JP6947504B2 - 電源装置、及び電源装置の制御方法 - Google Patents
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Description
(1)応答速度はフィードバック信号の検出する際の検出速度の影響を受け、検出器の検出速度によって制限を受けること
(2)制御系の駆動周波数を高周波帯域として高速化した際、制御系が発振することなく安定性の動作すること
等の課題を含んでいる。
(1)検出器の速度特性に影響されること無くフィードバック信号を検出すること
(2)制御系を高周波帯域で駆動した際に、制御系が発振することなく安定性して動作すること
が求められる。
本発明の電源装置はLCチョッパ回路を含み、複数の相電流によって多相制御を行う多相インターリーブ制御によって指令値に向けてステップ応答制御する制御部とスイッチング信号を生成するスイッチング信号生成部とを備える。
本発明の電源装置は、複数の相電流によって多相制御を行う多相インターリーブ制御の電源装置であって、多相インターリーブの多相制御によって動作する降圧チョッパ回路を構成するLCチョッパ回路と、LCチョッパ回路の多相制御によってステップ応答を制御する制御部とを備える。
Avは、制御系の出力電圧vo(t)と指令電圧VREFとの差分値(VREF−vo(t))に乗じる係数である。
β3は、制御系が備えるLC回路のキャパシタンス電流に乗じる係数である。この係数β3において、制御系の安定性に関して、LC回路を含む制御系の伝達関数のゲインを1以下とする条件、及びスイッチング時間の無駄時間による位相ずれがサンプリング周期に影響を与えない条件を満たすことによって、制御系を高周波帯域で駆動した際に、制御系が発振することなく安定性して動作することができる。
本発明の電源装置の制御の一形態は、PI制御を用いない多相インターリーブの双方向降圧チョッパ回路による2レベルデッドビート制御である。
本発明の電源装置の概略構成について図1を用いて説明する。本発明の電源装置1は、入力電圧Vinを入力とし、出力電圧vo及び負荷電流iRを出力するLCチョッパ回路2、LCチョッパ回路2のスイッチング素子のオン/オフ動作を制御するスイッチング信号を生成するスイッチング信号生成部5、LCチョッパ回路2及び負荷からのフィードバック信号を入力してパルス幅ΔT(k)を演算し、演算したパルス幅ΔT(k)をスイッチング信号生成部5に出力する制御部6を備える。
制御部6による定電流制御は複数の制御形態を備える。制御形態として、インダクタンス電流制御の制御形態、キャパシタンス電流制御の制御形態、及びインダクタンス電流制御とキャパシタンス電流制御とを組み合わせた制御形態がある。
図1のLCチョッパ回路2に負荷7を接続して構成されるLCR回路において、LCチョッパ回路中のインダクタンスLのインダクタンス電流iL、あるいはキャパシタンスCのキャパシタンス電流icを制御電流として定電流制御を行う。インダクタンス電流iL(t)、キャパシタンス電流ic(t)、及び出力電圧vo(t)はそれぞれ以下の式(2)で表される。
図3は、制御部によるインダクタンス電流制御の制御形態の概略を説明するための図であり、図3(a)、(b)は制御形態の概略構成を示し、図3(c)は指令電圧VREFの例を示し、図3(d)は出力電圧voの例を示している。
図4は、制御部によるキャパシタンス電流制御について、3相インターリーブ制御を例とした概略を説明するための図であり、図4(a)は概略構成を示し、図4(b)はキャパシタンス電流の指令電流IC-REFの例を示し、図4(c)はキャパシタンス電流icを示している。
本発明の定電流制御は、前記したインダクタンス電流の定電流制御の制御形態、及びキャパシタンス電流の定電流制御の制御形態の他、キャパシタンス電流の定電流制御と、その後に行うインダクタンス電流の定電流制御の多段階の定電流制御によってステップ応答を制御する制御形態を備える。
キャパシタンス電流の定電流制御とインダクタンス電流の定電流制御との組み合わせの制御形態において、図6(a)、(b)は第1の制御形態において、指令電流IC-REFと出力電圧voを示し、図7(a)、(b)は第2の制御形態において、キャパシタンス電流の定電流制御をmode1及びmode2の2段階で行い、その後にインダクタンス電流の定電流制御をmode3で行う際のそれぞれ指令電流IC-REFと出力電圧voを示している。
キャパシタンス電流の定電流制御とインダクタンス電流の定電流制御との組み合わせの制御形態において、第1の制御形態では、第1段目のキャパシタンス電流の定電流制御を行い、出力電圧voが切り替え電圧Vcに達した時点で、第2段目のインダクタンス電流の定電流制御に切り替え、指令電圧VREFに向けて定電流制御を行う。
キャパシタンス電流の定電流制御とインダクタンス電流の定電流制御との組み合わせの制御形態において、第2の制御形態では、キャパシタンス電流の定電流制御を2段階で行った後、インダクタンス電流の定電流制御を行う。
mode1の定電流制御は2段階で行うキャパシタンス電流の定電流制御の第1段目である。このmode1の定電流制御では、インダクタンスに保有された電流エネルギーによって、出力電圧が目標値を行き過ぎない様にするモードである。第1段目のmode1では次の第2段目のmode2に切り替えるための電圧Vc1を予め設定しておき、出力電圧voが切り替え電圧Vc1に到達した時点でmode1を終了し、mode2に移行する。
mode2の定電流制御は2段階で行うキャパシタンス電流の定電流制御の第2段目である。このmode2の定電流制御では、mode1のキャパシタンス電流の定電流制御によって達した出力電圧voを、mode3のインダクタンス電流の定電流制御を開始するときの初期電圧に移行させる移行モード(Transfer mode)である。
mode3ではインダクタンス電流の定電流制御によって、出力電圧voが目標値を行き過ぎない様に制御する。High/Lowの2レベル制御の場合には、それぞれの目標値VH,VLを行き過ぎない様に定電流制御を行う。
次に、上記したmode1〜mode3の工程による指令電圧への整定工程について、図9のフローチャートを用いて説明する。図9のフローチャートでは各工程をP1〜P14の符号を付して示している。
初めにmode1の工程によってキャパシタンス電流の定電流制御を行う。
mode2の工程によってキャパシタンス電流の定電流制御を行う。
mode3の工程によってインダクタンス電流の定電流制御を行う。
図10に示すLCチョッパ回路の構成例は、多相インターリーブ方式による双方向降圧チョッパ回路の一例である。この降圧チョッパ回路は全負荷から無負荷まで高速制御が可能になる様に、一般的な降圧チョッパ回路に用いられているダイオードD1〜D3の転流ダイオードを可制御素子に置換え、出力の余分なエネルギーが入力側に回生している。
合成電流を制御電流としてフィードバックする定電流制御の制御電流および出力電圧の式を導出する。図11は図10の回路の等価回路であり、閉ループ自動制御応答の領域において、スイッチング周波数より充分長い時間帯域の等価回路を表している。
次に、3相インターリーブ方式の双方向降圧チョッパ回路の状態方程式を導出する。図12は3相の内の一つの相での等価回路を示している。前記式(12)で表される合成電流(iL)を、定電流制御に適用した形態に変換するために、図10に示すiL1,iL2,及びiL3の合成電流であるiL(=iL1+iL2+iL3)の状態方程式を求め、パルス幅ΔTとの関係式を導出する。
次に、パルス幅ΔT(k)の状態方程式を導出する。
次に、パルス幅ΔT(k)の関数式を導出する。
次に、インダクタンス電流の定電流制御のパルス幅ΔT(k)を導出する。
次に、キャパシタンス電流の定電流制御のパルス幅ΔT(k)を導出する。
mode1におけるキャパシタンス電流の定電流制御のパルス幅ΔT(k)の導出を説明する。
次に、mode2におけるキャパシタンス電流の定電流制御のパルス幅ΔT(k)の導出を説明する。
次に、mode3におけるインダクタンス電流の定電流制御のパルス幅ΔT(k)の導出を説明する。
Av=3T/L …(27)
なお、Tはサンプリング周期であり、Lは図10に示すLC回路のインダクタンスである。
以下、mode1からmode2に切り替える際の切り替え電圧Vc1、及びmode2からmode3に切り替える際の切り替え電圧Vc2の導出を説明する。
ここで、2レベルデッドビート制御では、直流指令電圧VREFとしてHighの直流指令電圧VH、及びLowの直流指令電圧VLを定める。
ステップ応答の目標電圧がHighレベル指令電圧VHの場合とLowレベル指令電圧VLの場合の各切り替え電圧Vc1の導出を説明する。
Highレベルの目標電圧をVH、定格出力電流をIR-rat、定電流係数をαH、出力電圧の初期値をvo(0)とすると、指令電圧VREF=VH、キャパシタンス電流の指令電流IC-REF=αH・IR-rat、出力電圧の初期値vo(0)=VLとなる。
次に、Lowパルス制御時のmode1におけるVc1の導出について説明する。
次に、切り替え電圧Vc2の導出について説明する。
次に、係数β2,及びβ3の導出について説明する。
mode2はmode1からmode3へ乱調を極力生じさせることなく転送するための移行モード(Transfer mode)であり、mode2において、初期値はVc1及びic1=IC-REFであり、最終値はVc2及びic2である。
次に、mode3の制御におけるβ3の導出について説明する。β3はキャパシタンス電流icの係数であり、インダクタンス電流iL(t)の定電流制御において、直流指令電圧VREFに追従した制御応答が得られるように選定される。
はじめに、定電圧制御の閉ループ一次系伝達関数について示す。式(12)で表されるインダクタンス電流iL(t)において、β=β3としてs関数で表現すると以下の式(45)で表される。
次に 閉ループ二次系伝達関数とβ3の選定範囲について示す。
次に、出力電圧vo(t)の高速検出について説明する。
km・Th>Tset
km>Tset/Th
図15は、RFジェネレータの適用例の制御系を説明するための制御ブロック図である。制御系は、メインループ制御系を構成するPI制御と、マイナーループ制御系を構成するデビット制御とを備える。マイナーループ制御系を構成するデビット制御に、本発明の電源装置の、多相インターリーブ方式の双方向降圧チョッパ回路のHigh/Lowの直流指令電圧に従う2レベルデッドビート制御系を適用する。
次に、図17のフローチャートを用いて、High/Lowレベル制御例を説明する。図17のフローチャートにおいて、High/Lowレベル制御は、出力電力を、進行波電力のPH (Forward)/PL (Forward)、の電力指令、又はロード電力のPH (Load)/PL (Load)の電力指令に追従させるメインループ(S11)によるPI制御と、出力電圧をHigh/Lowの2レベルの指令電圧に追従させるマイナーループ(S12)にるデッドビート制御とを含む。
vo(km)=(ic(km-1)/C)・Th+vo(km-1) …(56)
によって、サンプリング周期Thを用いた出力電圧vo(km)を演算する。3相インターリーブの各相について、サンプリング周期Tの1/3であるT/3毎に得られるvo(km)を出力電圧vo(k)として検出する。
次に、図18を用いて本発明の電源装置を直流電源装置、交流電源装置に適用した例を説明する。
2 チョッパ回路
3 スイッチング回路
4 LC回路
5 スイッチング信号生成部
6 制御部
7 負荷
Av、β 係数
C キャパシタンス
D1-D3 ダイオード
F 変換行列
G 変換行列
IC-REF キャパシタンス電流の指令電流
IR-rat 定格出力電流
Io-rat, 定格直流電流
ic キャパシタンス電流
iL インダクタンス電流
iL1-iLn インダクタンス電流
iR 負荷電流
L インダクタンス
N サンプリング回数
PH Highレベル電力指令
PH-Forward Highレベル進行波電力指令
PH-Load Highレベルロード電力指令
PH-end Highレベル終了電力
PH-rat Highレベル定格電力
PL Lowレベル電力指令
PL-Forward ローレベル進行波電力指令
PL-Load ローレベルロード電力指令
PL-end Lowレベル終了電力
PREF-ave 平均反射電力
Q1-Q3 スイッチング素子
R 負荷抵抗
T サンプリング周期
Th サンプリング時間
Tc サンプリング周期
V 入力電圧
Vc1 切り替え電圧
Vc2 切り替え電圧
VH Highレベル指令電圧
VH-end Highレベル終了電圧
VH-set Highレベル整定電圧
VL Lowレベル指令電圧
VL-end Lowレベル終了電圧
VREF 指令電圧
Vin 入力電圧
Vl 整定電圧
vo 出力電圧
Vo-rat 定格直流電圧
Vo-slow 検出信号
Vtrans 移行電圧
km サンプリング回数
vo 出力電圧
ΔT(k) パルス幅
Claims (8)
- 多相制御を行う多相インターリーブ制御の電源装置であって、
多相インターリーブの多相制御によって複数のスイッチング回路を動作させる降圧チョッパ回路を構成するLCチョッパ回路と、
前記LCチョッパ回路の入力電圧に対する出力電圧のステップ応答を制御する制御部を備え、
前記LCチョッパ回路と前記制御部は、
前記LCチョッパ回路において、多相制御により各スイッチング回路に流れる各相電流の合成電流を制御電流とし、指令信号に向けた定電流制御により、前記各スイッチング回路の各相のスイッチング制御に基づいて前記LCチョッパ回路の出力電圧を指令電圧に追従させる、ステップ応答制御の制御系を形成し、
前記制御系は、制御電流を設定する係数を、前記出力電圧を前記指令電圧に追従させる応答特性を調整する調整パラメータとして備えることを特徴とする電源装置。 - 前記定電流制御は、インダクタンス電流による定電流制御であり、
前記LCチョッパ回路の各相のインダクタンス電流の合成電流を制御電流とし、
前記制御電流は、
vo(t)はLCチョッパ回路の出力電圧、
VREFは指令電圧、
iC(t)はLCチョッパ回路のキャパシタンス電流、
i R (t)は負荷電流
係数βはキャパシタンス電流に乗じる係数
であり、
係数AVは、制御電流を設定するために、前記LCチョッパ回路の出力電圧v0(t)と指令電圧VREFとの差分値に乗じるものであり、
多相インターリーブ制御において3相インターリーブ制御の前記係数Avは、
Av=3T/L
Tはサンプリング周期、
LはLC回路のインダクタンス、
であることを特徴とする請求項1に記載の電源装置。 - 前記定電流制御は、インダクタンス電流による定電流制御であり、
前記LCチョッパ回路の各相のインダクタンス電流の合成電流を制御電流とし、
前記制御電流は、
vo(t)はLCチョッパ回路の出力電圧、
VREFは指令電圧、
iC(t)はLCチョッパ回路のキャパシタンス電流、
i R (t)は負荷電流
係数Avは出力電圧v0(t)と指令電圧VREFとの差分値に乗じる係数
であり、
係数βは、キャパシタンス電流iC(t)に乗じることで、前記制御電流を設定するものであり、
インダクタンス電流による定電流制御において前記制御電流を設定する際に、前記係数βは係数β 3 に置換され、前記係数β 3 は、以下の式で表される範囲を満たすものであり、
多相インターリーブ制御において3相インターリーブ制御のωnは、
Tはサンプリング周期
LはLC回路のインダクタンス、
CはLC回路のキャパシタンス、
であることを特徴とする請求項1に記載の電源装置。 - LCチョッパ回路を含む電源装置の制御方法であって、
多相制御を行う多相インターリーブ制御の電源装置の制御方法であって、
前記LCチョッパ回路において、多相制御により各スイッチング回路に流れる各相電流の合成電流を制御電流とし、指令電流に向けた定電流制御により前記各スイッチング回路の各相のスイッチングを制御し、前記LCチョッパ回路の出力電圧を指令電圧に追従させる、ステップ応答を制御する制御系を備え、
前記制御電流を設定する係数によって、前記出力電圧を前記指令電圧に追従させる応答特性を調整することを特徴とする電源装置の制御方法。 - 多相インターリーブ制御において3相インターリーブ制御の前記係数Avは、
Av=3T/L
Tはサンプリング周期、
LはLC回路のインダクタンス、
であることを特徴とする、請求項5に記載の電源装置の制御方法。
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