JP5217212B2 - Boost chopper - Google Patents
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Description
本発明は、電流負荷や電力負荷に直流電力を供給する昇圧チョッパに関し、詳しくは、入力インピーダンスが存在する場合にも安定した動作を可能とした昇圧チョッパに関するものである。 The present invention relates to a boost chopper that supplies DC power to a current load or a power load, and more particularly to a boost chopper that enables stable operation even when an input impedance exists.
従来、直流電源から昇圧チョッパを介して負荷に電力を供給している装置において、昇圧チョッパの入力電圧が低下した時には、昇圧チョッパを構成する半導体スイッチング素子の通流率を増加させることによって昇圧チョッパの出力電圧の低下を防ぎ、出力電圧を一定に保つことが行われている。
しかし、直流電源と昇圧チョッパとの間の距離が長く、その間の配線に起因する入力インピーダンスがある場合には、昇圧チョッパの通流率を増加させても出力電圧を所望の値に制御できないことがある。
Conventionally, in a device that supplies power from a DC power supply to a load via a boost chopper, when the input voltage of the boost chopper decreases, the boost chopper is increased by increasing the conduction ratio of the semiconductor switching elements that constitute the boost chopper. The output voltage is prevented from decreasing and the output voltage is kept constant.
However, if the distance between the DC power supply and the boost chopper is long and there is an input impedance due to the wiring between them, the output voltage cannot be controlled to the desired value even if the boost chopper duty factor is increased. There is.
例えば、図3は、入力インピーダンスがある場合の昇圧チョッパの回路図を示している。
図3において、100は直流電源、200は配線等による入力インピーダンス、300は昇圧チョッパ、301はインダクタ、302は半導体スイッチング素子、303はダイオード、304は平滑コンデンサ、400は負荷である。
For example, FIG. 3 shows a circuit diagram of the boost chopper when there is an input impedance.
In FIG. 3, 100 is a DC power source, 200 is an input impedance due to wiring, 300 is a step-up chopper, 301 is an inductor, 302 is a semiconductor switching element, 303 is a diode, 304 is a smoothing capacitor, and 400 is a load.
いま、直流電源電圧をVbatt、入力インピーダンス200の大きさをZin、昇圧チョッパ300の入力電圧をVin、出力電圧をVout、入力電流をIin、出力電流をIout、スイッチング素子302の通流率(ON期間の割合)をdとしたときの、出力電圧Voutと入力電圧Vinとの関係を数式1に、直流電源電圧Vbattと入力電圧Vinとの関係を数式2に、昇圧チョッパ300の効率ηを1(100%)と仮定した場合の昇圧チョッパ300の入力電力と出力電力との関係を数式3に示す。
Now, the DC power supply voltage is V batt , the magnitude of the
数式1〜3を整理すると、昇圧チョッパ300の出力電圧Voutと通流率dとの関係は数式4となる。
When
数式4の例として、直流電源電圧Vbatt=10V、入力インピーダンスZin=0.1Ωとし、出力電流Ioutを2A,4A,6Aと変化させた場合の通流率dと出力電圧Voutとの関係を図4に示す。
この図4によれば、入力インピーダンスZinがある場合には、昇圧チョッパ300の通流率dを増加させても出力電圧Voutが単調には増加しなくなる領域があり、特に、出力電流Ioutが大きくなるにつれて、その傾向が顕著になることが分かる。
As an example of Equation 4, the DC power supply voltage V batt = 10V, the input impedance Z in = 0.1Ω, and the output ratio I and the output voltage V out when the output current I out is changed to 2A, 4A, and 6A. The relationship is shown in FIG.
According to FIG. 4, when there is an input impedance Z in, there is a region in which the output voltage V out does not increase monotonously even if the conduction ratio d of the
なお、下記の非特許文献1には、直流電源とブースタ(昇圧チョッパ)との間の配線による入力インピーダンスの影響を緩和するためにブースタの入力電圧に応じて負荷を制限する技術が開示されている。
また、特許文献1には、電源ケーブルを介して制御電源を供給する際に電源ケーブルによるインピーダンスによって電圧降下が生じるため、この電圧降下分を考慮して供給電圧を高く調整するようにしたモータ制御装置が記載されている。
The following
Further, in
図3、図4に示したように、直流電源と昇圧チョッパとの間に入力インピーダンスがあり、しかも負荷電流が大きい場合には、昇圧チョッパの通流率を増加させても所望の出力電圧が得られないだけでなく、通流率と出力電圧との関係が単調増加ではなくなるため昇圧チョッパの動作が不安定になり、機器が損傷するおそれもあった。 As shown in FIGS. 3 and 4, when there is an input impedance between the DC power supply and the boost chopper, and the load current is large, the desired output voltage can be obtained even if the conduction ratio of the boost chopper is increased. In addition to being not obtained, the relationship between the conduction rate and the output voltage does not increase monotonously, so that the operation of the step-up chopper becomes unstable and the equipment may be damaged.
なお、前述した特許文献1や非特許文献1には、昇圧チョッパの通流率を制御することによって回路動作を安定化させる着想は開示されていない。
Note that
そこで、本発明の解決課題は、入力インピーダンスがある場合にも安定した動作を可能にして所望の電圧を出力させるようにした昇圧チョッパを提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a step-up chopper that enables a stable operation and outputs a desired voltage even when there is an input impedance.
上記課題を解決するために、請求項1に係る発明は、半導体スイッチング素子のオン・オフにより、直流電源電圧を昇圧して負荷に供給する昇圧チョッパにおいて、
前記昇圧チョッパの入力電圧を検出する手段、出力電圧を検出する手段、及び入力電流を検出する手段と、前記入力電圧及び入力電流の変化から、直流電源と前記昇圧チョッパとの間の配線による入力インピーダンスを演算する手段と、前記出力電圧が所望の値になるように前記スイッチング素子の通流率を演算する手段と、前記直流電源電圧、前記昇圧チョッパの出力電流の設定された最大値、及び、演算された前記入力インピーダンスを用いて前記通流率を制限する手段と、を備えたものである。
In order to solve the above-described problem, the invention according to
Means for detecting the input voltage of the step-up chopper, means for detecting the output voltage, means for detecting the input current, and input by wiring between the DC power source and the step-up chopper based on changes in the input voltage and input current Means for calculating impedance, means for calculating a conduction ratio of the switching element so that the output voltage becomes a desired value, the DC power supply voltage, a set maximum value of the output current of the boost chopper, and And means for limiting the conduction rate using the calculated input impedance.
請求項2に係る発明は、請求項1において、前記通流率を制限する手段において用いられる前記直流電源電圧を既知の定数としたものである。 According to a second aspect of the present invention, in the first aspect, the DC power supply voltage used in the means for limiting the conduction ratio is a known constant.
請求項3に係る発明は、請求項1において、前記通流率を制限する手段において用いられる前記直流電源電圧を、前記入力電圧、入力電流、及び、演算された前記入力インピーダンスを用いて演算する手段を備えたものである。
The invention according to
本発明によれば、直流電源と昇圧チョッパとの間に入力インピーダンスがあり、しかも負荷電流が大きい場合であっても、入力電圧及び入力電流の関係から演算した入力インピーダンスと直流電源電圧等を用いて、出力電圧が単調増加するように通流率を制限することにより、昇圧チョッパの動作を安定化させて所望の電圧を出力させると共に、機器の損傷を防止することができる。 According to the present invention, even when there is an input impedance between the DC power supply and the boost chopper and the load current is large, the input impedance calculated from the relationship between the input voltage and the input current, the DC power supply voltage, etc. are used. Thus, by limiting the conduction rate so that the output voltage monotonously increases, the operation of the step-up chopper can be stabilized to output a desired voltage, and damage to the device can be prevented.
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図1は、本発明の第1実施形態を示す回路図である。
図1において、12は直流電源、13は入力インピーダンス(その大きさをZinとする)、300Aは昇圧チョッパ、14は直流電力が供給される負荷である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a circuit diagram showing a first embodiment of the present invention.
In FIG. 1, 12 is a DC power supply, 13 is an input impedance (the magnitude is Z in ), 300A is a boost chopper, and 14 is a load to which DC power is supplied.
昇圧チョッパ300Aは、その主回路内に、抵抗の直列回路からなる入力電圧検出器6と、入力電流検出器7と、正極側に接続されたインダクタ1と、ダイオード3と、ダイオード3のアノードと負極との間に接続された半導体スイッチング素子2と、ダイオード3のカソードと負極との間に接続された平滑コンデンサ4と、平滑コンデンサ4の両端に接続された抵抗の直列回路からなる出力電圧検出器5とを備えている。
The step-
更に、スイッチング素子2のオン・オフを制御する制御回路として、入力電圧検出器6及び入力電流検出器7による各検出値が入力されて入力インピーダンスを演算する入力インピーダンス演算部10と、入力電圧検出器6及び出力電圧検出器5による各検出値が入力されて出力電圧が所望の値になるようにスイッチング素子2の通流率を演算する通流率演算部8と、この演算部8から出力される通流率を入力インピーダンス演算部10の出力を用いて制限する通流率制限部11と、この制限部11を経た通流率に従ってスイッチング素子2のオン・オフ指令を演算するPWM演算部9とが設けられている。
Further, as a control circuit for controlling on / off of the
次に、この実施形態の動作を説明する。
一般に、インダクタ1、スイッチング素子2、ダイオード3及び平滑コンデンサ4からなる昇圧チョッパ回路では、数式1に示したように入力電圧Vinと出力電圧Voutとの関係は通流率dにより変化する。但し、入力インピーダンス13(Zin)がある場合には、図4に示した如く、通流率dを増加させても出力電圧Voutが単調には増加しない領域がある。
Next, the operation of this embodiment will be described.
In general, in a step-up chopper circuit composed of an
ここで、前述の数式4の右辺をdについて微分した結果を0とおくと、
2ZinIout(1−d)―3=Vbatt(1−d)―2
となり、この数式からdを求めると、
d=1−(2ZinIout/Vbatt)
となる。
すなわち、上記のdは、図4における出力電圧Voutが極大値をとるときの通流率であるから、通流率dをこの値以下に制限すれば、通流率dに応じて出力電圧Voutが単調増加するような関係を得ることができる。
従って、数式5が得られる。
Here, if the result obtained by differentiating the right side of Equation 4 with respect to d is 0,
2Z in I out (1-d) −3 = V batt (1-d) −2
When d is obtained from this mathematical formula,
d = 1− (2Z in I out / V batt )
It becomes.
That is, the above d is a conduction ratio when the output voltage Vout in FIG. 4 takes a maximum value. Therefore, if the conduction ratio d is limited to this value or less, the output voltage depends on the conduction ratio d. A relationship in which V out increases monotonously can be obtained.
Therefore, Formula 5 is obtained.
この昇圧チョッパの出力電流Ioutの最大値をImaxとすると、昇圧チョッパが安定して動作する通流率dの範囲は、数式6となる。 Assuming that the maximum value of the output current I out of the boost chopper is I max , the range of the conduction ratio d at which the boost chopper operates stably is expressed by Equation 6.
一方、入力インピーダンスZinは、ある時間t1における入力電圧検出器6の検出値Vin1及び入力電流検出器7の検出値Iin1と、別の時間t2における入力電圧検出器6の検出値Vin2及び入力電流検出器7の検出値Iin2とを用いて、数式7により求めることができる。図1の入力インピーダンス演算部10では、この数式7を用いて入力インピーダンスZinを演算している。
On the other hand, the input impedance Z in is equal to the detected value V in1 of the input voltage detector 6 and the detected value I in1 of the
通流率制限部11では、通流率演算部8により前記数式1に従って演算される通流率dを、上記入力インピーダンスZinと、既知である直流電源電圧Vbatt及び出力電流最大値Imaxとにより、前記数式6に従って制限する。
これにより、図1のように入力インピーダンスがあり、しかも出力電流Ioutが大きい場合であっても、入力電圧Vin及び入力電流Iinの関係から演算した入力インピーダンスZinを用いて通流率dを制限すれば、通流率dと出力電圧Voutとの関係を単調増加関係にすることができ、昇圧チョッパ300Aを安定して動作させることができる。
In the duty
Thus, there is the input impedance as shown in FIG. 1, yet even when the output current I out is large, the duty ratio using an input impedance Z in computed from the relationship between the input voltage V in and the input current I in If d is limited, the relationship between the duty ratio d and the output voltage Vout can be monotonically increasing, and the
次に、図2は本発明の第2実施形態を示す回路図である。
この実施形態の昇圧チョッパ300Bが第1実施形態と異なるのは、以下の数式8によって直流電源電圧Vbattを演算する直流電源電圧演算部15を追加した点である。
Next, FIG. 2 is a circuit diagram showing a second embodiment of the present invention.
The step-up chopper 300B of this embodiment is different from the first embodiment in that a DC power supply
すなわち、直流電源電圧演算部15は、入力電圧検出器6により検出した入力電圧Vinと、入力インピーダンス演算部10に入力されている入力電流Iinと、入力インピーダンス演算部10により演算した入力インピーダンスZinとから直流電源電圧Vbattを演算する。
そして、通流率制限部16では、入力インピーダンス演算部10から出力される入力インピーダンスZinと直流電源電圧演算部15から出力される直流電源電圧Vbattとを用いて、前記数式6により通流率dを制限する。
That is, the DC power supply
Then, the conduction
この実施形態によれば、電圧の変動によって直流電源電圧Vbattが不明確になり、数式6を演算する際に直流電源電圧Vbattを既知の値として利用できないような場合であっても、直流電源電圧演算部15により逐次演算した直流電源電圧Vbattを用いることにより、数式6によって最適な通流率dを得ることができる。
According to this embodiment, it becomes unclear DC power supply voltage V batt by variations in voltage, even when the unavailable DC power supply voltage V batt when calculating Equation 6 as a known value, DC By using the DC power supply voltage V batt that is sequentially calculated by the power supply
本実施形態においても、通流率dと出力電圧Voutとの関係を単調増加関係とすることにより、昇圧チョッパ300Aの安定した動作が可能になる。
Also in the present embodiment, the step-
1:インダクタ
2:半導体スイッチング素子
3:ダイオード
4:平滑コンデンサ
5:出力電圧検出器
6:入力電圧検出器
7:入力電流検出器
8:通流率演算部
9:PWM演算部
10:入力インピーダンス演算部
11,16:通流率制限部
12:直流電源
13:入力インピーダンス
14:負荷
15:直流電源電圧演算部
300A,300B:昇圧チョッパ
1: Inductor 2: Semiconductor switching element 3: Diode 4: Smoothing capacitor 5: Output voltage detector 6: Input voltage detector 7: Input current detector 8: Current ratio calculator 9: PWM calculator 10: Input
Claims (3)
前記昇圧チョッパの入力電圧を検出する手段、出力電圧を検出する手段、及び入力電流を検出する手段と、
前記入力電圧及び入力電流の変化から、直流電源と前記昇圧チョッパとの間の配線による入力インピーダンスを演算する手段と、
前記出力電圧が所望の値になるように前記スイッチング素子の通流率を演算する手段と、
前記直流電源電圧、前記昇圧チョッパの出力電流の設定された最大値、及び、演算された前記入力インピーダンスを用いて前記通流率を制限する手段と、
を備えたことを特徴とする昇圧チョッパ。
In the boost chopper that boosts the DC power supply voltage and supplies it to the load by turning on and off the semiconductor switching element,
Means for detecting an input voltage of the boost chopper, means for detecting an output voltage, and means for detecting an input current;
Means for calculating an input impedance by wiring between a DC power source and the boost chopper from the change of the input voltage and the input current;
Means for calculating a conduction ratio of the switching element so that the output voltage has a desired value;
Means for limiting the conduction rate using the DC power supply voltage, the set maximum value of the output current of the boost chopper, and the calculated input impedance;
A step-up chopper characterized by comprising:
前記通流率を制限する手段において用いられる前記直流電源電圧を、既知の定数としたことを特徴とする昇圧チョッパ。 The step-up chopper according to claim 1,
A step-up chopper characterized in that the DC power supply voltage used in the means for limiting the conduction rate is a known constant.
前記通流率を制限する手段において用いられる前記直流電源電圧を、前記入力電圧、入力電流、及び、演算された前記入力インピーダンスを用いて演算する手段を備えたことを特徴とする昇圧チョッパ。 The step-up chopper according to claim 1,
A step-up chopper comprising: means for calculating the DC power supply voltage used in the means for limiting the conduction ratio by using the input voltage, the input current, and the calculated input impedance.
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