JP5238447B2 - DC-DC converter - Google Patents
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Description
本発明は、直流電源からの直流電圧を昇圧又は降圧して出力するDC−DCコンバータに関する。 The present invention relates to a DC-DC converter that boosts or steps down a DC voltage from a DC power supply.
バッテリ等の電源からの入力電圧が変動する場合であっても出力電圧を一定に保つDC−DCコンバータが知られている(例えば、特許文献1を参照。)。
従来、DC−DCコンバータの入力電圧が定格範囲外になった場合、電圧変換回路を制御する制御回路を駆動する電圧を維持できなくなり、制御回路を停止してDC−DCコンバータの出力を停止していた。しかし、負荷や電力供給側の機器によっては電圧が低下してもできるだけ動作を継続させたい場合がある。例えば、医療機器や通信用インフラ機器等の場合、入力電圧が低下してもできるだけ動かせることが望ましい装置(安全な状態で停止させる装置、保安装置、緊急通信装置等)があり、バッテリ電圧が低下しDC−DCコンバータが停止すると、前述の装置も停止する、あるいは機能が著しく低下するなど、好ましくない。 Conventionally, when the input voltage of the DC-DC converter falls outside the rated range, the voltage for driving the control circuit that controls the voltage conversion circuit cannot be maintained, and the control circuit is stopped to stop the output of the DC-DC converter. It was. However, there is a case where it is desired to continue the operation as much as possible even if the voltage drops depending on the load or the device on the power supply side. For example, in the case of medical equipment, communication infrastructure equipment, etc., there are devices that should be able to move as much as possible even when the input voltage drops (devices that stop in a safe state, security devices, emergency communication devices, etc.), and the battery voltage drops However, if the DC-DC converter is stopped, the above-mentioned device is also stopped or the function is remarkably deteriorated.
このような状態を回避するためにDC−DCコンバータの入力電圧の定格範囲を広げておくこともできるが、定常状態での効率の低下や、半導体素子の耐圧を高くする必要からコストアップ、装置の大型化という課題があった。 In order to avoid such a state, the rated range of the input voltage of the DC-DC converter can be widened, but the cost increases due to a decrease in efficiency in the steady state and the need to increase the breakdown voltage of the semiconductor element. There was a problem of upsizing.
そこで、本発明は、上記課題を解決するために、入力電圧が定格範囲外であっても負荷や電力供給側の機器へ直流電力を出力でき、効率が高く、低コストで小型のDC−DCコンバータを提供することを目的とする。 Therefore, in order to solve the above problems, the present invention can output direct-current power to a load or a power supply side device even if the input voltage is outside the rated range, and has high efficiency, low cost, and small DC-DC. An object is to provide a converter.
上記目的を達成するため、本発明に係るDC−DCコンバータは、入力電圧が定格範囲外の場合には、定格値と異なる電圧を出力し、電圧変換回路の能力を超えないように運転し続けることとした。 In order to achieve the above object, the DC-DC converter according to the present invention outputs a voltage different from the rated value when the input voltage is out of the rated range, and continues to operate so as not to exceed the capability of the voltage conversion circuit. It was decided.
具体的には、本発明に係るDC−DCコンバータは、入力側の直流の入力電圧を出力電圧へ変換して出力側へ出力する電圧変換回路と、前記入力電圧が定格範囲内では前記出力電圧が定格値になるように前記電圧変換回路を制御し、前記入力電圧が定格範囲外では前記出力電圧が前記出力電圧の定格値とは異なる所定の値になるように前記電圧変換回路を制御する制御回路と、を備える。 Specifically, the DC-DC converter according to the present invention includes a voltage conversion circuit that converts a DC input voltage on the input side into an output voltage and outputs the output voltage, and the output voltage within the rated range. And the voltage conversion circuit is controlled so that the output voltage becomes a predetermined value different from the rated value of the output voltage when the input voltage is out of the rated range. A control circuit.
本発明に係るDC−DCコンバータは、入力電圧が瞬間的に低下した場合(瞬低)や、長時間低下した場合でも、電圧変換回路の能力範囲内の電圧、且つ負荷や電力供給側の機器に影響のない電圧の出力電圧を出力することができる。このため、本発明に係るDC−DCコンバータは、人命に関わり安全性をもっとも重視し、電力供給を停止することができないシステムである医療機器や通信用インフラ機器などへ接続できる。また、入力電圧の定格範囲を小さくすることができるため、装置の効率が上がり、半導体素子もオーバースペックとならない最適な素子を選択することでコストを抑えることができる。 The DC-DC converter according to the present invention has a voltage within the capability range of the voltage conversion circuit, a load, and a device on the power supply side even when the input voltage drops momentarily (instantaneous drop) or drops for a long time. It is possible to output an output voltage that does not affect the output. For this reason, the DC-DC converter according to the present invention can be connected to a medical device, a communication infrastructure device, or the like which is a system that is related to human life and places the highest importance on safety and cannot stop power supply. In addition, since the rated range of the input voltage can be reduced, the efficiency of the apparatus is increased, and the cost can be reduced by selecting an optimum element that does not overspecify the semiconductor element.
従って、本発明に係るDC−DCコンバータは、入力電圧が定格範囲外であっても負荷や電力供給側の機器へ直流電力を出力でき、効率が高く、低コストで小型にすることができる。 Therefore, the DC-DC converter according to the present invention can output direct-current power to a load or a device on the power supply side even if the input voltage is outside the rated range, and can be highly efficient and can be reduced in size at low cost.
本発明に係るDC−DCコンバータの前記制御回路は、前記電圧変換回路を制御するための制御信号を生成する演算部と、前記電圧変換回路の入力側の前記入力電圧及び前記電圧変換回路の出力側の前記出力電圧のいずれか一方を前記演算部へ供給する制御電力として選択するスイッチと、を有することが好ましい。 The control circuit of the DC-DC converter according to the present invention includes an arithmetic unit that generates a control signal for controlling the voltage conversion circuit, the input voltage on the input side of the voltage conversion circuit, and the output of the voltage conversion circuit It is preferable to have a switch that selects any one of the output voltages on the side as control power to be supplied to the arithmetic unit.
本発明に係るDC−DCコンバータは、入力電圧が瞬低した場合や長時間低下した場合でも制御回路用の制御電力を確保でき、電力変換回路の制御をモニタ及び演算部で行うことができる。このため、本発明に係るDC−DCコンバータは、入力電圧が瞬低した場合や長時間低下した場合に、システムを安全に停止することや、所定の電圧での電力を継続的に供給することができる。 The DC-DC converter according to the present invention can secure the control power for the control circuit even when the input voltage drops momentarily or drops for a long time, and the power conversion circuit can be controlled by the monitor and the calculation unit. Therefore, the DC-DC converter according to the present invention can safely stop the system or continuously supply power at a predetermined voltage when the input voltage drops momentarily or drops for a long time. Can do.
前記制御回路の前記スイッチは、前記入力電圧が定格範囲内では前記入力電圧を選択し、前記入力電圧が定格範囲外では前記出力電圧を選択することができる。入力電圧が低下した場合でも、スイッチを切り替えることで、電圧変換回路で昇圧させた出力電圧の電力を制御回路に供給することができ、電圧変換回路の制御を継続することができる。 The switch of the control circuit can select the input voltage when the input voltage is within a rated range, and can select the output voltage when the input voltage is outside the rated range. Even when the input voltage decreases, by switching the switch, the power of the output voltage boosted by the voltage conversion circuit can be supplied to the control circuit, and the control of the voltage conversion circuit can be continued.
前記制御回路の前記スイッチは、前記入力電圧及び前記出力電圧のうち前記制御回路へ供給する制御電力の定格電圧に近いほうを選択することができる。入力電圧と出力電圧とを比較して制御回路に供給する制御電力として適切な方を選択することができる。 The switch of the control circuit can select one of the input voltage and the output voltage that is closer to the rated voltage of the control power supplied to the control circuit . It is possible to select an appropriate control power to be supplied to the control circuit by comparing the input voltage and the output voltage.
本発明は、入力電圧が定格範囲外であっても負荷や電力供給側の機器へ直流電力を出力でき、効率が高く、低コストで小型のDC−DCコンバータを提供することができる。 The present invention can provide direct current power to a load or a device on the power supply side even when the input voltage is outside the rated range, and can provide a small-sized DC-DC converter with high efficiency and low cost.
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明は、以下に示す実施形態に限定されるものではない。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In addition, this invention is not limited to embodiment shown below. In the present specification and drawings, the same reference numerals denote the same components.
(実施形態1)
図1に、本実施形態のDC−DCコンバータ301の概略構成図を示す。DC−DCコンバータ301は、入力側の直流の入力電圧Vinを出力電圧Voutへ変換して出力側へ出力する電圧変換回路12と、入力電圧Vinが定格範囲内では出力電圧Voutが定格値になるように電圧変換回路12を制御し、入力電圧Vinが定格範囲外では出力電圧Voutが出力電圧の定格値とは異なる所定の値になるように電圧変換回路12を制御する制御回路14と、を備える。
(Embodiment 1)
In FIG. 1, the schematic block diagram of the DC-
DC−DCコンバータ301の入力側には直流電源11が接続され、電圧が入力電圧Vinである直流電力が供給される。直流電源11は、例えば、バッテリや太陽電池である。本実施形態では直流電源11がバッテリである。一方、DC−DCコンバータ301の出力側には電力被供給機器13が接続され、DC−DCコンバータ301から電圧が出力電圧Voutの電力が供給される。電力被供給機器13は、例えば、モータ制御装置、保安装置、緊急通信装置である。
The
電圧変換回路12は、入力電圧Vinを出力電圧Voutへ変換して出力する。電圧変換回路12は、昇圧回路、降圧回路又は昇降圧回路である。昇圧回路は、入力電圧Vinより出力電圧Voutが高くなるように電圧変換する回路である。降圧回路は、入力電圧Vinより出力電圧Voutが低くなるように電圧変換する回路である。昇降圧回路は、入力電圧Vinの値で、入力電圧Vinより出力電圧Voutが高くなるように電圧変換する場合と入力電圧Vinより出力電圧Voutが低くなるように電圧変換する場合がある回路である。
The
本実施形態では、電圧変換回路12は昇圧回路である。電圧変換回路12は、例えば、高速でオンオフする半導体スイッチを利用している。制御回路14は、制御信号Sで半導体スイッチのオンオフの時比率を制御し、出力電圧Voutを調整する。また、電圧変換回路12は、例えば、入力された直流を交流に変換してトランスを利用して昇圧し、再び直流に変換する構成でもよい。トランスを利用した場合も前述のように制御信号Sで出力電圧を制御することができる。
In the present embodiment, the
制御回路14は、入力電圧Vin及び出力電圧Voutを測定し、入力電圧Vinが定格範囲内のときには出力電圧Voutが定格値になるように電圧変換回路12を制御し、入力電圧Vinが低下して定格範囲外となったときには出力電圧Voutが出力電圧の定格値より低い保障電圧値になるように電圧変換回路12を制御する。制御回路14は、制御信号Sで電圧変換回路12の出力電圧Voutを制御する。保障電圧値は、電力被供給機器13が動作可能な電圧であり、後述する演算部42を駆動できる電圧とする。
The
図2を用いてDC−DCコンバータ301の動作を説明する。例えば、入力電圧Vinの定格範囲が10V〜14Vで、出力電圧Voutの定格値が24Vとする。入力電圧Vinが定格範囲のとき(時間t10〜t11)、DC−DCコンバータ301は、24Vで安定した出力電圧Voutを電力被供給機器13に供給する。一方、入力電圧Vinが10V以下になったとき(時間t11〜t12)、DC−DCコンバータ301は、DC−DCコンバータ301が電力を供給可能であり、電力被供給機器13が動作可能である電圧(例えば12Vや10V)まで出力電圧Voutを下げ、電力被供給機器13への電力供給を継続する。
The operation of the DC-
入力電圧Vinが定格範囲内に戻ったとき(時間t12〜t13)、DC−DCコンバータ301は、再び24Vで安定した出力電圧Voutを電力被供給機器13に供給する。
When the input voltage Vin returns to within the rated range (time t 12 to t 13 ), the DC-
次に、制御回路14の内部回路について説明する。制御回路14は、電圧変換回路12を制御するための制御信号Sを生成する演算部42と、電圧変換回路12の入力側の入力電圧Vin及び電圧変換回路12の出力側の出力電圧Voutのいずれか一方を演算部42へ供給する制御電力として選択するスイッチ43と、を有する。
Next, an internal circuit of the
演算部42は、例えば、マイコンで構成されていてもよい。演算部42は、入力電圧Vin及び出力電圧Voutを測定し、いずれを制御電力として選択するかを判断し、スイッチ43に対して切換信号を出力する。例えば、演算部42は、スイッチ43に対して、入力電圧Vinが定格範囲内では入力電圧Vinを選択し、入力電圧Vinが定格範囲外では出力電圧Voutを選択するように切換信号を出力してもよい。また、演算部42は、スイッチ43に対して、入力電圧Vin及び出力電圧Voutのうち演算部42へ供給する制御電力の定格電圧に近いほうを選択するように切換信号を出力してもよい。
The
スイッチ43で選択された電力は、電源回路41に入力され、演算部42を駆動する制御電力に調整され演算部42に供給される。電源回路41は、例えば、高周波成分を除去する機能や一定の電圧になるように調整する機能を持つ。
The power selected by the
例えば、入力電圧Vinの定格範囲が10V〜14Vで、出力電圧Voutの定格値が24VであるDC−DCコンバータ301の制御回路14の動作を説明する。入力電圧Vinが定格範囲のとき(時間t10〜t11)、演算部42は入力電圧Vinを選択するように切換信号を出力し、スイッチ43は入力信号Vinを選択して電源回路41へ供給する。一方、入力電圧Vinが10V以下(例えば、7V)になったとき(時間t11〜t12)、演算部42は出力電圧Voutを選択するように切換信号を出力し、スイッチ43は出力信号Voutを選択して電源回路41へ供給する。それとともに、演算部42は出力電圧Voutを下げる(例えば、10Vに下げる)制御信号Sを電圧変換回路12に出力する。入力電圧Vinが定格範囲を下回ったとしても、電圧変換回路12で昇圧された出力電圧Voutを選択しているので、演算部42は演算を継続でき、制御回路14は電圧変換回路12の制御を継続することができる。
For example, the operation of the
入力電圧Vinが定格範囲内に戻ったとき(時間t12〜t13)、演算部42は入力電圧Vinを選択するように切換信号を出力し、スイッチ43は入力信号Vinを選択して電源回路41へ供給する。それとともに、演算部42は出力電圧Voutを再び24Vに戻す制御信号Sを電圧変換回路12に出力する。
When the input voltage Vin returns to within the rated range (time t 12 to t 13 ), the
DC−DCコンバータ301は、図3のように動作してもよい。直流電源11の電圧(入力電圧Vin)が図3(a)のように徐々に低下してきたとする。入力電圧Vinが定格範囲のとき(時間t20〜t21)、DC−DCコンバータ301は、24Vで安定した出力電圧Voutを電力被供給機器13に供給する。また、演算部42は入力電圧Vinを選択するように切換信号を出力し、スイッチ43は入力信号Vinを選択して電源回路41へ供給する。
The DC-
入力電圧Vinが定格範囲より低くなったとき(時間t21〜t22)、DC−DCコンバータ301は、入力電圧Vinの低下に連動させて低下させた出力電圧Voutを電力被供給機器13に供給する。また、演算部42は出力電圧Voutを選択するように切換信号を出力し、スイッチ43は出力信号Voutを選択して電源回路41へ供給する。
When the input voltage Vin becomes lower than the rated range (time t 21 to t 22 ), the DC-
(実施形態2)
図1を利用して本実施形態を説明する。以下で説明しない符号は実施形態1と同様である。本実施形態は、直流電源11が太陽電池である。また、電圧変換回路12が昇降圧回路である。電源回路41、演算部42及びスイッチ43は実施形態1で説明したように動作する。
(Embodiment 2)
This embodiment will be described with reference to FIG. Reference numerals not described below are the same as those in the first embodiment. In the present embodiment, the
太陽電池の場合、天候や時間で入力電圧Vinが大きく変動する。しかし、電力被供給機器13は定電圧で電力を供給されることが望ましい。図4は本実施形態のDC−DCコンバータ301の動作を説明する図である。時間t30〜t31が日の出前、時間t31〜t32が太陽電池の発電電圧が10Vに達するまでの時間、時間t32〜t35が太陽電池の発電電圧が10V以上の時間、時間t35〜t36が太陽電池の発電電圧が10V以下になり日の入りまでの時間、時間t36以降が日の入り後の時間である。このように制御することでエネルギーを有効利用することができる。
In the case of a solar cell, the input voltage Vin varies greatly depending on the weather and time. However, it is desirable that the power supplied
時間t30〜t31及び時間t36以降は、入力電圧Vinが停止電圧の6V以下であるので、DC−DCコンバータ301は、電力被供給機器13への電力供給を停止する。また、演算部42は電圧変換を停止する制御信号Sを電圧変換回路12に出力し、自らも停止する。
Since the input voltage Vin is 6 V or less of the stop voltage after the time t 30 to t 31 and the time t 36 , the DC-
時間t31〜t32及び時間t35〜t36は、太陽電池の発電電圧がDC−DCコンバータ301の入力電圧Vinの定格範囲以下であるので、DC−DCコンバータ301は、定格の値から下げた出力電圧Vout(10V)を、電力被供給機器13へ電力供給する。また、演算部42は出力電圧Voutを選択するように切換信号を出力し、スイッチ43は出力信号Voutを選択して電源回路41へ供給する。
At times t 31 to t 32 and times t 35 to t 36 , the generated voltage of the solar cell is below the rated range of the input voltage Vin of the DC-
時間t32〜t35は、太陽電池の発電電圧がDC−DCコンバータ301の入力電圧Vinの定格範囲の下限より大きいため、DC−DCコンバータ301は、24Vで安定した出力電圧Voutを電力被供給機器13に供給する。また、演算部42は入力電圧Vinを選択するように切換信号を出力し、スイッチ43は入力信号Vinを選択して電源回路41へ供給する。なお、時間t33〜t34の間は、太陽電池の発電電圧がDC−DCコンバータ301の入力電圧Vinの定格範囲の上限より大きいため、電圧変換回路12は降圧回路として動作する。すなわち、入力電圧Vinが出力電圧Voutより高いため、制御回路14は出力電圧Voutが定格値である24Vとなるように制御信号Sを出力する。
At times t 32 to t 35 , since the power generation voltage of the solar cell is larger than the lower limit of the rated range of the input voltage Vin of the DC-
本発明に係るDC−DCコンバータは、医療機器や通信用インフラ機器等に適用することができる。 The DC-DC converter according to the present invention can be applied to medical equipment, communication infrastructure equipment, and the like.
11:直流電源
12:電圧変換回路
13:電力被供給機器
14:制御回路
41:電源回路
42:演算部
43:スイッチ
301:DC−DCコンバータ
11: DC power supply 12: Voltage conversion circuit 13: Power supplied device 14: Control circuit 41: Power supply circuit 42: Calculation unit 43: Switch 301: DC-DC converter
Claims (1)
前記入力電圧が定格範囲内では前記出力電圧が定格値になるように前記電圧変換回路を制御し、前記入力電圧が定格範囲内の電圧から低下した定格範囲外では前記出力電圧が前記出力電圧の定格値とは異なる所定の値になるように前記電圧変換回路を制御する制御回路と、
を備え、
前記制御回路は、
前記電圧変換回路の入力側の前記入力電圧及び前記電圧変換回路の出力側の出力電圧を測定し、いずれを制御電力として選択するかを判断し、前記電圧変換回路を制御するための制御信号を生成する演算部と、
前記入力電圧及び前記出力電圧のいずれか一方を前記演算部へ供給する前記制御電力として選択するスイッチと、
前記スイッチで選択された前記入力電圧及び出力電圧のいずれか一方の電圧を、前記演算部を駆動する前記制御電力に調整して前記演算部に供給する電源回路と、
を有し、
前記演算部は、前記入力電圧が定格範囲内のときは、前記入力電圧を選択するように前記スイッチに切換信号を出力し、前記入力電圧を前記制御電力として前記電源回路に供給するとともに、前記出力電圧が定格値になるように前記電圧変換回路を制御し、前記入力電圧が定格範囲の電圧よりも低下したときは、前記入力電圧が前記電力被供給機器への電力供給を停止する停止電圧より大きい場合に、前記出力電圧が定格値より低い電圧であって、前記電力被供給機器が動作可能な電圧であり、前記演算部を制御できる電圧になるように前記電圧変換回路を制御するとともに、前記出力電圧を選択するように前記スイッチに切換信号を出力し、前記出力電圧を前記制御電力として前記電源回路に供給することを特徴とするDC−DCコンバータ。 A voltage conversion circuit that converts a DC input voltage on the input side to an output voltage and outputs the output voltage to the output side to which the power-supplied device is connected ;
The voltage conversion circuit is controlled so that the output voltage becomes a rated value when the input voltage is within the rated range, and the output voltage is equal to the output voltage when the input voltage is outside the rated range where the input voltage is reduced from the voltage within the rated range. A control circuit for controlling the voltage conversion circuit so as to have a predetermined value different from the rated value;
Equipped with a,
The control circuit includes:
Measure the input voltage on the input side of the voltage conversion circuit and the output voltage on the output side of the voltage conversion circuit, determine which one to select as control power, and control signals for controlling the voltage conversion circuit A computing unit to generate,
A switch that selects any one of the input voltage and the output voltage as the control power to be supplied to the arithmetic unit;
A power supply circuit that adjusts one of the input voltage and the output voltage selected by the switch to the control power that drives the arithmetic unit and supplies the control power to the arithmetic unit;
Have
The arithmetic unit outputs a switching signal to the switch so as to select the input voltage when the input voltage is within a rated range, and supplies the input voltage to the power supply circuit as the control power. The voltage conversion circuit is controlled so that the output voltage becomes a rated value, and when the input voltage is lower than a voltage within a rated range, the input voltage stops the power supply to the power supplied device. When the output voltage is higher than the rated value, the voltage conversion circuit is controlled so that the output device is a voltage at which the power-supplied device can operate and the operation unit can be controlled. , and outputs a switching signal to the switch to select the output voltage, DC-DC converter, characterized by supplying to the power supply circuit the output voltage as the control power .
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