JP5355617B2

JP5355617B2 - 電源装置

Info

Publication number: JP5355617B2
Application number: JP2011097000A
Authority: JP
Inventors: 徹醍醐; 伸浩木原; 直樹糸井
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2011-04-25
Filing date: 2011-04-25
Publication date: 2013-11-27
Anticipated expiration: 2031-04-25
Also published as: US8854016B2; DE102011084604B4; US20120268972A1; US8803488B2; JP2012231557A; US20140204634A1; DE102011084604A1

Description

この発明は、入力電圧を変圧し、安定な電圧を出力する電源装置に関し、特に、スイッチ素子を制御するスイッチング周波数を可変する電源装置に係る。

従来例を示す特許文献１には、機器の状況を制御するマイコンからの指示にて、高負荷時にスイッチング周波数を変動させ、スイッチングが可能なレベルまで下げることによりスイッチングロスを低減し、また、低負荷時には、周波数を戻し、定常の周波数で動作させ、コイルのリアクタンス値を低負荷時の最適な値に設定でき必要以上に高く設定しなくよいものが開示されている。

特開２００４−３２８８３４号公報（段落００１７）

上述した従来例では、負荷が一定の場合、スイッチ素子を制御するスイッチング周波数も一定となる。しかし、自動車の発電機などでは、負荷が一定であっても入力端子に入力される入力電圧が一定ではない場合がある。この場合、例えば、負荷の多い状態では、スイッチング周波数を低く設定してしまうため、入力電圧が高い場合、スイッチング周波数が低いとリプル（ripple）電流が増大し、許容値を超えるということが問題となる。なお、リプル電流が許容値を超えると（出力）平滑コンデンサの内部抵抗により、出力平滑コンデンサが発熱し、出力平滑コンデンサの劣化が加速する。出力平滑コンデンサの劣化が進むと、出力平滑コンデンサがリプル電流を吸収できなくなり、電源装置の出力が不安定となり、電源装置に接続した機器が誤動作するという弊害が起こり、避けねばならない。
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、入力電圧が変動したときに、スイッチング周波数を変化させ、入力電圧に係わらずリプル電流を許容値以下にできる電源装置を提供することを目的とするものである。

この発明に係わる電源装置は、入力端子に接続されスイッチング駆動されるスイッチ素子と、整流素子と、前記スイッチ素子と前記整流素子により変圧された入力電圧を平滑するリアクトルと、前記リアクトルの出力を平滑する平滑コンデンサと、出力電流を検出する電流検出器と、前記スイッチ素子のDUTY比を出力電圧と目標電圧から演算し、前記電流検出器で検出される電流から判断される負荷状態からスイッチング周波数を演算し、前記スイッチ素子を制御するスイッチ制御手段とを備え、スイッチング周波数の演算を前記電流検出器で検出される電流によって、電流が大きければスイッチング周波数を低く、電流が小さければスイッチング周波数を高く設定するように演算する電源装置であって、入力端子に入力される入力電圧によって、入力電圧が高ければ、スイッチング周波数を高く、入力電圧が低ければ、スイッチング周波数を低く設定し、前記電流検出器で検出される電流で設定されるスイッチング周波数が、入力電圧によって設定されるスイッチング周波数よりも低くならないようにスイッチング周波数を制限して前記スイッチ素子を制御するものである。

また、この発明に係わる電源装置は、入力端子に接続されスイッチング駆動されるスイッチ素子と、整流素子と、前記スイッチ素子と前記整流素子により変圧された入力電圧を平滑するリアクトルと、前記リアクトルの出力を平滑する平滑コンデンサと、出力電流を検出する電流検出器と、前記スイッチ素子のDUTY比を出力電圧と目標電圧から演算し、前記電流検出器で検出される電流から判断される負荷状態からスイッチング周波数を演算し、前記スイッチ素子を制御するスイッチ制御手段とを備え、スイッチング周波数の演算を前記電流検出器で検出される電流によって、電流が大きければスイッチング周波数を低く、電流が小さければスイッチング周波数を高く設定するように演算する電源装置であって、さらに、発電機と、前記発電機から出力された交流電圧を整流して得た直流電圧が設定電圧に対して許容範囲を超えたときに前記発電機を制御する発電機制御手段とを備え、許容範囲を超えたときに前記発電機制御手段から前記発電機を制御する信号が発生した場合は、その信号を受けた前記スイッチ制御手段は、前記電流検出器で検出される電流で設定されるスイッチング周波数に替えて、スイッチングが可能な最高級のスイッチング周波数を設定し、前記スイッチ素子を制御するものである。

この発明の電源装置によれば、入力電圧が高ければ、スイッチング周波数を高く、入力電圧が低ければ、スイッチング周波数を低く制限することで、入力電圧に係わらず、一定のリプル電流を出力できるため、入力電圧が高く負荷の多い状態では、スイッチング周波数を高くすることでリプル電流を許容値以下にでき、入力電圧が低く負荷の多い状態では、スイッチング周波数を低くできるため高効率な電源装置が得られる。

また、この発明の電源装置によれば、発電機と、前記発電機から出力された交流電圧を整流して得た直流電圧が設定電圧に対して許容範囲を超えたときに前記発電機を制御する発電機制御手段とを備え、許容範囲を超えたときに前記発電機制御手段から前記発電機を制御する信号が発生した場合は、その信号を受けた前記スイッチ制御手段は、前記電流検出器で検出される電流で設定されるスイッチング周波数に替えて、スイッチングが可能な最高級のスイッチング周波数を設定し、前記スイッチ素子を制御するので、入力電圧の変動に追いつけない演算処理の遅い演算機器でも安定して許容でき、リプル電流値以下にすることができ、また、入力電圧が高く、負荷の多い状態ではスイッチング周波数を高くすることでリプル電流を許容値以下にでき、リプル電流を常に許容値以下にできるためヒートシンク形状を小さくでき小型な電源装置が得られる。

この発明の実施の形態１における電源装置の構成を示すブロック図である。この発明の実施の形態1の電源装置におけるスイッチ制御手段の動作を示すフローチャートである。この発明の実施の形態1の電源装置における時間に対する電流を示す図である。この発明の実施の形態１の電源装置における出力電流変動に対するスイッチング周波数の設定例を示す図である。この発明の実施の形態１の電源装置における入力電圧変動に対するスイッチング周波数の設定例を示す図である。この発明の実施の形態２の電源装置におけるスイッチ制御手段の動作を示すフローチャートである。この発明の実施の形態３における電源装置の構成を示すブロック図である。この発明の実施の形態３の電源装置におけるスイッチ制御手段の動作を示すフローチャートである。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１における電源装置の構成を示すブロック図である。図に
おいて、電源装置は、入力端子１に接続されスイッチング駆動されるスイッチ素子２と、陽極側が接地され陰極側がスイッチ素子２の出力端に接続された整流素子３と、スイッチ素子２の出力端に接続され、スイッチ素子２と整流素子３により変圧された入力電圧を平滑するリアクトル４と、リアクトル４の出力側に設けられ出力電流を検出する電流検出器５と、リアクトル４の出力側と接地間に接続されリアクトル４の出力を平滑する平滑コンデンサ６と、スイッチ素子２を制御するスイッチ制御手段８とから構成される。スイッチ制御手段８は、入力端子１に入力される入力電圧と、電流検出器５で検出される電流から判断される負荷状態と、出力端子７に出力される出力電圧を用いて、スイッチ素子２のDUTY比とスイッチング周波数を演算して、スイッチ素子２を制御する。

スイッチ制御手段８がスイッチ素子２をＯＮと制御したとき、リアクトル４に電流が流れ、スイッチ制御手段８がスイッチ素子２をＯＦＦと制御したとき、リアクトル４の逆起電力により、整流素子３からリアクトル４に向けて電流が流れ、平滑コンデンサ６により、出力端子７に出力が得られる。スイッチ素子２のＯＮ時間が長いほど、出力電圧は入力電圧に近づき、スイッチ素子２のＯＮ時間が短いほど、出力電圧は入力電圧より低くなる。スイッチ素子２のＯＮ／ＯＦＦのタイミングは、スイッチ素子２のＯＮ／ＯＦＦの周波数であるスイッチング周波数と、スイッチ素子２のＯＮとＯＦＦの比率であるDUTY比（DUTY比＝ＯＮ／周期）によって決定される。スイッチ素子２のＯＮ／ＯＦＦのタイミングを制御するスイッチ制御手段８の動作について以下に説明を行う。

図２は実施の形態１の電源装置におけるスイッチ制御手段の動作を示すフローチャートである。スイッチ制御手段８は、電源投入直後、入力端子１より非安定化電圧(発電機な
どの直流電圧)として入力された入力電圧を、DUTY比の演算を行うために取得し、取
得した入力電圧と目標とする出力電圧(設定された目標電圧)とを用いて、DUTY比（＝目標電圧／入力電圧）の演算を行う(ステップ２１，２２)。なお、初回（又は初期）のDUTY比は入力電圧と目標電圧を用いて行う演算を示したが、所望のDUTY比を与えて、演算を行ってもよい。

その後、スイッチ制御手段８は、効率よく出力電圧を目標電圧に制御するため、電流検出器５により検出される電流(出力電流)を取得し、出力電流に対し、電流不連続モードにならないように、スイッチング周波数を設定する。ここで、電流不連続モードについて図３を用いて、説明を行う。図３は時間に対する電流を示したものである。ＩLはリアクト
ル４に流れるリアクトル電流、Ｉoutは出力端子７に流れる出力電流、Ｉrは平滑コンデンサ６へ流れるコンデンサリプル電流、Ｉminは最小値リプル電流である。電流不連続モー
ドとはリアクトルに電流が流れない区間ができる現象をいう。電流不連続モードでは、リアクトル電流ＩLが断続的になるため、リアクトル電流ＩLが連続的に流れる(電流連続モ
ード) で演算されるDUTY比の計算方法と電流不連続モードで行うDUTY比の計算方法が異なる。電流連続モードと同じタイミングでスイッチングを行った場合、負荷に供給するエネルギー量が過剰となってしまう。

この電流不連続モードにならないスイッチング周波数の演算について説明を行う。リプル電流Ｉrは入力電圧Ｖin、出力電圧Ｖout、リアクトルの容量Ｌ、DUTY比Ｄ、スイッチング周波数ｆswを用いて式（１）に従い計算できる。最小値リプル電流Ｉminは式（２）に
従い計算できる。電流不連続モードにならない条件は最小値リプル電流Ｉminが負の値に
ならなければ、リアクトル電流ＩLが連続的に流れるため、式（３）となる。ここから、
スイチング周波数ｆswは、式（４）で計算できる。

出力電流の状態から、電流不連続モードにならないようにスイッチング周波数を演算する(ステップ２３，２４)。このとき、電流が大きく負荷の多い状態では、スイッチング周波数を低くできるため、効率をよくする（スイッチングロスを小さくする）ことができる。例えば、式（４）を用いれば、出力電圧Ｖoutを１０Ｖ、リアクトルの容量Ｌを５μＨ
（＝５×１０^−６Ｈ）、DUTY比ＤをＶout／Ｖin、入力電圧Ｖinを３０Ｖ、出力電流Iout
を６Ａ〜５０Ａとした場合、スイッチング周波数ｆswが計算できる。図４はこのときの出力電流[Ａ]変動に対するスイッチング周波数[ｋＨｚ]の設定例を示す図である。

また、ステップ２２の処理後、ステップ２３，２４と並行して、入力端子１より入力された入力電圧をスイッチング周波数の演算を行うために取得し、取得した入力電圧を用いて、リプル電流が許容量を超えないように、スイッチング周波数の演算を行う（ステップ３０，３１）。

ここで、入力電圧に対し、リプル電流が許容量を超えないスイッチング周波数の演算について説明を行う。リプル電流Ｉrを示す式(１)から、スイッチング周波数ｆswは、式（
５）で計算できる。

例えば、式（５）を用いれば、許容できるリプル電流Ｉrを1５Ａとし、出力電圧Ｖout
を１０Ｖ、リアクトルの容量Ｌを５μＨ（＝５×１０^−６Ｈ）、DUTY比DをＶout／Ｖin、入力電圧Ｖinが１５Ｖ〜３０Ｖとした場合、スイッチング周波数ｆswが計算できる。図５はこのときの入力電圧[Ｖ]変動に対するスイッチング周波数[ｋＨｚ]の設定例を示す図である。

次に、スイッチ制御手段８は電流検出器５により検出された電流を用いて演算されたスイッチング周波数が入力端子１から入力された入力電圧を用いて演算されたスイッチング
周波数よりも低くならないようにスイッチング周波数を制限する（ステップ３２）。

前記DUTY比（ステップ２２で演算されたDUTY比）と前記で演算されたスイッチング周波数を用いて、スイッチ素子２を制御する（ステップ２５）。最後にスイッチ制御手段８は、出力端子７より取得した出力電圧と目標電圧を用いて、DUTY比を
DUTY比×出力電圧／目標電圧に更新する（ステップ２６，２７）。ステップ２３〜２７及びステップ３０〜３２を繰り返し行うことで、安定した電圧を供給できる。

このように、実施の形態１によれば、負荷の状態から設定されたスイッチング周波数を、入力電圧が高い場合、スイッチング周波数を高くし、入力電圧が低い場合、スイッチング周波数を低く制限することで、入力電圧に係わらず、一定のリプル電流を出力できるため、入力電圧が高く負荷の多い状態では、スイッチング周波数を高くすることでリプル電流を許容値以下にでき、入力電圧が低く負荷の多い状態では、スイッチング周波数を低くできるため高効率であり、リプル電流を常に許容値以下にできるためヒートシンク形状を小さくでき小型な電源装置が得られる。

実施の形態２．
図６は実施の形態２の電源装置におけるスイッチ制御手段の動作を示すフローチャートである。なお、各図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。図６に示すように、スイッチ制御手段８は、ステップ２２の処理後、ステップ２３，２４と並行して、入力端子１より入力された入力電圧をスイッチング周波数の演算を行うために取得し、取得した入力電圧を用いて、リプル電流が許容量を超えないように、実施の形態１と同様に、スイッチング周波数の演算を行う（ステップ３０，３１）。

次に、スイッチ制御手段８は電流検出器５により検出された電流を用いて演算されたスイッチング周波数と、入力端子１から入力された入力電圧を用いて演算されたスイッチング周波数とを比較し、両方の中で高い方のスイッチング周波数を最終的なスイッチング周波数として選択する（ステップ４０，４１）。次のステップ２５〜２７は実施の形態１と同様に動作させる。以後、ステップ２３〜２７、ステップ３０，３１及びステップ４０，４１を繰り返し行うことで、安定した電圧を供給できる。

このように、実施の形態２によれば、負荷が多い状態ではスイッチング周波数を低く、負荷の少ない状態ではスイッチング周波数を高く設定するように演算を行い、入力電圧が高い場合、スイッチング周波数を高くし、入力電圧が小さい場合、スイッチング周波数を低く設定するように演算を行い、負荷の状態で得られるスイッチング周波数と入力電圧の状態で得られるスイッチング周波数とを比較し、両方の中で高い方のスイッチング周波数を選択することで、入力電圧に係わらず、一定のリプル電流を出力できる。従って、入力電圧が高く、負荷の多い状態では、スイッチング周波数を高くすることでリプル電流を許容値以下にでき、入力電圧が低く、負荷の多い状態ではスイッチング周波数を低くできるため高効率であり、リプル電流を常に許容値以下にできるためヒートシンク形状を小さくでき小型な電源装置が得られる。

実施の形態３．
図７は実施の形態３における電源装置の構成を示すブロック図である。電源装置において、構成要素１〜８はスイッチ制御手段８の動作を除いて、構成は実施の形態１と同様である。発電装置９は、交流電圧を出力する発電機１０、発電機１０で出力された交流電圧を整流して直流電圧を出力する整流器１１と、整流器１１が出力する直流電圧を監視し、その直流電圧が設定電圧になるように発電機１０の回転数を制御する発電制御手段１２で構成される。

発電装置９の動作について説明する。発電機１０は外部の指令で回転数を自由に変化でき、回転数に比例した交流電圧を出力する。発電制御手段１２は、目標とする設定電圧から整流器１１が出力する直流電圧を引いた値が、電圧の変動を許容できる正負の閾値より、正に大きい場合、回転を増やすように指令し、設定電圧から整流器１１が出力する直流電圧を引いた値が電圧の変動を許容できる閾値より、負に大きい場合、回転を減らすように発電機１０に対して指令を行う。このとき、つまり、発電機１０から出力された交流電圧を整流して得た直流電圧が設定電圧に対して許容範囲を超えたときに、発電制御手段１２は、スイッチ制御手段８に発電制御手段１２が発電機１０へ指令を行っていることを示す信号(以下、発電量変更信号と呼ぶ)を送る。また、発電量変更信号が送られている区間は、発電機１０から出力された交流電圧を整流して得た直流電圧が設定電圧に対して許容範囲を超えている区間である。

設定電圧から整流器１１が出力する直流電圧を引いた値が、電圧の変動を許容できる閾値（許容範囲）以内である場合は、発電機１０へ指令を行わない。このとき、発電制御手段１２は、スイッチ制御手段８に発電量変更信号を送らない。

図８は実施の形態３の電源装置におけるスイッチ制御手段の動作を示すフローチャートである。図中で実施の形態１と同一符号を付したステップの説明は省略する。ステップ２２に続くステップ５０では、発電量変更信号の有無を判断する。発電量変更信号がない場合は、スイッチ制御手段８は、ステップ２３〜２７を実施し、再び、ステップ５０に戻る。これを繰り返し行うことで、安定した電圧を供給できる。

次に、発電量変更信号があり、発電量変更信号の情報が回転を増やす、つまり、発電量を増やし、入力端子1に入力される電圧が高くなる場合を説明する。スイッチ制御手段８
は、ステップ５０に続くステップ５１では、発電量変更信号の情報を判断する。発電量変更信号が入力電圧増加の情報である場合、スイッチ制御手段８は、負荷の状態や入力電圧に係わらず、スイッチングを可能にするために最高級のスイッチング周波数（高い周波数）を設定する（ステップ５１）。その後、ステップ２５〜２７を実施し、再び、ステップ５０に戻る。これを繰り返し行うことで、安定した電圧を供給できる。最高級のスイッチング周波数とは式(５)の入力電圧Vinに設計時に想定した最大入力電圧を代入し、演算されるスイッチング周波数である。

次に、発電量変更信号があり、発電量変更信号の情報が回転を減らす、つまり、発電量を減らし、入力端子1に入力される電圧が低くなる場合、発電量変更信号がないと同様に
、スイッチ制御手段８は、ステップ２３〜２７を実施し、再び、ステップ５０に戻る。これを繰り返し行うことで、安定した電圧を供給できる。

このように、スイッチ制御手段８は発電量変更信号を受け取っているとき、すなわち、入力電圧が許容範囲を超えて変動しているときは、入力電圧が低い状態から、高い状態へ変動したとき、スイッチ制御手段８は入力電圧が高いと判定し、本来ならば、スイッチ制御手段８はスイッチング周波数を低い状態から、高い状態へ変更するが、スイッチ制御手段８の演算処理が遅い場合、スイッチ制御手段８は、入力電圧の変動に追いつけず、入力電圧が高い状態で、低いスイッチング周波数でスイッチ素子２を制御し、リプル電流が増大する。この入力電圧変動時に、予め、スイッチング周波数を高くすることで、リプル電流を許容値以下にすることができる。また、入力電圧が高く、負荷の多い状態では、スイッチング周波数を高くすることでリプル電流を許容値以下にできる。リプル電流を常に許容値以下にできるため、平滑コンデンサの劣化を防ぐことができ、安定した電源装置が得られる。

なお、実施の形態において、スイッチ制御手段８はマイコンとゲートドライバＩＣなど
を組み合わせることで実現でき、電流検出器５はシャント抵抗とアンプを組み合わせたものや、ホール式電流検出ＩＣなどを用いることで実現でき、発電制御手段１２はマイコンを用いることで実現できる。また、整流器３としてダイオードを例にあげたが、MOSFETやIGBTなどのスイッチング素子により整流を行うことができるため、必ずしもこれに限るものではない。

１入力端子２スイッチ素子
３整流素子４リアクトル
５電流検出器６平滑コンデンサ
７出力端子８スイッチ制御手段
９発電装置１０発電機
１１整流器１２発電制御手段

Claims

入力端子に接続されスイッチング駆動されるスイッチ素子と、
整流素子と、
前記スイッチ素子と前記整流素子により変圧された入力電圧を平滑するリアクトルと、
前記リアクトルの出力を平滑する平滑コンデンサと、
出力電流を検出する電流検出器と、
前記スイッチ素子のDUTY比を出力電圧と目標電圧から演算し、前記電流検出器で検出される電流から判断される負荷状態からスイッチング周波数を演算し、前記スイッチ素子を制御するスイッチ制御手段とを備え、
スイッチング周波数の演算を前記電流検出器で検出される電流によって、電流が大きければスイッチング周波数を低く、電流が小さければスイッチング周波数を高く設定するように演算する電源装置であって、
入力端子に入力される入力電圧によって、入力電圧が高ければ、スイッチング周波数を高く、入力電圧が低ければ、スイッチング周波数を低く設定し、
前記電流検出器で検出される電流で設定されるスイッチング周波数が、入力電圧によって設定されるスイッチング周波数よりも低くならないようにスイッチング周波数を制限して前記スイッチ素子を制御することを特徴とする電源装置。
前記電流検出器で検出される電流で設定されるスイッチング周波数と、入力電圧によって設定されるスイッチング周波数とを比較し、高い方のスイッチング周波数を選択して前記スイッチ素子を制御するようにした請求項１記載の電源装置。
入力端子に接続されスイッチング駆動されるスイッチ素子と、
整流素子と、
前記スイッチ素子と前記整流素子により変圧された入力電圧を平滑するリアクトルと、
前記リアクトルの出力を平滑する平滑コンデンサと、
出力電流を検出する電流検出器と、
前記スイッチ素子のDUTY比を出力電圧と目標電圧から演算し、前記電流検出器で検出される電流から判断される負荷状態からスイッチング周波数を演算し、前記スイッチ素子を制御するスイッチ制御手段とを備え、
スイッチング周波数の演算を前記電流検出器で検出される電流によって、電流が大きければスイッチング周波数を低く、電流が小さければスイッチング周波数を高く設定するように演算する電源装置であって、
さらに、発電機と、
前記発電機から出力された交流電圧を整流して得た直流電圧が設定電圧に対して許容範囲を超えたときに前記発電機を制御する発電機制御手段とを備え、
前記許容範囲を超えたときに前記発電機制御手段から前記発電機を制御する信号が発生した場合、前記信号を前記スイッチ制御手段で受け、前記信号が発電量を増やす増加信号であるとき、前記スイッチ制御手段は、前記電流検出器で検出される電流で設定されるスイッチング周波数に替えて、スイッチングが可能な最高級のスイッチング周波数を設定し、前記スイッチ素子を制御することを特徴とする電源装置。
前記スイッチ素子における初期のDUTY 比は、入力端子から入力される入力電圧と前記
目標電圧から演算する請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の電源装置。