JP6402474B2 - スイッチング電源の制御装置 - Google Patents

Description

本発明はスイッチング電源の制御装置に関し、特にスイッチング電源の一方式である電流共振コンバータにおいて出力電圧設定値の変更時における出力電圧の安定性改善に関するものである。

以前より損失を低減できる高効率なスイッチング電源として電流共振コンバータが使われている。ここで、従来の電流共振コンバータの構成例について説明する。
図１０は従来の電流共振コンバータの構成例を示す図、図１１は電流共振コンバータ部の入出力特性（スイッチング周波数依存性）を示す図である。

図１０の構成例においては、電流共振コンバータは、電流共振コンバータ部１００と制御部１１０とを備えている。電流共振コンバータ部１００は、直列接続された２つのスイッチング素子Ｍ１，Ｍ２を備え、この直列回路に入力電圧Ｅｄが印加されるよう構成されている。スイッチング素子Ｍ１は、これと並列に、直列接続された共振コンデンサＣｒ、共振インダクタンスＬｒおよび励磁インダクタンスＬｍが接続されている。励磁インダクタンスＬｍには、トランスＴの１次巻線Ｌｐが並列に接続されている。トランスＴは、センタータップ付きの２次巻線Ｌｓ１，Ｌｓ２を有し、その両端には、２つの整流素子Ｄ１，Ｄ２のアノードが接続されている。整流素子Ｄ１，Ｄ２のカソードは、ともに接続され、正極側の出力端子に接続されている。２次巻線Ｌｓ１，Ｌｓ２のセンタータップは、負極側の出力端子に接続されている。そして、整流素子Ｄ１，Ｄ２のカソードと２次巻線Ｌｓ１，Ｌｓ２のセンタータップとの間には、平滑コンデンサＣｏが接続されている。

この電流共振コンバータ部１００において、トランスＴの１次側には、２つのスイッチング素子Ｍ１，Ｍ２、共振インダクタンスＬｒ、共振コンデンサＣｒおよび励磁インダクタンスＬｍによって共振回路が構成されている。また、条件によってトランスＴの１次巻線Ｌｐも共振回路の一部となる。一方、トランスＴの２次側は、２つの整流素子Ｄ１，Ｄ２および平滑コンデンサＣｏによって整流回路が構成されている。

制御部１１０は、直流出力電圧Ｖｏｕｔと目標電圧とを受けて誤差信号Ｖｅを出力する出力電圧検出器１１１と、絶縁器１１２と、絶縁器１１２の出力信号Ｖ１を入力してスイッチング周波数ｆｓｗのパルス波形信号を出力する電圧／周波数変換器１１３と、駆動部１１４とを備えている。駆動部１１４は、電流共振コンバータ部１００のスイッチング素子Ｍ１，Ｍ２をオン／オフ制御する制御信号Ｖｇ１，Ｖｇ２を出力する。

この制御部１１０において、出力電圧検出器１１１が直流出力電圧Ｖｏｕｔと目標電圧との誤差を検出し、その誤差を表す誤差信号Ｖｅを受けて絶縁器１１２が誤差信号Ｖｅとは電気的に絶縁された出力信号Ｖ１を出力する。この出力信号Ｖ１は、電圧／周波数変換器１１３により所望のスイッチング周波数ｆｓｗを有するスイッチング信号に変換され、そのスイッチング信号は、駆動部１１４において２つのスイッチング素子Ｍ１，Ｍ２に供給する制御信号Ｖｇ１，Ｖｇ２に変換される。

これにより、電流共振コンバータは、電流共振コンバータ部１００のスイッチング素子を制御部１１０が制御することにより、入力電圧Ｅｄから所望の直流出力電圧Ｖｏｕｔを出力するＤＣ／ＤＣコンバータとして動作する。

電流共振コンバータでは、直流出力電圧Ｖｏｕｔは、一般的にスイッチング素子Ｍ１，Ｍ２のスイッチング周波数を変化させることにより制御されている（たとえば、特許文献１参照）。また、２つのスイッチング素子Ｍ１，Ｍ２は、相補にオン／オフをさせ、各々同じオン時間、すなわち５０％のデューティー比でスイッチングさせることが望ましいとされている（たとえば、特許文献１、特許文献２参照）。

また、図示する電流共振コンバータは、２つの共振周波数ｆｒ１，ｆｒ２（ｆｒ１＜ｆｒ２）を持っており、共振周波数ｆｒ１と共振周波数ｆｒ２との間でスイッチング素子Ｍ１，Ｍ２のスイッチング周波数を可変にしている。入出力変換比Ｇとスイッチング周波数ｆｓｗとの関係は、図１１に示すように、入出力変換比Ｇが低い側の共振周波数ｆｒ１でピークを示すことが知られている（たとえば、特許文献３参照）。なお、２つの共振周波数ｆｒ１，ｆｒ２は、式（１），（２）で表される。
ｆｒ１＝１／［２π√（（Ｌｒ＋Ｌｍ）＊Ｃｒ）］ …（１）
ｆｒ２＝１／［２π√（Ｌｒ＊Ｃｒ）］ …（２）
図１１において、スイッチング周波数が低い側の共振周波数ｆｒ１よりも低い場合は、スイッチング損失が大幅に増加してしまうことから、スイッチング周波数は、共振周波数ｆｒ１以上の範囲で使用される。また、高い側の共振周波数ｆｒ２では、入出力変換比ＧがＧ＝１となり、１次側電圧がそのまま出力電圧に現れる。そして、高い側の共振周波数ｆｒ２より高い領域では、図１１から分かるように、スイッチング周波数を変えても入出力変換比Ｇがほとんど変化せず、したがって、出力電圧もほとんど変化しないことから、実質的に出力電圧を制御することができない。

これらの理由により、スイッチング周波数は、共振周波数ｆｒ１から共振周波数ｆｒ２までの間で変化させ、これによって出力電圧を制御することになる。出力電圧は、共振周波数ｆｒ１と共振周波数ｆｒ２との間の範囲でスイッチング周波数を下げることにより上昇させることができ、スイッチング周波数を上げることにより低下させることができる。

図１０の構成例においては、直流出力電圧Ｖｏｕｔと目標電圧との誤差を出力電圧検出器１１１が検出し、電圧／周波数変換器１１３がその誤差電圧に応じたスイッチング周波数ｆｓｗを有するパルス波形信号を生成する。そして、スイッチング周波数ｆｓｗを有するパルス波形信号を受けた駆動部１１４が２つのスイッチング素子Ｍ１，Ｍ２に制御信号Ｖｇ１，Ｖｇ２を与えることで、電流共振コンバータ部１００を制御し、所望の出力電圧に整定させている。

特開２００６−１０９５６６号公報 特表２００３−５１０００１号公報 特開２０１２−２４９３６３号公報（図５）

しかしながら、図１１の入出力特性を見ると、その特性は非線形性を持っており、スイッチング周波数の変化に対する入出力変換比Ｇ、すなわち直流出力電圧Ｖｏｕｔの変化幅が出力電圧設定値（目標電圧）によって異なることが明らかである。そのため、出力電圧設定値を変更した場合に、出力電圧が低い場合には緩やかに新たな出力電圧に遷移するが、出力電圧が高い場合には、急峻に変化してオーバーシュートを引き起こし、場合によっては負荷に過大な電圧がかかり、負荷を破壊するおそれがある。特に負荷が軽い状態でオーバーシュートしてしまうと、目標電圧に回復するまでに大きな整定時間を要するという問題点がある。

このような問題点を避けるためには、出力電圧検出器や電圧／周波数変換器を含む制御部の制御ゲインを下げることが考えられるが、出力電圧が低い場合には、出力電圧設定値を変更してから出力電圧が目標電圧に整定するまでの時間が大幅に長くなる。このため、オーバーシュートを避けるために、制御部の制御ゲインを下げるような手法を採ることはできない。なお、上記の先行技術文献においては、電流共振コンバータの制御についての記載はあるが、出力電圧設定値変更に対する応答性については言及されていない。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、出力電圧設定値を変更したときに出力電圧がオーバーシュートすることなく迅速に目標電圧に整定することができるスイッチング電源の制御装置を提供することを目的とする。

本発明では、上記の課題を解決するために、電流共振コンバータ部を備えたスイッチング電源の制御装置が提供される。このスイッチング電源の制御装置は、電流共振コンバータ部の直流出力電圧と目標電圧との誤差を検出して誤差信号を出力する出力電圧検出器と、出力電圧検出器が検出した誤差信号をデジタル信号に変換するアナログ−デジタル変換器と、アナログ−デジタル変換器から出力されるデジタル信号を入力とするゲイン変換器と、ゲイン変換器から出力されるデジタル信号に比例してスイッチング電源のスイッチング周期を決定する出力信号周期を変化させ、かつデューティー比５０％の矩形波信号となる出力信号を生成する周波数生成器と、を備え、ゲイン変換器の入力に対する出力のゲイン特性として、設定した入力範囲において、ゲイン変換器の入力に対する電流共振コンバータ部の入出力特性の非線形性を打ち消すような非線形ゲイン特性が設定されていることを特徴とする。

このようなスイッチング電源の制御装置によれば、電流共振コンバータ部を組み合わせたゲイン特性を線形特性に近似させることができ、設定した入力範囲においては、部分的にゲインが高くなることによる出力電圧のオーバーシュートを防止することができる。

上記構成のスイッチング電源の制御装置は、ゲイン変換器の特性を電流共振コンバータ部ゲインの非線形性を打ち消すように与えている。これにより、電流共振コンバータ部の入出力変換比が高い条件で用いた場合に出力電圧設定値を急変させても、負荷に過剰な電圧がかかることなく負荷の破壊を防ぐことができる。さらに、電流共振コンバータ部の入出力変換比が低い条件で用いた場合にも直流出力電圧が迅速に整定されるので、その整定された直流出力電圧の元で負荷が動作を開始することができるようになる。

第１の実施の形態に係るスイッチング電源の制御装置を適用した電流共振コンバータの構成例を示す図である。 電流共振コンバータ部の入出力特性（スイッチング周期依存性）を示す図である。 本発明の目標値となる入出力特性を示す図である。 本発明による理想的なゲイン変換器特性を示す図である。 本発明による実用的なゲイン変換器特性を示す図である。 周波数生成器の構成例を示す図である。 線形なゲイン変換器を用いた場合の出力電圧の応答特性の波形例を示す図であって、（ａ）は電流共振コンバータ部のゲインが低く、（ｂ）は高い場合を示している。 非線形なゲイン変換器を用いた場合の出力電圧の応答特性波形を示す図であって、（ａ）は電流共振コンバータ部のゲインが低く、（ｂ）は高い場合を示している。 第２の実施の形態に係るスイッチング電源の制御装置を適用した電流共振コンバータの構成例を示す図である。 従来の電流共振コンバータの構成例を示す図である。 電流共振コンバータ部の入出力特性（スイッチング周波数依存性）を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明するが、ここでは、電流共振コンバータ部をスイッチング周波数により制御する従来例に代えて、スイッチング周波数の逆数となるスイッチング周期で制御するものとして説明する。なお、各実施の形態は、矛盾のない範囲で複数の実施の形態を組み合わせて実施することができる。

図１は第１の実施の形態に係るスイッチング電源の制御装置を適用した電流共振コンバータの構成例を示す図、図２は電流共振コンバータ部の入出力特性（スイッチング周期依存性）を示す図である。

電流共振コンバータは、電流共振コンバータ部１０と制御部２０とを備えている。電流共振コンバータ部１０は、直列接続された２つのスイッチング素子Ｍ１，Ｍ２を備え、この直列回路には、直流入力電源が接続され、入力電圧Ｅｄが印加されるよう構成されている。スイッチング素子Ｍ１は、これと並列に、直列接続された共振コンデンサＣｒ、共振インダクタンスＬｒおよび励磁インダクタンスＬｍが接続されている。励磁インダクタンスＬｍには、トランスＴの１次巻線Ｌｐが並列に接続されている。トランスＴは、センタータップ付きの２次巻線Ｌｓ１，Ｌｓ２を有し、その両端には、２つの整流素子Ｄ１，Ｄ２のアノードが接続されている。整流素子Ｄ１，Ｄ２のカソードは、ともに接続され、正極側の出力端子に接続されている。２次巻線Ｌｓ１，Ｌｓ２のセンタータップは、負極側の出力端子に接続されている。そして、整流素子Ｄ１，Ｄ２のカソードと２次巻線Ｌｓ１，Ｌｓ２のセンタータップとの間には、平滑コンデンサＣｏが接続されている。

この電流共振コンバータ部１０において、トランスＴの１次側は、２つのスイッチング素子Ｍ１，Ｍ２、共振インダクタンスＬｒ、共振コンデンサＣｒおよび励磁インダクタンスＬｍによって共振回路が構成されている。また、条件によってトランスＴの１次巻線Ｌｐも共振回路の一部となる。一方、トランスＴの２次側は、２つの整流素子Ｄ１，Ｄ２および平滑コンデンサＣｏによって整流回路が構成されている。

制御部２０は、出力電圧検出器２１、絶縁器２２、アナログ−デジタル変換器（以下、Ａ／Ｄ変換器という）２３、ゲイン変換器２４、周波数生成器２５および駆動部２６がこの順に直列に接続されている。出力電圧検出器２１は、直流出力電圧Ｖｏｕｔと目標電圧とが入力されてその誤差を検出してその誤差を表す誤差信号Ｖｅを出力する。絶縁器２２は、電気的には絶縁しつつトランスＴの２次側から１次側に信号を伝送するもので、ここでは、フォトカプラを使用し、誤差信号Ｖｅを入力して誤差信号Ｖｅに相当する出力信号Ｖ１を出力する。Ａ／Ｄ変換器２３は、出力信号Ｖ１を入力して誤差信号Ｖｅに相当するアナログ値をデジタル値に変換する。ゲイン変換器２４は、誤差信号Ｖｅに相当するデジタル値が入力され、予め設定された入出力特性（ゲイン特性）により、電流共振コンバータ全体のゲイン特性を調整する働きをする。周波数生成器２５は、ゲイン変換器２４の出力を入力として、入力に応じたスイッチング周期Ｔｓを有するパルス波形信号を出力する。駆動部２６は、スイッチング素子Ｍ１，Ｍ２をオン／オフ制御する制御信号Ｖｇ１，Ｖｇ２を出力する。

この制御部２０においては、直流出力電圧Ｖｏｕｔに基づいてスイッチング素子Ｍ１，Ｍ２を駆動する制御信号Ｖｇ１，Ｖｇ２のスイッチング周期Ｔｓを可変にすることで、直流出力電圧Ｖｏｕｔを目標電圧になるように制御する。このとき、電流共振コンバータ部１０の入出力特性は、図２に示したとおりであり、図１１に示したスイッチング周波数に対する電流共振コンバータ部の入出力特性と同様に、その特性が非線形であることには変わりはない。また、図２においては、スイッチング周波数の逆数となるスイッチング周期Ｔｓの変化で表しているので、図１１の共振周波数ｆｒ１は、共振周期Ｔｒ２に、そして、共振周波数ｆｒ２は、共振周期Ｔｒ１にそれぞれ置き換えられている。さらに、制御されるスイッチング周期Ｔｓは、一般的には、この２つの共振周期Ｔｒ１，Ｔｒ２の間で変化させることについても、図１１の場合と変わりはない。本発明は、共振周期Ｔｒ１，Ｔｒ２の間の入出力特性の非線形性に対し、これを打ち消すようにゲイン変換器２４の入出力特性（ゲイン特性）を設定することにより、出力電圧設定値を変更したときに出力電圧のオーバーシュートが発生しないようにすることにある。

次に、ゲイン変換器２４の入出力特性をどのように設定するかについて説明する。
図３は本発明の目標値となる入出力特性を示す図、図４は本発明による理想的なゲイン変換器特性を示す図、図５は本発明による実用的なゲイン変換器特性を示す図である。

まず、ゲイン変換器２４の特性を決めるためには、電流共振コンバータ部の入出力特性を既知としなければならない。ここで、図２に示すように入出力特性は、ピークを持った波形であり、数式で正確に表現すると、

で表すことができる。ここで、Ｌｒは共振インダクタンス、Ｌｍは励磁インダクタンス、ｆｒ２は式（２）で表される共振周波数、ｆｓはスイッチング周波数（スイッチング周期Ｔｓの逆数）、ＮはトランスＴの巻数比、Ｒｏは負荷抵抗である。

この式（３）は、図２に示す入出力特性を表す式として複雑すぎるため、より低次の近似式が必要となる。幸いにも、電流共振コンバータの多くは、共振周期Ｔｒ１〜Ｔｒ２の範囲でしか使用されないことから、この周期範囲のみに限定することにより、スイッチング周期Ｔｓに対する電流共振コンバータ部１０の入出力変換比Ｇは、式（４）に示す３次程度の近似式で表すことができる。
Ｇ（Ｔｓ）＝ａ３＊Ｔｓ＾３＋ａ２＊Ｔｓ＾２＋ａ１＊Ｔｓ＋ａ０ …（４）
ここで、ａ０、ａ１、ａ２、ａ３は係数、Ｔｓはスイッチング周期である。なお、Ａ＾Ｂは、ＡのＢ乗を意味する。なお、式（４）の近似式の係数ａ０、ａ１、ａ２、ａ３は、式（３）のうち、おおよそ共振周期Ｔｒ１〜Ｔｒ２のＴｓの範囲について表計算ソフトでグラフ化し、さらに表計算ソフトの近似曲線機能を使うことによって求めることができる。

次に、周波数生成器２５およびゲイン変換器２４の特性が線形の場合について考える。電流共振コンバータ部１０の制御信号となるスイッチング周期Ｔｓのパルス信号を生成する周波数生成器２５のゲイン特性をＧ１（定数）とし、ゲイン変換器２４のゲイン特性Ｇ２を１とし、ゲイン変換器２４の入出力信号をそれぞれＤｎａ，Ｄｎｂとする。このような場合、スイッチング周期Ｔｓおよび線形であるとしたゲイン変換器２４と電流共振コンバータ部１０とを組み合わせたゲイン特性Ｇａは、次式で表される。このときのゲイン特性Ｇａは、従来からの特性に相当する。
Ｔｓ＝Ｇ１＊Ｄｎｂ，Ｄｎｂ＝Ｄｎａ …（５）
Ｇａ（Ｔｓ）＝Ｇａ（Ｇ１＊Ｇ２＊Ｄｎａ）＝Ｇａ（Ｇ１＊Ｄｎａ）
＝ｃ３＊Ｄｎａ＾３＋ｃ２＊Ｄｎａ＾２＋ｃ１＊Ｄｎａ＋ｃ０ …（６）
なお、係数ｃ０〜ｃ３は、ｃ０＝ａ０、ｃ１＝ａ１＊Ｇ１、ｃ２＝ａ２＊Ｇ１＾２、ｃ３＝ａ３＊Ｇ１＾３である。

以上の式（４）〜（６）により、図３に破線で示した、ゲイン変換器２４の入力信号Ｄｎａに対するゲイン特性Ｇａの特性曲線を決定することができる。なお、共振周期Ｔｒ１，Ｔｒ２に対応するゲイン変換器２４の入力信号ＤｎａをそれぞれＤｎａ１，Ｄｎａ２とすると、式（５）より、Ｄｎａ１＝Ｔｒ１／Ｇ１，Ｄｎａ２＝Ｔｒ２／Ｇ１となる。

次に、非線形特性としたゲイン変換器２４と電流共振コンバータ部１０とを組み合わせた場合に目標とする全体ゲイン特性式を決める。すなわち、ここでは、式（６）に従って図３に描かれた破線の曲線から図３の実線で示される目標ゲイン特性Ｇａ＿ｉｄｅａｌを決定する。

目標とする特性は、２つの共振周期Ｔｒ１，Ｔｒ２の範囲において、出力電圧に拘わらずスイッチング周期Ｔｓに対する出力電圧変化幅を一定にするものである。すなわち、目標ゲイン特性Ｇａ＿ｉｄｅａｌは、式（４）より、共振周期Ｔｒ１，Ｔｒ２に対応する入力信号Ｄｎａ１，Ｄｎａ２における入出力変換比Ｇ（Ｄｎａ），Ｇ（Ｄｎｂ）を求め、点（Ｄｎａ，Ｇ（Ｄｎａ））と点（Ｄｎｂ，Ｇ（Ｄｎｂ））を結ぶことで決めることができ、
Ｇａ＿ｉｄｅａｌ＝ｄ１＊Ｄｎａ＋ｄ０ …（７）
で表される。なお、ｄ０，ｄ１は係数である。

ここまでで得た式（３）〜（７）は、２つの共振周期の範囲で決めているが、第２の共振周期Ｔｒ２より低いスイッチング周期であれば、必ずしもこれらの２つの共振周期の間でなくてもよい。たとえば、スイッチング電源の出力電圧仕様範囲に合わせて、近似式を求めるスイッチング周期範囲を変えてもよい。

次に、目標ゲイン特性Ｇａ＿ｉｄｅａｌを実現するために、ゲイン変換器２４に必要な特性式を求める。まず、図３に実線で示した理想特性から、任意の４点の入力信号Ｄｎａ（Ｄｎａ３，Ｄｎａ４，Ｄｎａ５，Ｄｎａ６）に対する目標ゲイン特性Ｇａ＿ｉｄｅａｌ（Ｇａ＿ｉｄｅａｌ３，Ｇａ＿ｉｄｅａｌ４，Ｇａ＿ｉｄｅａｌ５，Ｇａ＿ｉｄｅａｌ６）を求める。なお、入力信号Ｄｎａ３〜Ｄｎａ６のいずれかが、上記の入力信号Ｄｎａ１，Ｄｎａ２と同じであってもよい。この特性は、ゲイン変換器２４に非線形ゲインを設定した場合の特性であり、ゲイン変換器２４の出力信号Ｄｎｂは未知の値である。

非線形ゲインを適用する場合も、周波数生成器２５のゲイン特性Ｇ１および電流共振コンバータ部１０の入出力変換比Ｇは変わらないので、式（４）および式（５）の前半の式（Ｔｓ＝Ｇ１＊Ｄｎｂ）より、次式が成り立つ。
Ｇａ＿ｉｄｅａｌ＝ｃ３＊Ｄｎｂ＾３＋ｃ２＊Ｄｎｂ＾２＋ｃ１＊Ｄｎｂ＋ｃ０…（８）
この式（８）と先に求めた４つの目標ゲイン特性Ｇａ＿ｉｄｅａｌ（Ｇａ＿ｉｄｅａｌ３，Ｇａ＿ｉｄｅａｌ４，Ｇａ＿ｉｄｅａｌ５，Ｇａ＿ｉｄｅａｌ６）とにより、各目標ゲイン特性Ｇａ＿ｉｄｅａｌに対応する非線形ゲイン特性の出力信号Ｄｎｂ（Ｄｎｂ３，Ｄｎｂ４，Ｄｎｂ５，Ｄｎｂ６）が求められる。これらの出力信号Ｄｎｂは、具体的には、数値解析ソフトを使って求めている。

以上の結果より、非線形ゲインの入出力の関係が、入力信号Ｄｎａ３，Ｄｎａ４，Ｄｎａ５，Ｄｎａ６に対し、出力はそれぞれＤｎｂ３，Ｄｎｂ４，Ｄｎｂ５，Ｄｎｂ６が得られる。ここで４点の情報があるので、ゲイン変換器２４の特性式を表す近似式として３次式を適用することができる。すなわち、出力信号ＤｎｂとＤｎａとの間の関係式として、次の式（９）が適用できる。式（９）をグラフ化した例を図４に示す。当然、図３に示した理想特性から求める点数を増やせばゲイン変換器の特性を表す近似式の次数を増やすことは可能である。
Ｄｎｂ＝ｅ３＊Ｄｎａ＾３＋ｅ２＊Ｄｎａ＾２＋ｅ１＊Ｄｎａ＋ｅ０ …（９）
この式（９）で下記のように連立方程式を立てることにより、係数ｅ３，ｅ２，ｅ１，ｅ０が求まり、図４の曲線を表す式を決定することができる。なお、理想特性を求めた入力範囲を超える入力に対しては、ゲイン変換器２４は線形としており、トータルでは、図４のような非線形の特性となる。
Ｄｎｂ１＝ｅ３＊Ｄｎａ１＾３＋ｅ２＊Ｄｎａ１＾２＋ｅ１＊Ｄｎａ１＋ｅ０…（１０）
Ｄｎｂ２＝ｅ３＊Ｄｎａ２＾３＋ｅ２＊Ｄｎａ２＾２＋ｅ１＊Ｄｎａ２＋ｅ０…（１１）
Ｄｎｂ３＝ｅ３＊Ｄｎａ３＾３＋ｅ２＊Ｄｎａ３＾２＋ｅ１＊Ｄｎａ３＋ｅ０…（１２）
Ｄｎｂ４＝ｅ３＊Ｄｎａ４＾３＋ｅ２＊Ｄｎａ４＾２＋ｅ１＊Ｄｎａ４＋ｅ０…（１３）
これらの演算結果より、ゲイン変換器２４と周波数生成器２５と電流共振コンバータ部１０とを組み合わせたゲイン特性Ｇａを線形、または、それに準じた特性とすることができる。

ゲイン変換器２４の特性を式（９）とするためには、ゲイン変換器２４をデジタル演算器で構成することにより簡単に実現できる。ゲイン変換器２４をデジタル演算器とするために、本発明では、ゲイン変換器２４の前段にＡ／Ｄ変換器２３を設けている。これらにより、理想的には、出力電圧仕様範囲において一定のゲイン特性を得ることができ、出力電圧設定変更に対して、出力電圧の如何に拘わらず、同等の応答特性を実現することができる。

しかしながら、周波数生成器２５では、ゲイン変換器２４からのデジタル信号に比例した周期のパルス信号を出力するため、実際には、図４の例のように入力信号Ｄｎａが大きい場合には、入力信号Ｄｎａの変化に対する出力信号Ｄｎｂの変化が非常に小さく、周波数生成器２５には高分解能な特性が要求され、場合によってはゲイン変換器２４を用いない場合に比べて１０倍以上もの分解能が要求される。その結果、ゲイン変換器２４の回路規模は増大し、周波数生成器２５は、回路面積および消費電力を大幅に増加させてしまう。

本実施の形態では、式（９）を忠実に再現する回路とするのではなく、式（９）に近似した特性とすることで、大幅な高分解能化を避ける手段を用いている。具体的には、ゲイン変換を行う周期範囲（ここでは、２つの共振周期のＴｒ１からＴｒ２の間とする）を複数の領域（図５の例では、５つの点ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅにて４つの領域）に分けている。そして各々の領域に対してゲインを設定し、図４のように入力信号Ｄｎａに対して連続的ではなく、離散的にゲインを変化させている。なお、図５の点ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅについては、グラフ化して図４の特性に近い特性となるように調整して決めている。加えて、各領域のゲインは、基本ゲインの２のＮ乗（Ｎは正負の整数）となるように設定される。これにより、ゲイン変換器２４の演算は、乗算器および加算器を不要とし、シフト演算のみで実現でき、ゲイン変換器２４の追加による回路面積増加を最小限に抑えることができる。

また、基本ゲインは、ゲイン変換器２４を用いない場合の１／２〜１／８程度にしている。これにより、周波数生成器２５の分解能増加は、２倍から４倍、多くても８倍に留めることができる。なお、ゲイン変換器２４において、ゲインを変化させる点、および各領域に設定するゲインについては、式（９）に追従するように任意に設定すればよい。

次に、ゲイン変換器２４の特性を求める別の方法について説明する。図４の破線で示す従来の特性の傾き（ゲイン変換器２４のゲイン特性Ｇ２）を基本ゲインとする。なお、上記では、Ｇ２＝１としたが、上記の議論は、Ｇ２が１以外の値でも同様に成立する。

折れ線のゲインは、Ｇ２＊２＾ｊ（ｊ＝…，−２，−１，０，１，２，…）となるので、ゲインが変化する点は、その点の傾きが隣り合う折れ線傾きの相加平均または相乗平均とする。すなわち、上記のように、Ｇ２＊２＾ｊで求めたＧ２をＧ２ｊとすると、図４の非線形ゲイン特性を表すカーブの傾きが、（Ｇ２ｊ＋Ｇ２（ｊ＋１））／２または√（Ｇ２ｊ＊Ｇ２（ｊ＋１））となる点を、たとえば数値解析ソフトを使って求めることができる。

次に、ゲイン変換器２４を備えた制御部２０の動作について説明する。
図６は周波数生成器の構成例を示す図、図７は線形なゲイン変換器を用いた場合の出力電圧の応答特性の波形例を示す図であって、（ａ）は電流共振コンバータ部のゲインが低く、（ｂ）は高い場合を示し、図８は非線形なゲイン変換器を用いた場合の出力電圧の応答特性波形を示す図であって、（ａ）は電流共振コンバータ部のゲインが低く、（ｂ）は高い場合を示している。

まずは、本発明の構成において、ゲイン変換器２４の特性がすべての入力範囲で１の場合について説明する。図１に示す構成において、出力電圧検出器２１は、直流出力電圧Ｖｏｕｔと同じ電位であるトランスＴの２次側に配置され、直流出力電圧Ｖｏｕｔと目標電圧との誤差を検出し、誤差信号Ｖｅを出力する。その誤差信号Ｖｅは、絶縁器２２を介してトランスＴの１次側に配置されたＡ／Ｄ変換器２３に出力信号Ｖ１として伝送される。Ａ／Ｄ変換器２３は、誤差信号Ｖｅに相当する出力信号Ｖ１をデジタル値に変換する。ゲイン変換器２４の特性は、ゲインを１とするため、Ａ／Ｄ変換器２３からの出力は、周波数生成器２５にそのまま入力される。

周波数生成器２５は、その構成例が図６に示される。周波数生成器２５は、ゲイン変換器２４から伝送されたデジタル信号（Ｄｎｂ）を入力する入力端子ＩＮと、生成されたスイッチング周期Ｔｓを駆動部２６へ伝送する出力端子ＯＵＴとを備えている。入力端子ＩＮは、第１の比較器（デジタルコンパレータ）３１の第１の入力（＋）に接続されるとともに、乗算器３２を介して第２の比較器（デジタルコンパレータ）３３の第１の入力（＋）に接続される。第１および第２の比較器３１，３３の第２の入力（−）は、発振器３４の出力を受けるカウンタ３５の出力に接続されている。第１の比較器３１の出力は、出力端子ＯＵＴを構成し、第２の比較器３３の出力は、カウンタ３５のリセット（ＲＥＳＥＴ）端子に接続されている。

この周波数生成器２５は、入力信号に応じた周期でデューティー比５０％のパルス信号を生成するものであって、第１の比較器３１が出力信号のオン期間を決め、第２の比較器３３が出力信号の周期を決めている。そのため、第２の比較器３３には、オン期間を決める入力信号を乗算器３２で２倍した信号、すなわち、（Ｎ−１）ビットの入力信号に１ビット追加してＮビットにした信号を入力している。

第１の比較器３１は、カウンタ３５がリセットされてカウンタ３５の全出力ビットがローレベルになったときにその出力をハイレベルにし、入力信号の（Ｎ−１）ビットとカウンタ３５から出力されるＮビットのうちの下位の（Ｎ−１）ビットとが一致したときローレベルを出力して、オン期間を決めている。そして、このローレベルの出力は次にカウンタ３５がリセットされまで継続する。第２の比較器３３は、カウンタ３５がリセットされたとき、ハイレベルを出力し、乗算器３２からのＮビットとカウンタ３５から出力されるＮビットとが一致したときローレベルのリセット信号を出力し、カウンタ３５をリセットする。これにより、周波数生成器２５は、入力信号に応じた周期でデューティー比５０％のパルス信号を生成している。例として、スイッチング周期の最小変化幅を８０ｎｓｅｃ、最大出力スイッチング周期を４０μｓｅｃと仕様を設定した場合、発振器３４は発振周期が４０ｎｓｅｃ、カウンタ３５は１０ビットのカウンタ、そして、入力信号は、９ビット構成の信号が必要になる。

周波数生成器２５から出力されたパルス信号は、駆動部２６へ送られる。駆動部２６では、２つのスイッチング素子Ｍ１，Ｍ２が同時にオンして電流が貫通するのを防ぐためのデッドタイムを設けた制御信号Ｖｇ１，Ｖｇ２に変換される。これらの制御信号Ｖｇ１，Ｖｇ２は、スイッチング素子Ｍ１，Ｍ２のゲート端子にそれぞれ入力される。この構成においても、電流共振コンバータは、周波数制御され、設定された所望の出力電圧に収束するよう制御される。

ここで、出力電圧設定値（目標電圧）を変更したときの出力電圧の応答特性の例を示す。まず、ゲイン変換器２４が線形なゲイン特性を有しているとした場合の２つの応答特性の例を図７に示す。図７の（ａ）に示す応答特性の例は、出力電圧設定値を２５Ｖから３０Ｖに変化させた場合であり、図２において入出力変換比Ｇが１付近での動作となる。図７の（ｂ）に示す応答特性の例は、出力電圧設定値を４０Ｖから４８Ｖに変化させた場合であり、図２において入出力変換比Ｇが２〜３付近での動作となる。図７の（ｂ）から明らかなとおり、電流共振コンバータ部１０の入出力変換比Ｇが高い条件では、直流出力電圧Ｖｏｕｔは大きなオーバーシュートを引き起こし、新たな出力電圧設定値に収束するまでの時間も長くなっている。

次に、本発明の構成において、ゲイン変換器２４が非線形なゲイン特性を有しているとした場合について説明する。すなわち、スイッチング周期Ｔｓに対する電流共振コンバータ部１０の入出力変換比Ｇは、図２の特性とし、図３の実線で示す理想特性（Ｇａ＿ｉｄｅａｌ）とするために、図５で示すゲイン特性をゲイン変換器２４に与えた場合である。具体的には、図５の各領域のゲインは、ａ点までは１、ａ〜ｂ点は４、ｂ〜ｃ点は２、ｃ〜ｄ点は１、ｄ〜ｅ点は０．５、ｅ点以上では１と設定することで、理想特性に近似している。

ゲイン変換器２４は整数で取り扱うため、各領域のゲインは、それぞれ２倍して、２、８、４、２、１、２に変更し、ゲイン変換器２４の出力を１ビット増やして、１０ビットと設定する。この場合、Ａ／Ｄ変換器２３の出力までの動作は、出力電圧検出器２１が直流出力電圧Ｖｏｕｔと目標電圧との差である誤差信号Ｖｅを出力し、絶縁器２２を介して供給された誤差信号Ｖｅに相当するアナログ値をデジタル値に変換する点で上述の動作と同じである。Ａ／Ｄ変換器２３からの出力は、ゲイン変換器２４でその値が判定され、それぞれ設定されたゲインが掛けられる。実際には、２のＮ乗でゲインを設定するため、ビットシフトが行われる。ゲイン変換器２４からの出力は、１０ビットで出力され、周波数生成器２５に入力される。周波数生成器２５の構成は、図６に示した構成と同じである。しかし、この例では、入力が１ビット分増加するため、同じ目標仕様を実現するためには、発振器３４を２０ｎｓｅｃの発振周期にし、カウンタ３５を１１ビット構成にして、構成要素の特性を上げる必要はあるが、１ビット分の増加に留められている。

この構成について、図７の結果と同様のシミュレーションを行った結果が図８に示す応答特性である。この図８によれば、非線形なゲイン特性を有するゲイン変換器２４を加えたことにより、（ａ）に示すように、電流共振コンバータ部１０のゲインが低い領域で出力電圧設定値を変更したときの直流出力電圧Ｖｏｕｔは、その応答特性が落ちていないことが分かる。また、図８の（ｂ）に示すように、電流共振コンバータ部１０のゲインが高い領域で出力電圧設定値を変更したときの直流出力電圧Ｖｏｕｔは、オーバーシュートが抑えられていて、良好な特性が実現されていることが分かる。

図９は第２の実施の形態に係るスイッチング電源の制御装置を適用した電流共振コンバータの構成例を示す図である。
この第２の実施の形態によれば、制御部２０は、トランスＴの２次側の信号を１次側に伝達する絶縁器２２として、絶縁アンプを用い、その絶縁器２２に電流共振コンバータ部１０の直流出力電圧Ｖｏｕｔが直接入力されるよう配置されている。出力電圧検出器２１には、絶縁器２２の出力が入力されて、目標電圧との誤差の誤差信号Ｖｅを出力する。出力電圧検出器２１の出力は、Ａ／Ｄ変換器２３に入力され、ここでアナログ値の誤差信号Ｖｅをデジタル信号Ｄｅに変換する。Ａ／Ｄ変換器２３の出力は、デジタル演算器２７に入力され、ここで直流出力電圧Ｖｏｕｔを出力電圧設定値の電圧に収束させるための制御演算が行われる。デジタル演算器２７としては、ＰＩ（比例・積分）制御またはＰＩＤ（比例・積分・微分）制御を行う演算器が用いられる。デジタル演算器２７の出力は、ゲイン変換器２４に入力され、入力信号Ｄｎａをゲイン変換器２４に設定されたゲイン特性に応じて変換し、出力信号Ｄｎｂを出力する。ゲイン変換器２４の出力は、周波数生成器２５に入力され、周波数生成器２５では、ゲイン変換器２４の出力信号Ｄｎｂに応じたスイッチング周期Ｔｓを有するパルス波形信号が生成される。周波数生成器２５の出力は、駆動部２６に入力され、駆動部２６では、２つのスイッチング素子Ｍ１，Ｍ２を制御する制御信号Ｖｇ１，Ｖｇ２が出力される。

この制御部２０では、電流共振コンバータ部１０の直流出力電圧Ｖｏｕｔの値をトランスＴの１次側に送り、直流出力電圧Ｖｏｕｔと目標電圧との差である誤差信号Ｖｅを検出してデジタル信号に変換する。第２の実施の形態に係る電流共振コンバータの制御部２０では、誤差信号Ｖｅをデジタル信号Ｄｅに変換し、変換されたデジタル信号Ｄｅに対し、ＰＩ制御またはＰＩＤ制御を用いて、設定した出力電圧に収束させるための制御演算を行う。デジタル演算器２７によって制御演算された出力信号は、第１の実施の形態でのゲイン変換器２４の入力信号Ｄｎａに相当する信号であるが、それよりも、目標電圧との残留偏差およびハンチングの少ない安定した制御を可能にしている。

ゲイン変換器２４には、第１の実施の形態と同様のデジタル信号が送られるため、以降の動作については、第１の実施の形態の制御部２０の動作と同じである。また、ゲイン変換器２４に与える特性についても、電流共振コンバータの特性および周波数生成器２５の出力仕様で決まるため、第１の実施の形態のゲイン変換器２４に与えた特性と同様となる。

以上、本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明はこの特定の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の精神を逸脱しない範囲で各種変更が可能である。たとえば、ゲイン変換器２４の非線形ゲイン特性において、分割された領域のゲインを基本ゲインの２のＮ乗となるように設定しているが、この非線形ゲイン特性のデータをあらかじめＲＯＭ（Read Only Memory）に記憶しておくこともできる。この場合、ゲイン変換をするときに、入力信号Ｄｎａに対応する値をＲＯＭから読み出して出力信号Ｄｎｂとすることになる。

具体的には、図４，５の特性を表すのに、入力信号Ｄｎａに対する出力信号Ｄｎｂのゲインを２のＮ乗で変化させるやり方ではなく、図４のグラフを表す（Ｄｎａｉ，Ｄｎｂｉ）（ｉ＝１，２，３，・・・）のデータをＲＯＭに書き込んでおく。制御時に、領域Ｄｎａｉ〜Ｄｎａ（ｉ＋１）の間に来た入力信号Ｄｎａに対しては、（Ｄｎａｉ，Ｄｎｂｉ）と（Ｄｎａ（ｉ＋１），Ｄｎｂ（ｉ＋１））の値より補間計算して出力信号Ｄｎｂとすることになる。このとき、出力信号Ｄｎｂは、
Ｄｎｂ＝Ｄｎｂｉ＋（Ｄｎｂ（ｉ＋１）−Ｄｎｂｉ）＊（Ｄｎａ−Ｄｎａｉ）／（Ｄｎａ（ｉ＋１）−Ｄｎａｉ）
で求めることができる。これにより、共振コンバータの制御精度をさらに高める場合に、変換のための演算を複雑にすることなく、さらに高次の非線形ゲイン特性を容易に実現することができる。

なお、非線形ゲイン係数をフラッシュＲＯＭに書き込む構成とした場合、外部との通信インタフェースを備えておくことで、非線形ゲイン係数を外部から自由に書き換えることもできるようになる。

１０ 電流共振コンバータ部
２０ 制御部
２１ 出力電圧検出器
２２ 絶縁器
２３ Ａ／Ｄ変換器（アナログ−デジタル変換器）
２４ ゲイン変換器
２５ 周波数生成器
２６ 駆動部
２７ デジタル演算器
３１ 第１の比較器
３２ 乗算器
３３ 第２の比較器
３４ 発振器
３５ カウンタ

Claims (5)

1. 電流共振コンバータ部を備えたスイッチング電源の制御装置において、
   前記電流共振コンバータ部の直流出力電圧と目標電圧との誤差を検出して誤差信号を出力する出力電圧検出器と、
   前記出力電圧検出器が検出した前記誤差信号をデジタル信号に変換するアナログ−デジタル変換器と、
   前記アナログ−デジタル変換器から出力されるデジタル信号を入力とするゲイン変換器と、
   前記ゲイン変換器から出力されるデジタル信号に比例して前記スイッチング電源のスイッチング周期を決定する出力信号周期を変化させ、かつデューティー比５０％の矩形波信号となる出力信号を生成する周波数生成器と、
   を備え、
   前記ゲイン変換器の入力に対する出力のゲイン特性として、設定した入力範囲において、前記ゲイン変換器の入力に対する前記電流共振コンバータ部の入出力特性の非線形性を打ち消すような非線形ゲイン特性が設定されていることを特徴とするスイッチング電源の制御装置。
2. 前記ゲイン変換器は、ゲイン変換を行う周期範囲に対して前記非線形ゲイン特性に近似したゲインが連続的に設定されていることを特徴とする請求項１記載のスイッチング電源の制御装置。
3. 前記ゲイン変換器は、ゲイン変換を行う周期範囲を複数の領域に分割し、それぞれの領域に対して前記非線形ゲイン特性に近似したゲインが離散的に設定されていることを特徴とする請求項１記載のスイッチング電源の制御装置。
4. 前記ゲイン変換器は、それぞれの領域に設定されるゲインは、基本ゲインの２のＮ乗（Ｎは整数）となるように設定されていることを特徴とする請求項３記載のスイッチング電源の制御装置。
5. 前記アナログ−デジタル変換器と前記ゲイン変換器との間に設置され、前記アナログ−デジタル変換器から出力されるデジタル信号に応じて比例・積分または比例・積分・微分制御の演算を行うデジタル演算装置をさらに備えていることを特徴とする請求項１記載のスイッチング電源の制御装置。

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