JP5411868B2 - スイッチモード電源を制御する方法、及び対応する電源 - Google Patents

Description

本発明は、スイッチモード電源に関し、特にスイッチング式電源に関する。

スイッチモード電源は、ＤＣ電圧から、またはＤＣ電流から、異なる値のＤＣ電圧またはＤＣ電流を得られるようにする電気素子である。従って、ハイブリッド車両または電動機付き車両の場合、種々の電気機器部品または電動エンジンは、エネルギー蓄積素子（例えば、バッテリ）から動力を供給することができ、電源電圧に直接比例するエネルギー効率を実現できる。しかしながら、蓄積素子が供給する電圧は、当該蓄積素子の充電状態によって変わり得る。

蓄積素子の充電状態に関係なく常に高い電源電圧を維持するために、スイッチモード電源が普通、蓄積素子と電気機器部品または電動エンジンとの間に配置される。スイッチモード電源の目的は、機器部品用の、またはエンジン用の電源電圧を変更および制御して、これらの構成部品のエネルギー効率を高い値に維持することにある。しかしながら、スイッチモード電源を使用すると、電気回路の更なる損失が生じる。

更に具体的に説明するために、スイッチング式スイッチモード電源が、直列接続される２つのスイッチを含む事例について考察する。これらのスイッチは普通、バイポーラトランジスタまたは電界効果トランジスタである。これらのスイッチは、周期的に送信され、かつ２つのスイッチの間で時間的にずれを持った開放信号及び閉鎖信号により制御されるので、これらの２つのスイッチが同時に同じスイッチング状態（閉鎖状態または開放状態）になることがない。

これらの２つの設定を周期的に交互に変えることにより、かつ、１つの設定の期間を周期中に変化させることにより、スイッチモード電源の出力において所望の電圧値及び／又は所望の電流値を得ることができる。しかしながら、制御信号に対するスイッチの応答時間はゼロではないので、両方のスイッチを同時に同じスイッチング状態にしてしまう危険が生じる。従って、２つのスイッチが同時に閉じる場合、蓄積素子または電気機器を短絡させる危険性がある。

スイッチモード電源の２つのスイッチが同時に閉じる設定を避けるために、スイッチモード電源の設定が変わるたびに、２つのスイッチが開いている期間を設ける。しかしながら、デッドタイムと呼ばれるこれらの期間によって、非線形応答がスイッチモード電源から生じ、そしてこの非線形性は、１周期の期間に対するデッドタイム期間の比率とともに大きくなる。

系の非線形性を小さくするための１つの解決策は、デッドタイム期間を、当該期間を最短にすることにより特に適切にすることである。従って、米国特許出願第ＵＳ２００４／０１３０３０７号には、一方のトランジスタの閉鎖を、他方のトランジスタの開放により制御するスイッチング式スイッチモード電源が開示されている。国際特許出願第ＷＯ２００４／１１４５０９号は、デッドタイム期間を複数のトランジスタのうちの１つの端子群に現われる電圧の関数として決定するスイッチモード電源に関するものである。最後に、米国特許出願第ＵＳ２００６／０１５２２０４号では、出力電圧と基準電圧との差に基づいて、適用すべきデッドタイム期間を決定し、変換を制御することができる制御系を使用している。しかしながら、デッドタイムの短縮は、使用するスイッチの技術により依然として制限されている。

別の解決策では、スイッチ制御周波数を低くする。しかしながら、この解決策によってスイッチモード電源の損失が大きくなるので、効率が低下する。

米国特許出願第ＵＳ２００４／０１３０３０７号 国際特許出願第ＷＯ２００４／１１４５０９号 米国特許出願第ＵＳ２００６／０１５２２０４号

本発明の目的は、スイッチモード電源を制御して、当該電源の損失を抑制することにある。

本発明の目的は更に、スイッチモード電源を、デッドタイムが当該電源の応答に与える影響を抑制しながら、高いスイッチング周波数で制御することにある。

本発明の１つの態様によれば、設定可能な２つの直列接続スイッチを有するスイッチングセルを含むスイッチモード電源を制御する方法が提示され、前記スイッチングセルは、
−第１スイッチを閉じ、かつ第２スイッチを開く期間Ｔ１に亘る導通状態、及び
−前記第２スイッチを閉じ、かつ前記第１スイッチを開く期間Ｔ２に亘る導通遮断状態、
に繰り返し設定される。

本方法によれば、前記スイッチングセルは更に、前記第１スイッチ及び前記第２スイッチを、
−前記導通遮断状態と前記導通状態との間の期間Ｔｍ１、及び
−前記導通状態と前記導通遮断状態との間の期間Ｔｍ２
に亘って開く遷移状態に設定され、そして前記期間Ｔ１及び／又はＴ２は、前記期間Ｔｍ１及び／又はＴｍ２の関数として決定される。

従って、本方法により、デッドタイムがスイッチモード電源の応答に与える影響を補正するようにスイッチモード電源を制御する際に、デッドタイムの期間を考慮に入れることができる。更に詳細には、本方法の目的は、デッドタイムの期間を出来る限り短くするというのではなく、結果としてスイッチモード電源の導通遮断状態の期間、及び導通状態の期間をそれぞれ制御することにより、デッドタイムの影響を補償することにある。デッドタイムの影響が補償されるので、この場合も同じように、スイッチモード電源のスイッチング周波数を、従って当該電源の性能を、スイッチに関連する技術的制約があるのにも拘わらず、高めることが可能になる。

好適には、前記導通状態及び前記導通遮断状態の前記期間Ｔ１及び／又はＴ２はそれぞれ、非線形的に、所望のデューティサイクルの関数として決定される。

スイッチモード電源の動作を、出力と設定ポイントとの差の関数として線形的にしか変更しないフィードバックループとは異なり、本方法によって更に、デッドタイムによって生じる非線形性の影響を補償することが可能になる。

好適には、前記導通状態及び前記導通遮断状態の前記期間Ｔ１及び／又はＴ２はそれぞれ、前記所望のデューティサイクルの関数として、前記スイッチモード電源の入力電圧Ｖ１及び出力電圧Ｖ２によって変わり、かつ前記遷移状態の前記期間Ｔｍ１及び／又はＴｍ２によって変わる非線形モデルに基づいて決定される。

導通状態及び導通遮断状態の期間Ｔ１及び／又はＴ２を計算することを可能にする非線形モデルのパラメータ群は、系の種々の量、特にスイッチモード電源の入力電圧及び出力電圧、及び遷移状態の期間の関数として決定される。

好適には、前記所望のデューティサイクルは、線形的に、前記スイッチモード電源の前記出力電圧Ｖ２と設定ポイント電圧Ｖ_Ｃとの差の関数として決定される。

本方法は、スイッチモード電源の所望のデューティサイクルを、出力信号の関数として、かつ制御信号の関数として適切に設定することができる線形サーボ制御ステップを含み得る。詳細には、このサーボ制御によって自動的に、デッドタイムの影響を補償することが可能になる訳ではなく、サーボ制御によって、初段において、出力電圧と設定ポイント電圧とのいかなる差をも考慮に入れることが可能になるのである。

本発明の別の態様によれば、スイッチモード電源が提示され、該スイッチモード電源は、
−直列接続され、かつ制御信号に応答して設定することができる２つのスイッチを有するスイッチングセルと、
−前記制御信号を供給して、
−第１スイッチを閉じ、かつ第２スイッチを開く導通状態、及び
−前記第２スイッチを閉じ、かつ前記第１スイッチを開く導通遮断状態、
に前記スイッチングセルを繰り返し設定することができる制御手段と、
を備える。

本発明によれば、前記制御手段は、前記制御信号を供給して前記スイッチングセルを、前記第１スイッチ及び前記第２スイッチを、
−前記導通遮断状態と前記導通状態との間の期間Ｔｍ１、及び
−前記導通状態と前記導通遮断状態との間の期間Ｔｍ２
に亘って開く遷移状態に更に設定することができ、そして前記期間Ｔ１及び／又はＴ２は前記制御手段により、前記期間Ｔｍ１及び／又はＴｍ２の関数として決定される。

好適には、前記制御手段は、所望のデューティサイクルを受信し、前記期間Ｔ１及び／又はＴ２を供給する非線形手段を含む。

好適には、前記非線形手段は、前記スイッチモード電源の入力電圧Ｖ１及び出力電圧Ｖ２によって変わり、かつ前記期間Ｔｍ１及び／又はＴｍ２によって変わる非線形モデルを含む。

好適には、前記制御手段は、前記スイッチモード電源の前記出力電圧Ｖ２と設定ポイント電圧Ｖ_Ｃとの差を受信し、前記所望のデューティサイクルを供給する線形手段を含む。

好適には、ダイオードが各スイッチに並列に接続される。

別の態様によれば、本発明によるスイッチモード電源を備える原動機付き車両が提示される。

本発明の他の目的、特徴及び利点は、非制限的な例を通して提示され、かつ添付の図面に示される実施形態についての以下の詳細な記述を一読することにより明らかになるものと思われる。

添付の図は、スイッチングセル２及び制御手段３を備えるスイッチモード電源１を表わす。

スイッチングセル２は２つの入力端子を有し、これらの入力端子を介して、当該セルは、例えばバッテリのような蓄積手段から供給される入力電圧Ｖ１を受信する。当該スイッチングセル２は更に、２つの出力端子を有し、これらの出力端子を介して、当該セルは出力電圧Ｖ２を、例えば電気機器にまたは原動機付き車両の電動エンジンに供給する。

添付の図に示す例では、第１入力端子が第１出力端子に接続される一方で、第２入力端子は、誘導性素子４、例えばコイルの第１端子に接続される。誘導性素子４によって、特にこれらのスイッチをスイッチングしている間の電流を制限することができる。

スイッチングセル２は更に、第１スイッチ５と、第２スイッチ６と、を含む。これらのスイッチ５及び６は、例えばＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）または電界効果トランジスタである。以後、本記述においては、これらの２つのスイッチ５及び６はＩＧＢＴトランジスタであるとする。

これらの２つのスイッチ５，６、及び誘導性素子４は、電気ノードＮで一括接続される。更に詳細には、電気ノードＮは、誘導性素子４の第２端子、第１スイッチ５のエミッタ、及び第２スイッチ６のコレクタを接続する。第１スイッチ５のコレクタが、スイッチングセル２の第２出力端子に接続される一方で、第２トランジスタ６のエミッタは、スイッチングセル２の第１入力端子に、及び第１出力端子に接続される。これらの２つのスイッチ５及び６のベースは制御手段３に接続されるので、この制御手段３によって、スイッチングセル２を異なる状態に設定することができる。

第１スイッチ５及び第２スイッチ６と並列に、第１ダイオード７及び第２ダイオード８をそれぞれ接続し、第１ダイオード７のカソード、及び第２ダイオード８のカソードは、第１スイッチ５のコレクタ、及び第２スイッチ６のコレクタにそれぞれ接続される。

以後の記述では、中間電圧Ｖ３という表現を、電気ノードＮとスイッチングセルの第１入力端子または第１出力端子との間の電圧を指すために使用することにする。従って、電圧Ｖ３は、第２スイッチ６のコレクタとエミッタとの間に現われる電圧、或いは第２ダイオード８のカソードとアノードとの間に現われる電圧を表わす。

理論的には、制御手段３が相補制御信号を送信して、スイッチングセル２を２つの状態、すなわち、第１スイッチ５が閉じ、かつ第２スイッチ６が開く所謂第１の導通状態、及び第１スイッチ５が開き、かつ第２スイッチ６が閉じる所謂第２の導通遮断状態に連続的に設定する。

導通状態では、誘導性素子４を流れる電流Ｉ１は、第２出力端子を流れる電流Ｉ２に等しく、中間電圧Ｖ３は出力電圧Ｖ２に等しい。導通遮断状態では、第２出力端子を流れる電流Ｉ２はゼロであり、中間電圧Ｖ３もゼロである。

制御手段３により、スイッチングセル２の２つの設定状態を連続的、かつ周期的に交互に変えることができる。従って、これらの制御信号の周期がＴに等しく、かつこれらの制御信号でスイッチングセル２を期間αＴに亘って（αはデューティサイクルであり、０〜１の値である）導通状態に、期間Ｔ−αＴに亘って導通遮断状態に設定する場合、電圧の変換値、及び電流の変換値は、次の関係式（１）及び（２）に従って得られる。

＜Ｉ２＞＝α＜Ｉ１＞ （２）
上の式では、表記＜ｘ＞は量ｘの時間平均値を表わす。

実際、スイッチ５，６の応答時間はゼロではなく、スイッチングセル２の設定が変わるたびに、これらの２つのスイッチが同じ状態（閉鎖状態または開放状態）になる危険性があり、これによって問題を、特に２つのスイッチ５，６が閉じるときに出力電圧Ｖ２の短絡を生じ得る。

従って、制御手段３によって、導通状態から導通遮断状態への切り替わり中の遷移状態、及び導通遮断状態から導通状態への切り替わり中の遷移状態を設ける。この遷移状態では、２つのスイッチ５，６は、デッドタイムと呼ばれる期間に亘って開いている。本記述では以後、Ｔｍ１を、導通遮断状態から導通状態への切り替わり時の遷移状態の期間を指すために使用し、Ｔｍ２を、導通状態から導通遮断状態への切り替わり時の遷移状態の期間を指すために使用することにする。

本記述では以後、説明を簡単にするために、Ｔｍ１＝Ｔｍ２＝Ｔｍとする。

これらの遷移状態になっている間は、所謂「フリーホイール」ダイオード７，８によって、電流Ｉ１が、当該電流の符号によって変わるが、スイッチングセル２の第１または第２出力端子に向かって流れることができる。しかしながら、電流Ｉ１の流れがある遷移状態の期間に亘って中断される場合、当該電流は当該遷移状態の最後までそのまま止まっており、これにより、スイッチングセル２の応答が、当該応答を特に非線形性とすることにより変形する。

スイッチングセル２の応答の線形性を出来る限り保つために、制御手段３はスイッチ５，６の制御信号を適切に設定して、遷移状態がスイッチングセル２の応答に与える影響を補償する。従って、これらの遷移状態の期間を短くする他に、遷移状態の影響も、特に所望のデューティサイクルαを変更することにより補償して、スイッチングセル２のスイッチング周波数（１／Ｔ）を高く維持することができるようにする。

これらの遷移状態がスイッチングセル２の応答に及ぼす非線形性の影響は次の式（３）で表わすことができる。
＜Ｖ３＞＝Ｆ（α，＜Ｖ２＞，＜Ｖ１＞，Ｔｍ） （３）

これらの影響を補償するために、所望のデューティサイクルαを補正デューティサイクルα’に変更して、電圧＜Ｖ３＞と電圧＜Ｖ２＞との間の線形関係を次の式（１’）で表わされるように復旧することができる。

適切に求めた補正デューティサイクルα’でスイッチングセル２を制御することにより、スイッチングセル２の応答の非線形性を少なくとも部分的に補償することができるので、スイッチング周波数を高く維持することができる。

具体的には、制御手段３は次の非線形方程式系（４）を使用してα’を計算し、次にこのα’から期間Ｔ１＝α’Ｔ−Ｔｍ１及びＴ２＝Ｔ−α’Ｔ−Ｔｍ２を演繹的に求めることができる。

上の式では、α_ｍ＝Ｔｍ／Ｔであり、パラメータα_１，α_２，α_３，α_４はＶ１及びＶ２の関数として導出される。具体的には、パラメータα_１，α_２，α_３，α_４は保存値から求めるか、または理論計算によりもしくは実際に同定実験により求めることができる。

方程式系（４）から、補正デューティサイクルα’は所望のデューティサイクルαの関数に比例して変化することがないことが確認される。具体的には、補正デューティサイクルα’が所望のデューティサイクルαの関数として変化する様子は一定ではなく、デューティサイクルαの値によって変わる。従って、所望のデューティサイクルαが非線形補正されていることが明白に確認される。

次に、非線形手段９が期間Ｔ１及びＴ２を計算し、これに従ってスイッチ５，６を制御することができる。従って、スイッチングセル２の動作の非線形性は、デッドタイムが考慮されていることにより、低減することができる。更に、高いスイッチング周波数で、出力信号の劣化を抑制しながら動作することが可能になる。

制御手段３は更に、スイッチングセル２に生じ得るドリフトまたは変位の補正を可能とする線形ループ系を含むことができる。従って、制御手段３は、例えば出力電圧Ｖ２と設定ポイント電圧Ｖ_Ｃとの差の関数として所望のデューティサイクルを決定することができる線形手段１０を含むことができる。これが、出力として設定ポイント電圧Ｖ_Ｃに近い電圧Ｖ２を得ることができるスイッチモード電源１のサーボ制御である。従って、線形手段１０は、出力電圧Ｖ２及び設定ポイント電圧Ｖ_Ｃを受信し、次にこれらの２つの電圧の差の関数として、直線的に所望のデューティサイクルαを決定する。所望のデューティサイクルαは、設定ポイント電圧Ｖ_Ｃに等しい出力電圧Ｖ２が得られるように決定されるが、デューティサイクルαの決定には、デッドタイム期間は考慮に入れない。従って、当該デューティサイクルαが非線形手段９に供給されて、補正デューティサイクルα’を得る。

従って、スイッチモード電源１によって、デッドタイムがスイッチングセルの応答に与える影響を、特に応答の非線形成分をモデル化し、スイッチの制御を変更してこれらの非線形成分を補償することにより抑制することができる。

本発明は、これまでに説明した実施形態にのみ制限される訳ではない。具体的には、本発明は、入力端子群と出力端子群との間に並列に接続され、かつ各々が、これまでに説明した２つのスイッチ、２つのダイオード、及び１つの誘導性素子を含む幾つかの回路を備えるスイッチングセルにも適用する。

同様に、本発明によるスイッチモード電源は、下流に接続されるＤＣ／ＡＣコンバータに電源供給し、このＤＣ／ＡＣコンバータが今度は、電気機器に電源供給するために使用することもできる。当該スイッチモード電源は更に、スイッチングセルの出力端子群の間に接続されるフィルタリング容量を含むことができる。

最後に、本発明は好ましくは、電圧を段階的に上昇させるタイプのスイッチモード電源として使用され、特に原動機付き車両の分野に適用される。従って、本発明によるスイッチモード電源を蓄積手段と電気機器との間に配置することにより、特に出力電圧を高くすることにより蓄積手段のエネルギー効率を高めることが可能になる。しかしながら、本発明は、電圧を段階的に下降させるタイプのスイッチモード電源に適用することもでき、または電流を段階的に大きくするタイプもしくは電流を段階的に小さくするタイプのスイッチモード電源にさえも適用することができる。

Claims (7)

1. 設定可能な２つの直列接続スイッチ（５，６）を有するスイッチングセル（２）を含むスイッチモード電源（１）を制御する方法であって、前記スイッチングセル（２）は、
   −第１スイッチ（５）を閉じ、かつ第２スイッチ（６）を開く期間Ｔ１に亘る導通状態、及び
   −前記第２スイッチ（６）を閉じ、かつ前記第１スイッチ（５）を開く期間Ｔ２に亘る導通遮断状態、
   に繰り返し設定され、
   前記スイッチングセル（２）は更に、
   −前記導通遮断状態と前記導通状態との間の期間Ｔｍ１、及び
   −前記導通状態と前記導通遮断状態との間の期間Ｔｍ２
   に亘って前記第１スイッチ（５）及び前記第２スイッチ（６）を開く遷移状態に設定されることを特徴とし、
   かつ、前記期間Ｔ１及び／又はＴ２は、所望のデューティサイクル（α）の補正値である補正デューティサイクル（α´）と前記期間Ｔｍ１及び／又はＴｍ２とを含むパラメータの非線形の関数として決定され、補正デューティサイクル（α´）は、前記所望のデューティサイクル（α），前記期間Ｔｍ１及び／又はＴｍ２，並びに前記スイッチモード電源の入力電圧Ｖ１及び出力電圧Ｖ２を含むパラメータの関数として決定されることを特徴とする、方法。
2. 前記所望のデューティサイクル（α）は、線形的に、前記スイッチモード電源の前記出力電圧Ｖ２と設定ポイント電圧Ｖ_Ｃとの差の関数として決定される、請求項１に記載の制御方法。
3. −直列接続され、かつ制御信号に応答して設定することができる２つのスイッチ（５，６）を有するスイッチングセルと、
   −前記制御信号を供給して、前記スイッチングセル（２）を、
   −第１スイッチ（５）を閉じ、かつ第２スイッチ（６）を開く期間Ｔ１に亘る導通状態、及び
   −前記第２スイッチ（６）を閉じ、かつ前記第１スイッチ（５）を開く期間Ｔ２に亘る導通遮断状態、
   に繰り返し設定することができる制御手段（３）と、
   を備え、
   前記制御手段（３）は、前記制御信号を供給して前記スイッチングセル（２）を、
   −前記導通遮断状態と前記導通状態との間の期間Ｔｍ１、及び
   −前記導通状態と前記導通遮断状態との間の期間Ｔｍ２
   に亘って前記第１スイッチ（５）及び前記第２スイッチ（６）を開く遷移状態に更に設定することができることを特徴とし、
   かつ、前記期間Ｔ１及び／又はＴ２は、前記制御手段（３）により、所望のデューティサイクル（α）の補正値である補正デューティサイクル（α´）と前記期間Ｔｍ１及び／又はＴｍ２とを含むパラメータの非線形な関数として決定され、補正デューティサイクル（α´）は、前記所望のデューティサイクル（α），前記期間Ｔｍ１及び／又はＴｍ２，並びに前記スイッチモード電源の入力電圧Ｖ１及び出力電圧Ｖ２を含むパラメータの関数として決定されることを特徴とする、スイッチモード電源（１）。
4. 前記制御手段（３）は、所望のデューティサイクル（α）を受信し、前記期間Ｔ１及び／又はＴ２を供給する非線形手段（９）を含む、請求項３記載のスイッチモード電源（１）。
5. 前記制御手段（３）は、前記スイッチモード電源の前記出力電圧Ｖ２と設定ポイント電圧Ｖ_Ｃとの差を受信し、前記所望のデューティサイクル（α）を供給する線形手段（１０）を含む、請求項３又は４に記載のスイッチモード電源（１）。
6. ダイオード（７，８）が各スイッチ（５，６）に並列に接続されている、請求項３から５のいずれか一項に記載のスイッチモード電源（１）。
7. 請求項３から６のいずれか一項に記載のスイッチモード電源（１）を備える原動機付き車両。

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