JP5238731B2 - 位相シフト式フルブリッジ電源転換システム - Google Patents

Description

本発明は、位相シフト式フルブリッジ電源転換システム、特に、出力負荷状態により切り替え制御方法を判断することによって、電源システムの効率を最適化する方法に関するものである。

近年来、地球温暖化問題のため、各国では転換器の効率を向上させ、ＣＯ₂の排出量を下げようと努力している。
統計によると、一般家庭では、平均２０個の装置が不使用状態下で電力を浪費し続けている。そして、浪費されている電力は総電気料金の５〜１０％を占めている。又これらの消耗は、設備の待機動作を維持するための電源消耗のほか、更に設備内部で交流を直流に変える電源コンバータの消耗も含んでいる。
その為、電源コンバータ待機中の消耗を減らすことは、非常に大事なことである。

電源コンバータは、異なる負荷条件によって、シングル・ステージ或いはマルチ・ステージの電源システム設計に分けられる。
低ワット数の設備においては、シングル・ステージの電源設計が使用され、よく見かける低ワット数シングル・ステージ電源コンバータには、逆回り式、順回り式、半ブリッジ式などのシングル・ステージ式電源コンバータがある。
中高ワット数の設備では、パワー因数が低すぎる問題があるため、一般ではツーステージの電源設計を採用する。第一ステージは、ＡＣ／ＤＣパワー因数修正器で、パワー因数を改善して単位パワー因数に近づけるために使われる。第二ステージは、フルブリッジ位相シフト式ＤＣ／ＤＣ転換器で、高効率で安定した直流電圧を提供する。
しかし、ツーステージ電源システムが待機状態にある場合、消耗を抑えるため、第一ステージは切り替えを停止するが、電源システムは依然安定した直流電圧を出力して負荷を供給しなければならず、従って第二ステージは引き続き切り替えを行わなければならない。
このとき、大部分の待機消耗は第二ステージ・フルブリッジ位相シフト式ＤＣ／ＤＣ転換器において生じる。
しかし、位相シフト式フルブリッジ転換器はライトロード条件下でゼロ電圧切り替えを行うことは出来ない。そのため、ライトロード時に依然位相制御を使用すると余分のエネルギー損耗を招く。

これによって分かるように、上述従来の方式には、尚幾多の欠点があり、よい設計とは言いがたく、改良がまたれていた。
本発明者は、上述従来方式に派生する各項の欠点に鑑み、極力新規改善を試み、且つ長年苦心研鑽の末、ついに本件位相シフト式フルブリッジ電源転換システム及びその制御方法の研究開発に成功した。

本発明の目的は、負荷状態に対してモジュレータの出力を変更する方法及び装置を提供し、且つ待機損耗を減らしライトロード効率を向上させるための位相シフト式フルブリッジ電源転換システム及びその制御方法を提供することにある。
本発明の次の目的は、ライトロード時に依然位相シフト制御を使用すると余分のエネルギー損耗を招く問題を解決するため、位相シフト式フルブリッジ電源転換システム及びその制御方法を提供することにある。若し、電源転換システムが異なる負荷状態に対してモジュレータの出力を変更できれば、有効にフルブリッジ転換器の効率を改善できる。

上述発明の目的を達成できる位相シフト式フルブリッジ電源転換システムは、電源コンバータと、制御器と、負荷状態検知モジュールと、切り替え制御器と、スイッチモジュールと、命令生成モジュールと、比較器及びモジュレーション・モジュールと、を含む。前記負荷状態検知モジュールは、電源コンバータ及び切り替え制御器とインターフェースされている。従って前記負荷状態検知モジュールが電源コンバータのパラメータ信号を取得すると、切り替え制御器へ出力する。そして前記切り替え制御器は、負荷パラメータデータによって負荷状態（待機、ライトロード及びヘビーロードの三種状態）を判断すると共にスイッチモジュールを制御し、電源コンバータの切り替えモードを変更（待機、ライトロード及びヘビーロードの三種状態）する。又、前記制御器は比較器から出力された出力電圧と命令電圧との誤差値を取得すると、誤差値によってデューティサイクルを計算し、且つデューティサイクル・パラメータによってパルスウェーブ制御信号を生成し、電源コンバータへ入力して駆動制御を行う。

１．本発明に係る位相シフト式フルブリッジ電源転換システムは、位相シフト式フルブリッジ電源転換システムを改善し、且つ異なる負荷条件に対して切り替え制御を変更できるので、転換器の効率を最適化することが出来る。
２．本発明に係る位相シフト式フルブリッジ電源転換システムは、異なる負荷状態に対してモジュレータのモードを変更するので、位相シフト式フルブリッジ電源転換システムにおいて待機損耗（環流損失及び駆動損失）を減らし、ライトロード効率を向上させることに役立つ。

本発明に係る位相シフト式フルブリッジ電源転換システムの構築図である。 本発明に係る位相シフト式フルブリッジ電源転換システムの電気回路略図である。 本発明に係る位相シフト式フルブリッジ電源転換システムの実施例図である。 本発明に係る位相シフト式フルブリッジ電源転換システムの切り替えモード転換図である。 本発明に係る位相シフト式フルブリッジ電源転換システム及びその制御方法における待機切り替えモード下のスイッチＱ１〜Ｑ４駆動波形図である。 本発明に係る位相シフト式フルブリッジ電源転換システム及びその制御方法におけるライトロード切り替えモード下のスイッチＱ１〜Ｑ４駆動波形図である。 本発明に係る位相シフト式フルブリッジ電源転換システム及びその制御方法におけるヘビーロード切り替えモード下のスイッチＱ１〜Ｑ４駆動波形図である。 本発明に係る位相シフト式フルブリッジ電源転換システム及びその制御方法における待機電圧命令生成とパルスワイズ・モジュレーションの関係波形図である。 本発明に係る位相シフト式フルブリッジ電源転換システム及びその制御方法における定電圧命令生成とパルスワイズ・モジュレーションの関係波形図である。

[実施例]
図１及び図２は、本発明に係る位相シフト式フルブリッジ電源転換システムにおける位相シフト式フルブリッジ電源転換システムの構築図及び電気回路略図であり、電源コンバータ１と、負荷状態検知モジュール２と、切り替え制御器３と、スイッチモジュール４と、命令生成モジュール５と、比較器６と、制御器７と、モジュレーション・モジュール８と、を含む。

前記電源コンバータ１は、負荷状態検知モジュール２、第二スイッチ素子４２及び比較器６とインターフェースし、入力電圧を出力電圧に転換する。前記電源コンバータ１には、駆動ユニットと、四つの前記駆動ユニットの駆動によって導通及び停止するスイッチ素子と、スイッチ素子にカプリングしたインダクタンスと、二次側にカプリングした変圧器と、変圧器の二次側にカプリングした整流電気回路と、整流電気回路にカプリングした出力フィルターと、を含む。

前記負荷状態検知モジュール２は、電源コンバータ１及び切り替え制御器３とインターフェースし、電源コンバータ１から出力されたパラメータ信号（例えば、出力電流、スイッチ素子電流、インダクタンス電流、出力電圧及びデューティサイクルなどのパラメータを示す信号）を負荷パラメータデータに転換し、切り替え制御器３へ伝送することが出来るので、前記負荷状態検知モジュール２は負荷パラメータデータと相互依存特性を有するフィードバック電気回路を採用してフロントエンドの入力回路とすることが出来る。
又、前記負荷状態検知モジュール２は、電源コンバータ１から出力されたパラメータ信号に基づいて、電気回路設計を行うことによって、負荷パラメータデータを出力することが出来る。
そして、前記負荷パラメータデータは、切り替え制御器３に負荷状態を判断させることの出来るパラメータデータである（若し、負荷パラメータデータが電圧である場合、切り替え制御器３は電圧レベルから負荷状態を判断できる）。

前記切り替え制御器３は、負荷状態検知モジュール２と、第一スイッチ素子４１及び第二スイッチ素子４２とインターフェースし、前記切り替え制御器３は、負荷パラメータデータによって負荷状態を判断すると共に、第一スイッチ素子４１及び第二スイッチ素子４２を制御し、電源コンバータ１の切り替えモード（待機、ライトロード及びヘビーロード三種の切り替えモード）を変更させることが出来る。前記切り替え制御器３は、アナログ制御器或いはデジタル制御器などの制御電気回路で組成されてよい。

前記スイッチモジュールは、第一スイッチ素子４１及び第二スイッチ素子４２を含み、前記第一スイッチ素子４１は、切り替え制御器３と、命令生成モジュール５及び比較器６とインターフェースし、第一スイッチ素子が開いたときは、待機電圧命令生成器５１と比較器６を連結させ、第一スイッチ素子４１が閉じたときは、定電圧命令生成器５２と比較器６を連結させる。又、前記第二スイッチ素子４２は、電源コンバータ１と、切り替え制御器３及びモジュレータモジュール８とインターフェースし、第二スイッチ素子４２が開いたときは、パルスワイズ・モジュレーション信号生成器８１と電源コンバータ１を連結させる。第二スイッチ素子４２が閉じたときは、位相シフト・モジュレーション信号生成器８２と電源コンバータ１を連結させる。

前記命令生成モジュール５は、待機電圧命令生成器５１及び定電圧命令生成器５２を含み、そして前記命令生成モジュール５は、第一スイッチ素子４１とインターフェースし、且つ二種類の電圧命令（待機電圧命令、定電圧命令）を生成する。待機電圧命令は待機時の電圧命令を生成して、待機中の損耗を軽減するためであり、定電圧命令は、固定電圧命令を生成して出力を固定電圧に安定させるためである。又、前記切り替え制御器はアナログ制御器或いはデジタル制御器などの制御電気回路で組成されてよい。

前記比較器６は、電源コンバータ１と、第一スイッチ素子４１及び制御器７とインターフェースし、電源コンバータ１の出力電圧Ｖ_outと命令生成モジュール５から出力された参考電圧Ｖ_refを比較して誤差値を算出する。

前記制御器７は、比較器６及びモジュレーション・モジュール８とインターフェースする。前記制御器７は、比較器６から出力された誤差値に基づいて、デューティサイクル・パラメータＤを計算してモジュレーション・モジュール８のためにパルスウェーブ制御信号を生成して与え、駆動制御を行う。又、前記制御器７は、アナログ制御器或いはデジタル制御器などの制御電気回路で組成されてよい。

前記モジュレーション・モジュール８は、パルスワイズ・モジュレーション信号生成器８１及び位相シフト・モジュレーション信号生成器８２を含み、前記モジュレーション・モジュール８は、制御器７及び第二スイッチ素子４２とインターフェースし、二種類のモジュレーション信号（パルスワイズ・モジュレーション信号及び位相モジュレーション信号）を生成させ、更に電源コンバータ１の駆動ユニットへ入力することによって、四つのスイッチ素子の導通と停止を制御する。又、前記モジュレーション・モジュールは、アナログ回路或いはデジタル回路などのパルスワイズ及び位相シフト制御を生成できる電気回路で組成されてよい。

図３は、本発明に係る位相シフト式フルブリッジ電源転換システムの位相シフト式フルブリッジ電源転換システムの実施例図であり、前記位相シフト式フルブリッジ電源転換システムは、切り替え制御によって待機損耗を減らし、ライトロード効率を向上させる機能を達成するもので、その制御方法は、
（１）前記負荷状態検知モジュール２は、直接或いは間接的に電源コンバータ１から出力されたパラメータデータ（出力電流Ｉ_out）を取得でき、且つ更に出力電圧（負荷パラメータデータ）を出力して前記切り替え制御器３を制御する。
（２）前記切り替え制御器３は、負荷パラメータデータを取得した後、出力電圧から負荷状態を判断し、且つ第一スイッチ素子Ｓ₁及び第二スイッチ素子Ｓ₂を制御することによって、電源コンバータ１の切り替えモードを変更することが出来る（前記出力電圧は、負荷と依存特性のある信号のフィードバックによって取得される）。
（３）負荷状態が待機の時は、電源コンバータ１は待機切り替えモードで操作される。従って第一スイッチ素子Ｓ₁及び第二スイッチ素子Ｓ₂は何れも開いている。そして、前記命令生成モジュール５は待機電圧命令を生成する。又、前記モジュレーション・モジュール８は、パルスワイズ・モジュレーション制御信号を生成して電源コンバータ１の駆動ユニットへ与える（制御器７は、比較器６によって前記出力電圧と命令信号の誤差値を取得し、更に前記誤差値からデューティサイクル・パラメータＤを計算すると共に、モジュレーション・モジュール８へ入力し、モジュレーション信号を生成させ、駆動制御を行う）。
（４）負荷がライトロード状態まで増加すると、電源コンバータ１はライトロード切り替えモードで操作される。従って第一スイッチ素子Ｓ₁は閉じ、第二スイッチ素子Ｓ₂は開いた状態であり、そして前記命令生成モジュール５にて定電圧命令を生成する。又、前記モジュレーション・モジュール８は、パルスワイズ・モジュレーション制御信号を生成して電源コンバータ１の駆動ユニットへ与える。と言うのは、ライトロードでは、位相シフト式フルブリッジ・コンバータはゼロ電圧切り替えを達成できず、しかも余分の環流損失及び駆動損失を招くからである。
（５）負荷がへビーロード状態まで増加すると、電源コンバータ１はへビーロード切り替えモードで操作される。従って第一スイッチ素子Ｓ₁及び第二スイッチ素子Ｓ₂は何れも閉じている。そして前記命令生成モジュール５は定電圧命令を生成する。又、前記モジュレーション・モジュール８は、パルスワイズ・モジュレーション制御信号を生成して電源コンバータ１の駆動ユニットへ与える。ヘビーロードでは、一次側素子は全てゼロ電圧切り替えを達成できるので、切り替え損失を減少でき、且つ電源システムの効率を向上させることができる。切り替え制御器の開閉状態は表一に示すとおりである。

表１ 切り替え制御器の開閉状態

図４は、本発明に係る位相シフトフルブリッジ電源転換システムの切り替えモード転換図である。図から分かるように、異なる負荷条件下での切り替えモードは、待機切り替えモードと、ライトロード切り替えモード及びヘビーロード切り替えモードに分けられる（前記三種類の負荷状態間の転換点は、効率及びゼロ電圧切り替え時間点を含む）、三種類の切り替えモードの転換状況は下記の通りである。
（１） 負荷状態が待機である場合、待機切り替えモードを使用。
（２） 負荷が増加した場合、最適効率点によってヘビーロード切り替えモードへ転ずるタイミングを決定する（効率の定義は、入力パワーで出力パワーを割る）、ライトロード状態である場合、ライトロード状態の切り替え方式はヘビーロード状態の切り替え方式より比較的高い効率が得られる。
（３） これに反し、ヘビーロード状態の場合、ヘビーロード状態の切り替え方式はライトロード状態の切り替え方式より比較的高い効率が得られる。

図５Ａから図５Ｃまでは、本発明に係る位相シフト式フルブリッジ電源転換システムの異なる切り替えモード下でのスイッチＱ１〜Ｑ４駆動波形図であり、それぞれ待機、ライトロード及びヘビーロード状態の切り替え方式であり、好ましい実施例の異なる切り替えモード下でのスイッチＱ１〜Ｑ４駆動波形図を説明している。

図６は、本発明係る位相シフト式フルブリッジ電源転換システムの待機電圧命令生成とパルスワイズ・モジュレーションとの関係波形図である。
前記待機電圧命令の生成は、フィードバック電圧の状態によって電圧命令を出力電圧上限或いは下限に変更させ、フィードバック電圧が出力電圧の上限に達した場合、電圧命令は出力電圧の下限へ変更される。
フィードバック電圧が出力電圧の下限に達した場合、電圧命令は出力電圧の上限へ変更され、この方式によって、制御器が計算したデューティサイクル・パラメータはフィードバック電圧が出力電圧の上限に達したとき、モジュレーション・モジュールが切り替えを停止する。
フィードバック電圧が出力電圧の下限に達した場合、モジュレーション・モジュールは切り替えを開始する（待機状態のとき、モジュレーション・モジュールはある期間切り替えたあと、その期間内で切り替えを停止する。その後、再び切り替えを開始、この動作を繰り返す）。
待機電圧命令は、有効に待機損失を改善できるので、待機損失を減らすことが出来る。

図７は、本発明に係る位相シフト式フルブリッジ電源転換システムの定電圧命令生成とパルスワイズ・モジュレーションとの関係波形図である。
負荷がライトロード状態に増加した場合（負荷電流が比較的小さい）及びヘビーロード状態（負荷電流が比較的大きい）のときは、切り替えて定電圧命令を生成する。
そして、前記定電圧命令は、固定電圧命令（固定した電圧参考値）を生成するためであり、出力を固定電圧に安定させ、更に制御器によってデューティサイクル・パラメータを算出し（前記デューティサイクルは、フィードバック出力電圧と命令電圧を比較した後、制御記を経由して得られる）、モジュレーション・モジュールへ入力される。
そして、前記モジュレーション・モジュールは、ずっと切り替えを進行させ、待機状態切り替えモードとは大いに異なる。

上記詳細な説明は、本発明の実行可能な実施例の具体的説明であり、但し前記実施例は本案発明の特許請求範囲を制限するものではなく、凡そ本発明の技芸精神を逸脱せずになされる等価実施或いは変更は、全て本案の特許請求範囲に含まれるものとする。

１ 電源コンバータ
２ 負荷状態検知モジュール
３ 切り替え制御器
４１ 第一スイッチ素子
４２ 第二スイッチ素子
５ 命令生成モジュール
５１ 待機電圧命令生成器
５２ 定電圧命令生成器
６ 比較器
７ 制御器
８ モジュレーション・モジュール
８１ パルスワイズ・モジュレーション信号生成器
８２ 位相シフト・モジュレーション信号生成器

Claims (8)

1. 位相シフト式フルブリッジ電源転換システムであって、
   入力電圧を出力電圧に転換するとともに、待機状態、ライトロード状態、ヘビーロード状態の何れかを示す自身の負荷状態の判断の基となるパラメータ信号を出力する電源コンバータと、
   前記電源コンバータから出力された前記パラメータ信号を負荷パラメータデータに転換する負荷状態検知モジュールと、
   待機電圧命令を生成する待機電圧命令生成器及び定電圧命令を生成する定電圧命令生成器を有する命令生成モジュールと、
   パルスワイズ・モジュレーション信号を生成するパルスワイズ・モジュレーション信号生成器及び位相シフト・モジュレーション信号を生成する位相シフト・モジュレーション信号生成器を有するモジュレーション・モジュールと、
   前記電源コンバータから出力された出力電圧と、前記命令生成モジュールから出力された参考電圧とを比較して誤差値を算出する比較器と、
   開状態で前記待機電圧命令生成器と前記比較器とを連結し、閉状態で前記定電圧命令生成器と前記比較器とを連結する第一スイッチ素子と、開状態で前記パルスワイズ・モジュレーション信号生成器と前記電源コンバータとを連結し、閉状態で前記位相シフト・モジュレーション信号生成器と前記電源コンバータとを連結する第二スイッチ素子とを有するスイッチモジュールと、
   前記比較器から出力された誤差値に基づいてデューティサイクル・パラメータを計算する制御器と、
   前記負荷状態検知モジュールから出力された前記負荷パラメータデータに基づいて前記負荷状態が前記待機状態を示すと判断すると、前記電源コンバータを待機切り替えモードで動作させるべく、前記第一スイッチ素子及び前記第二スイッチ素子を何れも開状態とすることによって、前記命令生成モジュールを通じて前記待機電圧命令を生成し、前記比較器、前記制御器、及び前記モジュレーション・モジュールを通じて前記パルスワイズ・モジュレーション信号を生成し当該パルスワイズ・モジュレーション信号を前記電源コンバータの駆動ユニットに出力し、
   前記負荷状態検知モジュールから出力された前記負荷パラメータデータに基づいて前記負荷状態が前記ライトロード状態を示すと判断すると、前記電源コンバータをライトロード切り替えモードで動作させるべく、前記第一スイッチ素子を閉状態とし前記第二スイッチ素子を開状態とすることによって、前記命令生成モジュールを通じて前記定電圧命令を生成し、前記比較器、前記制御器、及び前記モジュレーション・モジュールを通じて前記パルスワイズ・モジュレーション信号を生成し当該パルスワイズ・モジュレーション信号を前記駆動ユニットに出力し、
   前記負荷状態検知モジュールから出力された前記負荷パラメータデータに基づいて前記負荷状態が前記ヘビーロード状態を示すと判断すると、前記電源コンバータをヘビーロード切り替えモードで動作させるべく、前記第一スイッチ素子及び第二スイッチ素子の何れも閉状態とすることによって、前記命令生成モジュールを通じて前記定電圧命令を生成し、前記比較器、前記制御器、及び前記モジュレーション・モジュールを通じて前記位相シフト・モジュレーション信号を生成し、当該位相シフト・モジュレーション信号を前記駆動ユニットに出力する
   切り替え制御器と、
   を備えたことを特徴とする位相シフト式フルブリッジ電源転換システム。
2. 前記電源コンバータから出力されるパラメータ信号は出力電流、スイッチ素子電流、インダクタンス電流、出力電圧、又はデューティサイクルたるパラメータデータであることを特徴とする請求項１に記載の位相シフト式フルブリッジ電源転換システム。
3. 前記負荷状態検知モジュールは、
   前記電源コンバータから出力されるアナログ信号としての前記パラメータ信号を、デジタル信号としての前記負荷パラメータデータに転換し、当該負荷パラメータデータを前記切り替え制御器に出力するフィードバック回路であるとともに、
   当該アナログ信号を受信して当該デジタル信号を送信するフロントエンド入力回路である
   ことを特徴とする請求項１に記載の位相シフト式フルブリッジ電源転換システム。
4. 前記切り替え制御器は、アナログ制御器或いはデジタル制御器たる制御回路で組成されることを特徴とする請求項１に記載の位相シフト式フルブリッジ電源転換システム。
5. 前記制御器は、アナログ制御器或いはデジタル制御器たる制御回路で組成されてよいことを特徴とする請求項１に記載の位相シフト式フルブリッジ電源転換システム。
6. 前記モジュレーション・モジュールは、アナログ回路又はデジタル回路たる、パルスワイズ及び位相シフト制御を生成できる回路によって組成されることを特徴とする請求項１に記載の位相シフト式フルブリッジ電源転換システム。
7. 前記待機電圧命令を生成する場合、
   前記出力電圧が下限へ達すると、当該待機電圧命令を前記出力電圧の上限に変更することによって、前記モジュレーション・モジュールを通じて前記パルスワイズ・モジュレーション信号の切り替えを開始するべく、前記制御器を通じて前記デューティサイクル・パラメータを設定し、
   前記出力電圧が上限へ達すると、当該待機電圧命令を前記出力電圧の下限に変更することによって、前記モジュレーション・モジュールを通じて前記パルスワイズ・モジュレーション信号の切り替えを停止するべく、前記制御器を通じて前記デューティサイクル・パラメータを設定する
   ことを特徴とする請求項１に記載の位相シフト式フルブリッジ電源転換システム。
8. 前記負荷状態間の転換点は、前記パルスワイズ・モジュレーション信号に基づく制御モードと、前記位相シフト・モジュレーションに基づく制御モードとにおける入力パワーに対する出力パワーの比率の大小関係に基づく効率点を含むことを特徴とする請求項１に記載の位相シフト式フルブリッジ電源転換システム。

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