに際し、前記オン操作の開始タイミング間の間隔、前記オフ操作の開始タイミング間の間隔及び、該いずれかの間隔に対する前記パワースイッチング素子のオン期間又はオフ期間の比であるデューティの少なくとも１つを可変制御することで、制御対象を所望とする制御量に制御する制御手段を備えるスイッチング装置において、
   前記制御手段は、前記オン操作及び前記オフ操作のいずれか一方の開始タイミング間の間隔が互いに異なる複数の間隔からなる基本パターンを繰り返すように前記パワースイッチング素子の操作態様を設定する設定手段と、前記基本パターンの前記互いに異なる複数の間隔の各間隔における前記デューティを可変制御することで、前記制御対象を所望とする制御量に制御するデューティ制御手段とを備え、
   前記可変制御を、前記オン操作の開始タイミング間の間隔及び前記オフ操作の開始タイミング間の間隔の作るスイッチング周波数が互いに重ならないようにして行なうことを特徴とするスイッチング装置。
2. 前記デューティ制御手段は、前記スイッチング周波数が互いに重ならないデューティを記憶する手段を備え、該記憶されるデューティによって前記可変制御を行う請求項１記載のスイッチング装置。
3. 前記設定手段は、前記基本パターンとして互いに異なる複数個のパターンを備え、前記制御対象を所望とする制御量に制御する際に要求されるデューティに応じて前記基本パターンを切り替える請求項１記載のスイッチング装置。
4. 前記デューティ制御手段は、所定期間に対するオン期間の合計時間又はオフ期間の合計時間の比で表される平均のデューティを前記制御対象を所望とする制御量に制御する際に要求されるデューティとする条件下、前記オン操作及び前記オフ操作の周期のいくつかのデューティを互いに異ならしめつつ前記デューティの可変制御を行う請求項１記載のスイッチング装置。
5. 前記デューティ制御手段は、当該スイッチング装置に対するノイズ対策の所望される周波数帯域において、前記オン操作の開始タイミング間の間隔及び前記オフ操作の開始タイミング間の間隔の作るスイッチング周波数の複数の高調波が互いに重ならないデューティにて前記デューティの可変制御を行う請求項１〜４のいずれかに記載のスイッチング装置。
6. 前記ノイズ対策は、無線放送の電波に対してなされるものであり、前記複数の高調波が互いに重なるとは、前記無線放送の一放送局あたりのバンド幅内に前記複数の高調波が含まれることをいう請求項５記載のスイッチング装置。

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