JP5194666B2

JP5194666B2 - 電源装置

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Publication number: JP5194666B2
Application number: JP2007238837A
Authority: JP
Inventors: 栄治竹上
Original assignee: Ｔｄｋラムダ株式会社
Priority date: 2007-09-14
Filing date: 2007-09-14
Publication date: 2013-05-08
Anticipated expiration: 2027-09-14
Also published as: JP2009072005A

Description

本発明は、電源部の出力平滑回路に任意の容量の出力コンデンサが取付けられる電源装置に関する。

従来のこの種の電源装置として、例えば特許文献１には、直流電源からの入力電圧を直流出力電圧に変換する電源部として、ＦＥＴなどのスイッチング素子と、このスイッチング素子のスイッチングにより、トランスを介して伝送される入力電圧が断続的に供給されるインダクタと、このインダクタに流れる電流を平滑化する出力コンデンサとを備え、インダクタと共に出力平滑回路を構成する出力コンデンサの両端間に負荷を接続することで、この負荷に出力電圧を供給するＤＣ−ＤＣコンバータが開示されている。

また、この特許文献１では、電源部の出力電圧を監視して、スイッチング素子に供給する駆動信号のパルス導通幅を決定し、電源部を制御する制御部を備えている。
特開２００５−３０４２７３号公報

従来の電源装置は、次のような問題点がある。

出力平滑回路を構成する出力コンデンサは、予め所定の静電容量を有するコンデンサ素子を電源装置の内部に実装している。これを受けて制御部も、予め設定された制御パラメータを含む所望の伝達関数を持つフィルタに基づき、出力電圧の検出レベルを入力として、最適な応答特性で所望の出力電圧が得られるような操作量を算出し、この操作量に見合うパルス導通幅の駆動信号を、スイッチング素子に供給するようになっている。

しかし、実際に電源装置を利用するに際して、負荷を流れる出力電流が急変した場合であっても、出力電圧が緩やかに変化するように、ユーザが任意の容量のコンデンサを、電源装置の外部で負荷と並列に接続する場合もあり得る。こうなると、制御部は出力コンデンサの容量が変化したのを正確に把握できないので、予め設定した制御パラメータのままでは、最適な応答特性でスイッチング素子に適切なパルス導通幅の駆動信号を供給できない懸念を生じる。

そこで本発明は、こうした問題に鑑み、出力コンデンサの容量が変動する場合であっても、制御部がこれを正しく把握することができる電源装置を提供することをその第１の目的とする。

また本発明の第２の目的は、最適な応答特性でスイッチング素子に適切なパルス導通幅の駆動信号を供給できる電源装置を提供することにある。

本発明は、上記第１の目的を達成するために、インダクタおよび出力コンデンサからなる出力平滑回路を備え、スイッチング素子のスイッチングにより、前記インダクタに入力電圧を断続的に供給すると共に、前記インダクタに流れる電流を前記出力コンデンサで平滑して、前記出力コンデンサの両端間に接続可能な負荷に出力電圧を供給する電源部と、前記出力電圧を監視して、前記スイッチング素子に供給する駆動信号のパルス導通幅を決定し、前記電源部を制御する制御部とを備えた電源装置において、前記制御部は、起動時に、前記出力電圧と前記インダクタに流れるインダクタ電流を監視し、前記出力電圧が立ち上がるときの所定期間における開始時点の前記出力電圧と終了時点の前記出力電圧との電圧値の差と、前記所定期間中の前記インダクタ電流の平均値とにより、前記出力コンデンサの容量を推定する容量推定器を備えた構成としている。

また、第１の目的を達成するために、インダクタおよび出力コンデンサからなる出力平滑回路を備え、スイッチング素子のスイッチングにより、前記インダクタに入力電圧を断続的に供給すると共に、前記インダクタに流れる電流を前記出力コンデンサで平滑して、前記出力コンデンサの両端間に接続可能な負荷に出力電圧を供給する電源部と、前記出力電圧を監視して、前記スイッチング素子に供給する駆動信号のパルス導通幅を決定し、前記電源部を制御する制御部とを備えた電源装置において、前記制御部は、前記入力電圧と前記出力電圧を監視し、所定期間後の前記入力電圧および前記出力電圧の各値と、前記駆動信号のデューティとにより、前記所定期間中の前記インダクタに流れるインダクタ電流の平均値を推定し、このインダクタ電流の平均値と、前記所定期間における前記出力電圧の変動値とにより、前記出力コンデンサの容量を推定する容量推定器を備えた構成を採用してもよい。

何れの場合も、前記制御部は、監視した前記出力電圧の検出レベルを入力として、制御パラメータを含む所望の伝達関数を持つフィルタにより、前記電源部が所望の出力電圧を生成するための操作量を算出する操作量算出部と、前記操作量に応じた前記パルス導通幅の駆動信号を、前記スイッチング素子に供給する駆動信号生成部とを備え、前記推定した前記出力コンデンサの容量に応じて、前記制御パラメータの値を可変するかまたは前記フィルタの構成を変えることで、前記伝達関数を可変する構成とするのが好ましい。

請求項１の発明によれば、例えば出力電圧の立上がり時を利用して、出力電圧とインダクタ電流を監視する容量推定器が、出力電圧が立ち上がるときの所定期間における開始時点の出力電圧と終了時点の前記出力電圧との電圧値の差と、所定期間中のインダクタ電流の平均値とを決定することで、そこから出力コンデンサの容量を推定することができる。そのため、出力コンデンサの容量が変動する場合であっても、制御部に備えた容量推定器が出力電圧とインダクタ電流を監視することで、これを正しく把握することが可能になる。

請求項２の発明によれば、例えば出力電圧の立上がり時を利用して、入力電圧と出力電圧を監視する容量推定器が、所定期間後の入力電圧および出力電圧の各値と、スイッチング素子に供給した駆動信号のデューティとにより、所定期間中のインダクタ電流の平均値を推定し、この所定期間中のインダクタ電流の平均値と、所定期間における出力電圧の変動値とを決定することで、そこから出力コンデンサの容量を推定することができる。そのため、出力コンデンサの容量が変動する場合であっても、制御部に備えた容量推定器が入力電圧と出力電圧を監視することで、これを正しく把握することが可能になる。

請求項３の発明によれば、推定した出力コンデンサの容量に応じて、操作量算出部に記憶される制御パラメータの値を可変するかまたはフィルタの構成を変えることで、伝達関数を適切に変更することができるので、この制御パラメータを含む所望の伝達関数を持つフィルタから算出された操作量を受けて、駆動信号生成部が最適な応答特性でスイッチング素子に適切なパルス導通幅の駆動信号を供給することが可能になる。

以下、本発明における電源装置の好ましい一実施形態について、添付図面を参照しながら詳細に説明する。

同図において、１は電源装置の入力端子２Ａ，２Ｂ間に直流入力電圧Ｖｉを供給する直流電源、３はこの入力電圧Ｖｉを出力電圧Ｖｏに変換して、出力端子４Ａ，４Ｂ間から負荷５に供給する電源部である。なお、ここでの負荷５は、一定の出力電流Ｉｏを発生する電流源として等価的に示されている。

電源部３は、入力電圧Ｖｉよりも低い出力電圧Ｖｏを負荷５に供給する非絶縁の降圧型コンバータとして、整流および転流用の各スイッチング素子１１，１２と、これらの各スイッチング素子１１，１２のスイッチングにより生じる電流を平均化する出力平滑回路としてのチョークコイル１３および出力コンデンサ１４と、を備えている。そして、各スイッチング素子１１，１２には後述するＰＷＭ信号発生器２４からのパルス駆動信号が交互に与えられ、整流用スイッチング素子１１がオン，転流用スイッチング素子１２がオフしている時には、入力電圧Ｖｉと出力電圧Ｖｏとの差電圧がチョークコイル１３に印加され、直流電源１から整流用スイッチング素子１１を通してチョークコイル１３や負荷５に電力が供給されると共に、整流用スイッチング素子１１がオフ，転流用スイッチング素子１２がオンしている時には、チョークコイル１３の両端間電圧が出力電圧Ｖｏと等しくなり、それまでチョークコイル１３に蓄えられていたエネルギーが、出力コンデンサ１４および負荷５に送り出される。こうして、各スイッチング素子１１，１２のスイッチングにより、インダクタであるチョークコイル１３に入力電圧Ｖｉが断続的に供給され、当該チョークコイル１３がエネルギーの蓄積と放出を繰り返すと共に、チョークコイル１３に流れるインダクタ電流ｉＬが出力コンデンサ１４で平滑され、この出力コンデンサ１４の両端間に接続した負荷５に、出力電圧Ｖｏが供給されるようになっている。

２１は、電源部３の動作を制御する制御部としてのディジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）である。このＤＳＰ２１は、Ａ／Ｄ変換器２２と、ＰＷＭ（パルス幅変調）制御器２３と、ＰＷＭ信号発生器２４と、容量推定器２５と、キャリア波生成手段２６とを内蔵している。Ａ／Ｄ変換器２２は、アナログ信号である入力端子４Ａ，４Ｂ間に発生する出力電圧Ｖｏの他に、入力端子２Ａ，２Ｂ間に発生する入力電圧Ｖｉであるか、さもなければインダクタ電流ｉＬの何れかを、ＤＳＰ２１の内部で処理可能なディジタル信号に変換するものである。ＰＷＭ制御器２３は、出力電圧Ｖｏに応じたＡ／Ｄ変換器２２からのディジタル検出信号と、図示しない基準電源で生成された基準電圧Ｖrefとを入力として、内蔵する一乃至複数の制御パラメータを含む所望の伝達関数を持つフィルタ（図示せず）により、電源部３が所望の出力電圧Ｖｏを生成するための操作量ｕを算出する操作量算出部としての機能を備えている。駆動信号生成部としてのＰＷＭ信号発生器２４は、前記ＰＷＭ制御器２３で算出された操作量ｕと、キャリア波生成手段２６で生成される固定周期の鋸波との比較により、操作量ｕに応じたパルス導通幅の駆動信号をそれぞれ生成して、これをスイッチング素子１１，１２のゲートに供給するものである。

容量推定器２５は、Ａ／Ｄ変換器２２で得られた出力電圧Ｖｏやインダクタ電流ｉＬの各ディジタル検出信号から、所定期間ΔＴにおける出力電圧Ｖｏの変動値ΔＶｏと、所定期間ΔＴ中のインダクタ電流ｉＬの平均値ｉＬaveとを決定することで、出力コンデンサ１４の容量を推定するものである。この場合に容量推定器２５は、出力電圧Ｖｏの電圧レベルと、インダクタ電流ｉＬの電流レベルを監視する機能を必要とする。

また別な例として、容量推定器２５は、所定期間ΔＴ後の入力電圧Ｖｉおよび出力電圧Ｖｏの各値と、所定期間ΔＴ中における駆動信号のデューティの平均値とにより、所定期間ΔＴ中のインダクタ電流ｉＬの平均値ｉＬaveを推定し、この推定したインダクタ電流ｉＬの平均値ｉＬaveと、所定期間ΔＴにおける出力電圧Ｖｏの変動値ΔＶｏとにより、出力コンデンサ１４の容量を推定する構成としてもよい。この場合に容量推定器２５は、入力電圧Ｖｉの電圧レベルと、出力電圧Ｖｏの電圧レベルを監視する機能を必要とするが、インダクタ電流ｉＬの電流レベルを監視する必要はない。また、駆動信号のデューティは、ＰＷＭ制御器３３で算出された操作量ｕと、キャリア波生成手段３５から発生する鋸波の振幅の各情報を容量推定器２５が取り込めば、容易に導くことができる。

そして上記何れの場合も、容量推定器２５が出力コンデンサ１４の容量を推定すると、この推定した結果に基づき、制御系の定数としてＰＷＭ制御器２３に記憶された制御パラメータの値を書き替えるかまたはフィルタの構成を変えることで、伝達関数を可変することで、出力コンデンサ１４の容量変動に対応して制御系を最適化できるようになっている。

なお、電源部３の変形例として、図１では非絶縁の降圧型コンバータの回路構成を示しているが、他の非絶縁または絶縁型のコンバータを採用してもよい。例えば絶縁型のコンバータとして、フォワード型，プッシュ・プル型，ハーフブリッジ型，フルブリッジ型など、各種回路構成の電源部３を代わりに用いることが可能である。

次に、上記構成における作用を説明する。先ず、定常時における電源部３の動作を説明すると、各スイッチング素子１１，１２には後述するＰＷＭ信号発生器２４からのパルス駆動信号が交互に与えられ、整流用スイッチング素子１１がオン，転流用スイッチング素子１２がオフしている時には、入力電圧Ｖｉと出力電圧Ｖｏとの差電圧がチョークコイル１３に印加され、直流電源１から整流用スイッチング素子１１を通してチョークコイル１３や負荷５に電力が供給されると共に、整流用スイッチング素子１１がオフ，転流用スイッチング素子１２がオンしている時には、チョークコイル１３の両端間電圧が出力電圧Ｖｏと等しくなり、それまでチョークコイル１３に蓄えられていたエネルギーが、出力コンデンサ１４および負荷５に送り出される。

一方、電源装置の起動時における動作を、図２の波形図を参照しながら説明する。この図２には、電源装置の起動直後における出力電圧Ｖｏと、インダクタ電流ｉＬと、操作量ｕの電圧レベルがそれぞれ示されている。

電源装置を起動させるために、入力端子２Ａ，２Ｂ間に直流入力電圧Ｖｉが供給され、ＤＳＰ２１としての動作が開始すると、図２に示すような操作量ｕが、ＰＷＭ制御器２３からＰＷＭ信号発生器２４に与えられる。これを受けてＰＷＭ信号発生器２４は、ＰＷＭ制御器２３からの操作量ｕの電圧レベルが、キャリア波生成手段２６で生成される鋸波の電圧レベルを越えると、整流用スイッチング素子１１がオンし、転流用スイッチング素子１２がオフするようなパルス駆動信号を生成出力し、逆に操作量ｕの電圧レベルが、キャリア波生成手段２６からの鋸波の電圧レベルを越えない場合は、整流用スイッチング素子１１がオフし、転流用スイッチング素子１２がオンするようなパルス駆動信号を生成出力する。これにより、チョークコイル１３を通して出力コンデンサ１４に充電電流が流れ、チョークコイル１３に一定のインダクタ電流ｉＬが流れると共に、出力コンデンサ１４の両端間電圧すなわち出力電圧Ｖｏが徐々に上昇する。

ここで容量推定器２５は、出力電圧Ｖｏが一方的に上昇している所定期間ΔＴ中に、Ａ／Ｄ変換器２２を通じて出力電圧Ｖｏやインダクタ電流ｉＬの各ディジタル検出信号を取り込み、所定期間ΔＴの開始時点と終了時点における各出力電圧Ｖｏの差から求められる出力電圧Ｖｏの変動値ΔＶｏと、所定期間ΔＴ中に取り込んだ各インダクタ電流ｉＬの平均値ｉＬaveとをそれぞれ算出し、次の式によって出力コンデンサ１４の容量Ｃを推定する。

なお、上記式において、インダクタ電流ｉＬの平均値ｉＬaveを算出決定する代わりに、実際の出力コンデンサ１４への充電電流を、インダクタ電流ｉＬと出力電流Ｉｏとの差から算出してもよい。その場合の出力コンデンサ１４の容量Ｃは、次の式で推定できる。

この場合は、所定期間ΔＴにおいて、容量推定器２５がインダクタ電流ｉＬと出力電流Ｉｏをそれぞれ監視できるように、インダクタ電流ｉＬと出力電流Ｉｏの各ディジタル検出信号をＡ／Ｄ変換器２２から容量推定器２５に送り出せばよい。

また上述した容量推定器２５の別な例では、出力電圧Ｖｏが一方的に上昇している所定期間ΔＴ中に、Ａ／Ｄ変換器２２を通じて入力電圧Ｖｉと出力電圧Ｖｏの各ディジタル検出信号を取り込む。それと共に容量推定器２５は、ＰＷＭ制御器３３で算出された操作量ｕと、キャリア波生成手段３５から発生する鋸波の振幅の各情報を取り込み、所定期間ΔＴ中における駆動信号のデューティＤの平均値Ｄaveを算出する。ここでのデューティＤは、鋸波の一周期ひいては各スイッチング素子１１，１２に供給するパルス駆動信号の一周期に対する整流用スイッチング素子１１のオン期間の時比率である。そして、この場合の容量推定器２５は、次の式によってインダクタ電流ｉＬを直接監視することなく、その平均値ｉＬaveを算出決定する。

上記数３によってインダクタ電流ｉＬの平均値ｉＬaveを算出できれば、後は数１の関係式を用いて、容量推定器２５が出力コンデンサ１４の容量Ｃを推定することができる。

こうして、容量推定器２５が出力コンデンサ１４の容量Ｃを推定すると、この推定した結果がＰＷＭ制御器２３に送り出される。ＰＷＭ制御器２３は、容量推定器２５で推定された出力コンデンサ１４の容量Ｃに応じて、制御パラメータを最適な値に書き替えるかまたはフィルタの構成を変えることで、伝達関数を可変し、以後定常時には、この制御パラメータを含む所望の伝達関数を持つフィルタによって、出力電圧Ｖｏが安定化する操作量ｕを算出する。

以上のように本実施例では、チョークコイル１３および出力コンデンサ１４からなる出力平滑回路を備え、スイッチング素子１１，１２のスイッチングにより、チョークコイル１３に入力電圧Ｖｉを断続的に供給すると共に、チョークコイル１３に流れるインダクタ流ｉＬを出力コンデンサ１４で平滑して、この出力コンデンサ１４の両端間に接続可能な負荷５に出力電圧Ｖｏを供給する電源部３と、出力電圧Ｖｏを監視してすることにより、スイッチング素子１１，１２に供給する駆動信号のパルス導通幅を決定し、電源部３を制御する制御部としてのＤＳＰ２１を備えた電源装置において、ＤＳＰ２１は、出力電圧Ｖｏとチョークコイル１３に流れるインダクタ電流ｉＬを監視し、所定期間ΔＴにおける出力電圧Ｖｏの変動値ΔＶｏと、所定期間ΔＴ中のインダクタ電流ｉＬの平均値ｉＬaveとにより、出力コンデンサ１４の容量を推定する容量推定器２５を備えている。

こうすると、例えば出力電圧Ｖｏの立上がり時を利用して、出力電圧Ｖｏとインダクタ電流ｉＬを監視する容量推定器２５が、所定期間ΔＴにおける出力電圧Ｖｏの変動値ΔＶｏと、所定期間ΔＴ中のインダクタ電流ｉＬの平均値ｉＬaveとを決定することで、そこから出力コンデンサ１４の容量を推定することができる。そのため、ユーザ側で出力コンデンサ１４の容量を変動させた場合であっても、ＤＳＰ２１に備えた容量推定器２５が出力電圧Ｖｏとインダクタ電流ｉＬを監視することで、これを正しく把握することが可能になる。

また別な例として、容量推定器２５は、入力電圧Ｖｉと出力電圧Ｖｏを監視し、所定期間ΔＴ後の入力電圧Ｖｉおよび出力電圧Ｖｏの各値と、駆動信号のデューティＤの平均値Ｄaveとにより、所定期間ΔＴ中のチョークコイル１３に流れるインダクタ電流ｉＬの平均値ｉＬaveを推定し、このインダクタ電流ｉＬの平均値ｉＬaveと、所定期間ΔＴにおける出力電圧Ｖｏの変動値ΔＶｏとにより、出力コンデンサ１４の容量を推定する構成であってもよい。

この場合は、例えば出力電圧Ｖｏの立上がり時を利用して、入力電圧Ｖｉと出力電圧Ｖｏを監視する容量推定器２５が、所定期間ΔＴ後の入力電圧Ｖｉおよび出力電圧Ｖｏの各値と、スイッチング素子１１，１２に供給した駆動信号のデューティＤの平均値Ｄaveとにより、所定期間ΔＴ中のインダクタ電流ｉＬの平均値ｉＬaveを推定し、この所定期間ΔＴ中のインダクタ電流ｉＬの平均値ｉＬaveと、所定期間ΔＴにおける出力電圧Ｖｏの変動値ΔＶｏとを決定することで、そこから出力コンデンサ１４の容量を推定することができる。そのため、出力コンデンサ１４の容量が変動する場合であっても、ＤＳＰ２１に備えた容量推定器２５が入力電圧Ｖｉと出力電圧Ｖｏを監視することで、これを正しく把握することが可能になる。

またＤＳＰ２１は、監視した出力電圧Ｖｏの検出レベルを入力として、制御パラメータを含む所望の伝達関数を持つフィルタにより、電源部３が所望の出力電圧Ｖｏを生成するための操作量ｕを算出する操作量算出部としてのＰＷＭ制御器２３と、操作量ｕに応じた前記パルス導通幅の駆動信号を、スイッチング素子１１，１２に供給する駆動信号生成部としてのＰＷＭ信号発生器２４を備え、推定した出力コンデンサ１４の容量に応じて、制御パラメータの値を可変するかまたは前記フィルタの構成を変えることで、伝達関数を可変する構成としている。

こうすると、推定した出力コンデンサ１４の容量に応じて、ＰＷＭ制御器２３に記憶される制御パラメータの値を可変するかまたはフィルタの構成を変えることで、伝達関数を適切に変更することができるので、この制御パラメータを含む所望の伝達関数を持つフィルタから算出された操作量ｕを受けて、ＰＷＭ信号発生器２４が最適な応答特性でスイッチング素子１１，１２に適切なパルス導通幅の駆動信号を供給することが可能になる。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲において種々の変形実施が可能である。図１に示す電源装置の回路構成はあくまでも一例に過ぎず、同等の機能を実現する別な回路構成を採用してもよいことは勿論である。例えば、ＤＳＰ２１に代わって、アナログ信号をそのまま演算処理する制御部を用いてもよい。

本発明の一実施形態における電源装置の回路構成図である。図１の回路構成における起動直後の各部の動作波形図である。

符号の説明

３電源部
１１，１２スイッチング素子
１３チョークコイル（インダクタ）
１４出力コンデンサ
２１制御部（ＤＳＰ）
２３ＰＷＭ制御器（操作量算出部）
２４ＰＷＭ信号発生器（駆動信号生成部）
２５容量推定器

Claims

インダクタおよび出力コンデンサからなる出力平滑回路を備え、スイッチング素子のスイッチングにより、前記インダクタに入力電圧を断続的に供給すると共に、前記インダクタに流れる電流を前記出力コンデンサで平滑して、前記出力コンデンサの両端間に接続可能な負荷に出力電圧を供給する電源部と、
前記出力電圧を監視して、前記スイッチング素子に供給する駆動信号のパルス導通幅を決定し、前記電源部を制御する制御部とを備えた電源装置において、
前記制御部は、起動時に、前記出力電圧と前記インダクタに流れるインダクタ電流を監視し、前記出力電圧が立ち上がるときの所定期間における開始時点の前記出力電圧と終了時点の前記出力電圧との電圧値の差と、前記所定期間中の前記インダクタ電流の平均値とにより、前記出力コンデンサの容量を推定する容量推定器を備えたことを特徴とする電源装置。
インダクタおよび出力コンデンサからなる出力平滑回路を備え、スイッチング素子のスイッチングにより、前記インダクタに入力電圧を断続的に供給すると共に、前記インダクタに流れる電流を前記出力コンデンサで平滑して、前記出力コンデンサの両端間に接続可能な負荷に出力電圧を供給する電源部と、
前記出力電圧を監視して、前記スイッチング素子に供給する駆動信号のパルス導通幅を決定し、前記電源部を制御する制御部とを備えた電源装置において、
前記制御部は、前記入力電圧と前記出力電圧を監視し、所定期間後の前記入力電圧および前記出力電圧の各値と、前記駆動信号のデューティとにより、前記所定期間中の前記インダクタに流れるインダクタ電流の平均値を推定し、このインダクタ電流の平均値と、前記所定期間における前記出力電圧の変動値とにより、前記出力コンデンサの容量を推定する容量推定器を備えたことを特徴とする電源装置。
前記制御部は、監視した前記出力電圧の検出レベルを入力として、制御パラメータを含む所望の伝達関数を持つフィルタにより、前記電源部が所望の出力電圧を生成するための操作量を算出する操作量算出部と、
前記操作量に応じた前記パルス導通幅の駆動信号を、前記スイッチング素子に供給する駆動信号生成部とを備え、
前記推定した前記出力コンデンサの容量に応じて、前記制御パラメータの値を可変するかまたは前記フィルタの構成を変えることで、前記伝達関数を可変する構成としたことを特徴とする請求項１または２記載の電源装置。