JP5293312B2 - 電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、スイッチング素子をスイッチングさせることによって電圧を変換する、複数の電圧変換回路を備えた電源装置に関する。

従来、スイッチング素子をスイッチングさせることによって電圧を変換する、複数の電圧変換回路を備えた電源装置として、例えば特許文献１に開示されているコンバータ電源回路がある。

このコンバータ電源回路は、複数のチョッパ回路と、駆動回路とを備えている。チョッパ回路は、スイッチングトランジスタを有し、このスイッチングトランジスタをスイッチングさせることで、入力された直流電圧を昇圧して出力する回路である。チョッパ回路は、並列接続されている。具体的には、入力端子及び出力端子が、それぞれの共通接続されている。駆動回路は、チョッパ回路のスイッチングトランジスタをスイッチングさせるための所定周波数の駆動信号を出力する回路である。駆動回路は、複数のチョッパ回路のそれぞれのスイッチングトランジスタに接続されている。駆動回路は、チョッパ回路の出力電圧が所定電圧となるように、一定周波数で、かつ、互いの位相差が所定位相差となる駆動信号を、それぞれのスイッチングトランジスタに出力する。これにより、スイッチングに伴うノイズの周波数スペクトラムにおいて、ピークとなる周波数を、駆動信号の周波数と、駆動信号の所定位相差によって決まる周波数に分散させることができる。そのため、全体としてピーク値を低下させることができる。従って、スイッチングに伴うノイズを抑えることができる。

特開２００６−１８７１４０号公報

ところで、前述したコンバータ電源装置では、駆動回路は、一定周波数で、かつ、互いの位相差が所定位相差となる駆動信号を出力する。この場合、チョッパ回路毎に駆動信号の位相管理が必要であり、構成が複雑になるという問題があった。また、スイッチングに伴うノイズの周波数スペクトラムにおいて、ピークとなる周波数を分散できるとはいっても、駆動信号の周波数と、駆動信号の所定位相差によって決まる周波数にしか分散できない。これでは、充分にピーク値を低下させることができない。そのため、スイッチングに伴うノイズを充分に抑えることができないという問題があった。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、簡素な構成で、スイッチングに伴うノイズをより確実に抑えることができる電源装置を提供することを目的とする。

請求項１に記載の電源装置は、スイッチング素子を有し、スイッチング素子をスイッチングさせることによって、入力された電圧を異なる電圧に変換して出力する、出力が共通接続された複数の電圧変換回路と、複数の電圧変換回路のそれぞれのスイッチング素子に接続され、スイッチング素子をスイッチングするための所定周波数の駆動信号を、それぞれのスイッチング素子に対して出力する駆動回路と、を備えた電源装置において、駆動回路がそれぞれのスイッチング素子に対して出力する駆動信号の周波数は、互いに整数倍の関係とならないように設定されていることを特徴とする。

この構成によれば、スイッチングに伴うノイズの周波数スペクトラムにおいて、駆動信号の位相差によって決まる周波数にピークを有することとなる。しかし、駆動信号の周波数は、互いに整数倍の関係とならないように設定されている。そのため、駆動信号の位相差が時間の経過とともに周期的に変化する。従って、駆動信号の位相差によって決まる周波数を拡散させることができ、全体としてピーク値をより低下させることができる。しかも、駆動回路は、互いに整数倍の関係とならないような周波数の駆動信号を出力だけでよい。そのため、従来のような、駆動信号間の位相管理が不要であり、駆動回路の構成を簡素化することができる。従って、簡素な構成で、スイッチングに伴うノイズをより確実に抑えることができる。

電源装置は、駆動回路がそれぞれのスイッチング素子に対して出力する駆動信号の周波数は、時間とともに変動することを特徴とする。この構成によれば、スイッチングに伴うノイズの周波数スペクトラムにおいて、駆動信号の周波数にピークを有することとなる。しかし、駆動信号の周波数は、時間とともに変動する。そのため、ピークとなる駆動信号の周波数を拡散させることができ、全体としてピーク値をより低下させることができる。従って、スイッチングに伴うノイズをより一層抑えることができる。

請求項２に記載の電源装置は、駆動回路がそれぞれのスイッチング素子に対して出力する駆動信号の周波数の差分周波数は、可聴周波数域以外の周波数となるように設定されていることを特徴とする。ここで、可聴周波数域とは、例えば２０Ｈｚ〜２０ｋＨｚである。この構成によれば、駆動信号の周波数は、互いに整数倍の関係とならないように設定されていることから、スイッチングに伴うノイズの周波数スペクトラムにおいて、駆動信号の周波数の差分周波数にピークを有することとなる。しかし、駆動信号の周波数の差分周波数は、可聴周波数域以外の周波数となるように設定されている。そのため、ノイズに伴う耳障りな雑音の発生を抑えることができる。

請求項３に記載の電源装置は、電圧変換回路は、入力された直流電圧を異なる直流電圧に変換、又は、入力された交流電圧を異なる直流電圧に変換することを特徴とする。この構成によれば、入力された直流電圧又は交流電圧を確実に異なる直流電圧に変換することができる。

請求項４に記載の電源装置は、車両に搭載され、入力された電圧を異なる電圧に変換することを特徴とする。この構成によれば、車両に搭載され、入力された電圧を異なる電圧に変換する電源装置において、簡素な構成で、スイッチングに伴うノイズをより確実に抑えることができる。

本実施形態における電源装置の回路図である。 所定時における昇圧チョッパ回路の出力電流と電源装置の出力電流を示すグラフである。 図２とは異なる所定時における昇圧チョッパ回路の出力電流と電源装置の出力電流を示すグラフである。 ＭＯＳＦＥＴのスイッチングに伴うノイズの周波数スペクトラムを示すグラフである。

次に、実施形態を挙げ本発明をより詳しく説明する。本実施形態では、本発明に係る電源装置を、車両に搭載され、バッテリの直流電圧を昇圧して電子装置に供給する電源装置に適用した例を示す。

まず、図１を参照して電源装置の構成について説明する。ここで、図１は、本実施形態における電源装置の回路図である。

図１に示す電源装置１は、バッテリＢ１の直流電圧を所定の目標電圧に昇圧して、電子装置Ｅ１に供給する装置である。
電源装置１は、平滑コンデンサ１０と、昇圧チョッパ回路１１、１２（電圧変換回路）と、駆動回路１３、１４とを備えている。

平滑コンデンサ１０は、バッテリＢ１の直流電圧を平滑するための素子である。平滑コンデンサ１０の一端はバッテリＢ１の正極端子に、他端はバッテリＢ１の負極端子にそれぞれ接続されている。

昇圧チョッパ回路１１は、バッテリＢ１の直流電圧を昇圧するための回路である。昇圧チョッパ回路１１は、コイル１１０と、ＭＯＳＦＥＴ１１１と、ダイオード１１２と、平滑コンデンサ１１３とを備えている。

コイル１１０は、電流が流れることによってエネルギーを蓄積する素子である。コイル１１０の一端は正極入力端子を介して平滑コンデンサ１０の正極端子に、他端はＭＯＳＦＥＴ１１１及びダイオード１１２に接続されている。

ＭＯＳＦＥＴ１１１は、スイッチングすることによって、コイル１１０にエネルギーを蓄積、又は、コイル１１０からエネルギーを放出させるための素子である。ＭＯＳＦＥＴ１１１のドレインはコイル１００の他端に、ソースは負極入力端子を介して平滑コンデンサ１０の他端にそれぞれ接続されている。また、ＭＯＳＦＥＴ１１１のゲートは、駆動回路１３に接続されている。

ダイオード１１２は、コイル１１０から放出されるエネルギーを平滑コンデンサ１１３及び電子装置Ｅ１に供給するとともに、逆流を防止するための素子である。ダイオード１１２のアノードはコイル１１０とＭＯＳＦＥＴ１１１の接続点に、カソードは平滑コンデンサ１１３にそれぞれ接続されている。

平滑コンデンサ１１３は、ダイオード１１２のカソードに現れる昇圧された直流電圧を平滑するための素子である。平滑コンデンサ１１３の一端はダイオード１１２のカソードに、他端はＭＯＳＦＥＴ１１１のソースにそれぞれ接続されている。また、平滑コンデンサ１１３の一端は正極出力端子を介して電子装置Ｅ１の正極端子に、他端は負極出力端子を介して電子装置Ｅ１の負極端子にそれぞれ接続されている。

昇圧チョッパ回路１２は、バッテリＢ１の直流電圧を昇圧するための回路である。昇圧チョッパ回路１２は、昇圧チョッパ回路１１と同様に、コイル１２０と、ＭＯＳＦＥＴ１２１と、ダイオード１２２と、平滑コンデンサ１２３とを備えている。昇圧チョッパ回路１２は、昇圧チョッパ回路１１と同一構成である。昇圧チョッパ回路１２は、昇圧チョッパ回路１１に並列接続されている。具体的には、昇圧チョッパ回路１２の正極入力端子及び負極入力端子が、昇圧チョッパ回路１１の正極入力端子及び負極入力端子にそれぞれ接続されている。また、昇圧チョッパ回路１２の正極出力端子及び負極出力端子が、昇圧チョッパ回路１１の正極出力端子及び負極出力端子にそれぞれ接続されている。

駆動回路１３は、ＭＯＳＦＥＴ１１１をスイッチングさせるための駆動信号としてＰＷＭ信号（パルス幅変調信号）を出力する回路である。駆動回路１３は、昇圧チョッパ回路１１の出力電圧が所定の目標電圧になるように、ＭＯＳＦＥＴ１１１のＰＷＭ信号のデューティを調整する。ここで、駆動回路１３の出力するＰＷＭ信号の周波数は、ｆｓｗ１に設定されている。駆動回路１３は、昇圧チョッパ回路１１の正極出力端子、及び、ＭＯＳＦＥＴ１１１のゲートにそれぞれ接続されている。

駆動回路１４は、ＭＯＳＦＥＴ１２１をスイッチングさせるための駆動信号としてＰＷＭ信号を出力する回路である。駆動回路１４は、昇圧チョッパ回路１２の出力電圧が所定の目標電圧になるように、ＭＯＳＦＥＴ１２１のＰＷＭ信号のデューティを調整する。ここで、駆動回路１４の出力するＰＷＭ信号の周波数は、駆動回路１３の出力するＰＷＭ信号の周波数よりわずかに高いｆｓｗ２に設定されている。なお、駆動回路１３の出力するＰＷＭ信号の周波数ｆｓｗ１と、駆動回路１４の出力するＰＷＭ信号の周波数ｆｓｗ２は、互いに整数倍の関係とならない一定周波数に設定されている。また、周波数ｆｓｗ１と周波数ｆｓｗ２の差分周波数が可聴周波数域以外の周波数となるように設定されている。具体的には、２０Ｈｚ〜２０ｋＨｚ以外の周波数となるように設定されている。駆動回路１４は、昇圧チョッパ回路１２の正極出力端子、及び、ＭＯＳＦＥＴ１２１のゲートにそれぞれ接続されている。

次に、図１〜図４を参照して電源装置の動作について説明する。ここで、図２は、所定時における昇圧チョッパ回路の出力電流と電源装置の出力電流を示すグラフである。図３は、図２とは異なる所定時における昇圧チョッパ回路の出力電流と電源装置の出力電流を示すグラフである。図４は、ＭＯＳＦＥＴのスイッチングに伴うノイズの周波数スペクトラムを示すグラフである。

図１において、駆動回路１３は、昇圧チョッパ回路１１の出力電圧が所定の目標電圧になるように、周波数がｆｓｗ１であるＰＷＭ信号のデューティを調整する。ＭＯＳＦＥＴ１１１は駆動回路１３のＰＷＭ信号に基づいてスイッチングし、コイル１１０にエネルギーを蓄積、又は、コイル１１０からエネルギーを放出させる。コイル１１０から放出されるエネルギーは、ダイオード１１２を介して出力され、平滑コンデンサ１１３に平滑される。このようにして、昇圧チョッパ回路１１は、バッテリＢ１の直流電圧を所定の目標電圧に昇圧して電子装置Ｅ１に供給する。

一方、駆動回路１４は、昇圧チョッパ回路１２の出力電圧が所定の目標電圧になるように、周波数がｆｓｗ１よりわずかに高いｆｓｗ２であるＰＷＭ信号のデューティを調整する。ＭＯＳＦＥＴ１２１は、駆動回路１４のＰＷＭ信号に基づいてスイッチングし、コイル１２０にエネルギーを蓄積、又は、コイル１２０からエネルギーを放出させる。コイル１２０から放出されるエネルギーは、ダイオード１２２を介して出力され、平滑コンデンサ１２３に平滑される。このようにして、昇圧チョッパ回路１２も、バッテリＢ１の直流電圧を所定の目標電圧に昇圧して電子装置Ｅ１に供給する。

このとき、図２に示すように、昇圧チョッパ回路１１の出力電流は、ＭＯＳＦＥＴ１１１のスイッチングに伴って駆動回路１３のＰＷＭ信号の周波数ｆｓｗ１で周期的に変化する。一方、昇圧チョッパ回路１２の出力電流は、ＭＯＳＦＥＴ１２１のスイッチングに伴って駆動回路１４のＰＷＭ信号の周波数ｆｓｗ２で周期的に変化する。しかし、駆動回路１３のＰＷＭ信号の周波数ｆｓｗ１と、駆動回路１４のＰＷＭ信号の周波数ｆｓｗ２は、互いに整数倍の関係とならないように設定されている。そのため、図２及び図３に示すように、昇圧チョッパ回路１２の出力電流と昇圧チョッパ回路１３の出力電流の位相差は、時間の経過とともに変化し、周期的に増減を繰り返すこととなる。

昇圧チョッパ回路１１、１２の出力端子が共通接続されていることから、電源装置１の出力電流は、昇圧チョッパ回路１１、１２の出力電流が加算されたものとなり、昇圧チョッパ回路１１、１２の出力電流に含まれる周波数成分を有する。ＭＯＳＦＥＴ１１１、１２１のスイッチングに伴うノイズは、電源装置１の出力電流の変化によって発生する。そのため、電源装置１の出力電流に含まれる周波数成分を有している。従って、図４に示すように、ＭＯＳＦＥＴ１１１、１２１のスイッチングに伴うノイズの周波数スペクトラムは、駆動回路１３のＰＷＭ信号の周波数ｆｓｗ１と、駆動回路１４のＰＷＭ信号の周波数ｆｓｗ２にピークを有する。また、周波数ｆｓｗ１及び周波数ｆｓｗ２の高調波の周波数に、周波数ｆｓｗ１及び周波数ｆｓｗ２より低いピークを有する。さらに、周波数ｆｓｗ１と周波数ｆｓｗ２の差分周波数に、周波数ｆｓｗ１及び周波数ｆｓｗ２より低いピークを有する。前述したように、周波数ｆｓｗ１と周波数ｆｓｗ２は、互いに整数倍の関係とならないように設定されている。そのため、周波数ｆｓｗ１と周波数ｆｓｗ２の位相差は、時間の経過とともに周期的に変化する。従って、これらのＰＷＭ信号の位相差によって決まる周波数が拡散することとなる。これにより、全体としてピーク値が低下することとなる。

最後に、効果について説明する。本実施形態によれば、ＭＯＳＦＥＴ１１１、１２１のスイッチングに伴うノイズの周波数スペクトラムにおいて、ＰＷＭ信号の位相差によって決まる周波数にピークを有することとなる。しかし、ＰＷＭ信号の周波数ｆｓｗ１、ｆｓｗ２は、互いに整数倍の関係とならないように設定されている。そのため、ＰＷＭ信号の位相差が時間の経過とともに周期的に変化する。従って、ＰＷＭ信号の位相差によって決まる周波数を拡散させることができ、全体としてピーク値をより低下させることができる。しかも、駆動回路１３、１４は、互いに整数倍の関係とならないような周波数のＰＷＭ信号を出力だけでよい。そのため、従来のような、ＰＷＭ信号間の位相管理が不要であり、駆動回路１３、１４の構成を簡素化することができる。従って、車両に搭載され、バッテリＢ１の電圧を昇圧して電子装置Ｅ１に供給する電源装置１において、簡素な構成で、スイッチングに伴うノイズをより確実に抑えることができる。

また、本実施形態によれば、ＭＯＳＦＥＴ１１１、１２１のスイッチングに伴うノイズの周波数スペクトラムにおいて、周波数ｆｓｗ１と周波数ｆｓｗ２の差分周波数にピークを有することとなる。しかし、周波数ｆｓｗ１と周波数ｆｓｗ２の差分周波数は、可聴周波数域以外の周波数となるように設定されている。具体的には、２０Ｈｚ〜２０ｋＨｚ以外の周波数となるように設定されている。そのため、ノイズに伴う耳障りな雑音の発生を抑えることができる。

さらに、本実施形態によれば、並列接続された昇圧チョッパ回路１１、１２によってバッテリＢ１の直流電圧を確実に昇圧し、電子装置Ｅ１に供給することができる。

なお、本実施形態では、駆動回路１３、１４のＰＷＭ信号の周波数ｆｓｗ１、ｆｓｗ２が、互いに整数倍の関係とならない一定周波数に設定されている例を挙げているが、これに限られるものではない。駆動回路１３、１４のＰＷＭ信号の周波数は、互いに整数倍の関係とならない範囲内で変動させてもよい。これにより、スイッチングに伴うノイズの周波数スペクトラムにおいて、ピークとなるＰＷＭ信号の周波数を拡散させることができ、ピーク値をより低下させることができる。従って、スイッチングに伴うノイズをより一層抑えることができる。

また、本実施形態では、電源装置が、２つの昇圧チョッパ回路１１、１２を並列接続して構成されている例を挙げているが、これに限られるものではない。３つ以上の昇圧チョッパ回路を並列接続して構成されていてもよい。それぞれのＰＷＭ信号の周波数が、互いに整数倍の関係とならないように設定されていれば、同様の効果を得ることができる。

さらに、本実施形態では、電源装置１が、ＭＯＳＦＥＴ１１１、１２１を備え、直流電圧を昇圧する昇圧チョッパ回路１１、１２を並列接続して構成されている例を挙げているが、これに限られるものではない。スイッチング素子を備え、直流電圧を降圧、又は、交流電圧を直流電圧に変換する電圧変換回路を並列接続して構成されていてもよい。

加えて、本実施形態では、昇圧チョッパ回路１１、１２の入力端子が、ともにバッテリＢ１に接続されている例を挙げているが、これに限られるものではない。入力端子が、それぞれ別のバッテリに接続されていてもよい。出力端子が共通接続されていればよい。

１・・・電源装置、１０・・・平滑コンデンサ、１１、１２・・・昇圧チョッパ回路（電圧変換回路）、１１０、１２０・・・コイル、１１１、１２１・・・ＭＯＳＦＥＴ、１１２、１２２・・・ダイオード、１１３、１２３・・・平滑コンデンサ、１３、１４・・・駆動回路、Ｂ１・・・バッテリ、Ｅ１・・・電子装置

Claims (4)

1. スイッチング素子を有し、前記スイッチング素子をスイッチングさせることによって、入力された電圧を異なる電圧に変換して出力する、出力が共通接続された複数の電圧変換回路と、
   複数の前記電圧変換回路のそれぞれの前記スイッチング素子に接続され、前記スイッチング素子をスイッチングするための所定周波数の駆動信号を、それぞれの前記スイッチング素子に対して出力する駆動回路と、
   を備えた電源装置において、
   前記駆動回路がそれぞれの前記スイッチング素子に対して出力する前記駆動信号の周波数は、時間とともに変動し、かつ、それぞれの前記スイッチング素子に対して出力する前記駆動信号の周波数は、互いに整数倍の関係とならないように設定されていることを特徴とする電源装置。
2. 前記駆動回路がそれぞれの前記スイッチング素子に対して出力する前記駆動信号の周波数の差分周波数は、可聴周波数域以外の周波数となるように設定されていることを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
3. 前記電圧変換回路は、入力された直流電圧を異なる直流電圧に変換、又は、入力された交流電圧を異なる直流電圧に変換することを特徴とする請求項１又は２のいずれか１項に記載の電源装置。
4. 車両に搭載され、入力された電圧を異なる電圧に変換することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電源装置。

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