JP7160658B2 - DC power supply and power control method - Google Patents
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Description
本発明は、直流電源装置および電力制御方法に関し、特に出力電圧を安定化するための技術に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a DC power supply device and a power control method, and more particularly to a technique for stabilizing an output voltage.
例えば、貨物列車を編成する一般的な車両は、架線や電源車など車両外部から電源電力の供給を受けることができない。しかし、このような車両においても、車両の状態などを検知するための電子機器を搭載するニーズがあり、この電子機器等を動作させるために必要な電源電力を調達する必要がある。そこで、車両の車軸に車軸発電機を搭載することにより、この車軸発電機の出力から必要な電源電力を確保することが可能である。 For example, a general vehicle that constitutes a freight train cannot receive power supply from the outside of the vehicle such as an overhead wire or a power supply car. However, even in such a vehicle, there is a need to mount electronic equipment for detecting the state of the vehicle, etc., and it is necessary to procure power supply power necessary to operate the electronic equipment. Therefore, by mounting an axle generator on the axle of the vehicle, it is possible to secure the necessary power supply power from the output of this axle generator.
しかし、このような発電機は車両の走行速度、すなわち車軸の回転速度に応じて発電状態が広い範囲で変動する。つまり、数[km/h]程度の低速走行状態では十分に高い電圧を確保することが難しく、逆に数十[km/h]程度の通常走行状態では、100[V]以上の高すぎる電圧が出力される。また、低速状態でも十分に高い電圧が得られるように発電機を設計すると、通常走行状態で出力される電圧が更に高すぎる状態になってしまう。 However, in such a generator, the state of power generation fluctuates over a wide range according to the running speed of the vehicle, that is, the rotational speed of the axle. In other words, it is difficult to secure a sufficiently high voltage in a low speed running state of about several [km/h], and conversely, in a normal running state of about several tens [km/h], a too high voltage of 100 [V] or more is output. In addition, if the generator is designed so that a sufficiently high voltage can be obtained even at low speeds, the voltage output during normal running will become too high.
また、貨物列車の場合に限らず、例えば風力発電機の場合にも、風速の変動に伴って発電状態が大きく変動し、出力電圧が変動する。したがって、上記のような発電機を利用する場合には、出力電圧を安定化する機能を備えた直流電源装置を発電機の出力に接続して使用することが想定される。 Moreover, not only in the case of freight trains, but also in the case of, for example, wind power generators, the state of power generation greatly fluctuates as the wind speed fluctuates, and the output voltage fluctuates. Therefore, when using the generator as described above, it is assumed that a DC power supply device having a function of stabilizing the output voltage is connected to the output of the generator.
また、例えば電気自動車(EV)において、200~400[V]程度の高電圧を出力する車載電源から、車載電子機器が必要とする低電圧の電源電力を確保するために、直流電源装置が用いられる可能性もある。 Further, for example, in an electric vehicle (EV), a DC power supply is used to secure the low-voltage power supply power required by on-vehicle electronic devices from an on-vehicle power supply that outputs a high voltage of about 200 to 400 [V]. There is also a possibility that it will be
上記のような直流電源装置の種類については、必要な出力電圧を生成する構造上の違いにより、シリーズレギュレータと、スイッチングレギュレータの2種類に分けられる。シリーズレギュレータは、レギュレータ内部の電流経路に直列に接続したトランジスタなどを用いて必要な電圧降下を発生させ、入力電圧に比べて電圧の低い安定した出力電圧を生成する。 The types of DC power supply devices as described above are divided into two types, a series regulator and a switching regulator, depending on the structural difference in generating the required output voltage. A series regulator generates a necessary voltage drop by using a transistor or the like connected in series with the current path inside the regulator to generate a stable output voltage that is lower than the input voltage.
また、スイッチングレギュレータはトランジスタなどのスイッチング素子のオンオフを周期的に繰り返し、出力する電力の平均値を調整することにより、目的の出力電圧を生成することができる。また、スイッチング方式の違いにより、パルス幅変調(PWM:Pulse Width Modulation)と、パルス周波数変調(PFM:Pulse Frequency Modulation)とがある。 A switching regulator can generate a target output voltage by periodically turning on and off a switching element such as a transistor to adjust the average value of output power. Further, there are pulse width modulation (PWM) and pulse frequency modulation (PFM) depending on the switching method.
例えば、特許文献1のスイッチング電源回路は、軽負荷のときのPFM制御から重負荷のときのPWM制御に移行する際のリップル電圧を低減して円滑な制御モードの移行を実現するための技術を示している。また、特許文献2のスイッチング電源制御回路は、回路規模を増大させることなく、比較的簡便な操作で複数の制御方式を切り替えるための技術を示している。
For example, the switching power supply circuit of
例えば、貨物列車上で車軸発電機の出力から電力を取り出して、一般的な電子機器等の負荷が必要とする5~12[V]程度の直流電力を調達しようとする場合には、直流電源装置の入出力間の電位差が、数[V]から100[V]以上の広い範囲で変動することになる。 For example, when extracting power from the output of an axle generator on a freight train and trying to procure DC power of about 5 to 12 [V] required by loads such as general electronic equipment, DC power supply The potential difference between the input and output of the device fluctuates in a wide range from several [V] to 100 [V] or more.
このような環境で直流電源装置を使用する場合には、シリーズレギュレータの場合には、降圧用のトランジスタにおける電力損失が非常に大きくなり、無駄な電力消費が増えるとともに、損失に比例して発熱量が増大するという問題が生じる。 When using a DC power supply in such an environment, in the case of a series regulator, the power loss in the step-down transistor becomes extremely large, resulting in an increase in wasteful power consumption and the amount of heat generated in proportion to the loss. increases.
また、スイッチングレギュレータの場合には、例えば特許文献1および特許文献2の技術を採用することにより、パルス幅変調とパルス周波数変調との2種類の制御を使い分けることができる。パルス幅変調の場合は、パルスのオン時間とオフ時間とが一定の周期で繰り返すので、発生するスイッチングノイズの除去が容易である反面、軽負荷時でもスイッチング回数が多いのでスイッチングに伴う損失の低減が難しい。パルス周波数変調の場合には、逆に軽負荷時はスイッチング回数が減るため損失の低減が容易になるが、発生するスイッチングノイズの周波数も変動するためノイズの除去が難しくなる。また、ノイズ除去などの目的でインダクタ、すなわち電気コイルを利用する場合には、無効電力が発生するため制御が困難になる。
In the case of a switching regulator, for example, by adopting the techniques of
そこで、特許文献1および特許文献2のようにパルス幅変調とパルス周波数変調との2種類の制御を使い分けることにより、重負荷時と軽負荷時のいずれの状態においても損失を減らすことが容易になる。しかしながら、PWM動作モードとPFM動作モードの切替を行う際に、出力電圧のリップルが増大したり、モード遷移に時間がかかり電圧の安定性が低下する場合がある。更に、PWM動作モードとPFM動作モードのどちらを選択した場合であっても、制御に限界があるため緻密な電力制御ができない。例えば、PWM動作モードにおいて一定の制御周期の中で、スイッチング素子がオンする時間幅を調整することはできるが、制御周期が一定であるため、オン区間のタイミングをずらしたり、1つのオン区間の途中にそれとは別のオフ区間を割り当てることはできないので、微妙な調整ができない。
Therefore, by selectively using two types of control, pulse width modulation and pulse frequency modulation, as in
例えば、貨物列車上で車軸発電機の出力から電力を取り出し、直流電源装置の内部でスイッチングして負荷へ電力を供給する場合、車両の低速域では直流電源装置がなるべく多くのエネルギーをそのまま出力に伝達できるように制御できることが望ましい。また、車両が定常の速度で走行し、車軸発電機から非常に高い電圧が出力されている時には、直流電源装置は入力されたエネルギーのごく一部分だけを出力に伝達することが望ましい。また、車軸発電機が出力する電圧の変動や、負荷が消費するエネルギーの変化に対応して、直流電源装置は入力から出力に伝達するエネルギーの量を適切に調整し、負荷に供給される電圧のリップルを低減できることが望ましい。また、軽負荷時のような状況では、スイッチングの回数を減らして直流電源装置内部の損失を減らすことが望ましい。 For example, when power is extracted from the output of an axle generator on a freight train and switched inside the DC power supply to supply power to the load, the DC power supply supplies as much energy as possible to the output in the low speed range of the train. It is desirable to be able to control the transmission. Also, when the vehicle is traveling at a steady speed and the axle generator is outputting very high voltage, it is desirable that the DC power supply transfer only a fraction of the input energy to the output. In addition, in response to fluctuations in the voltage output by the axle generator and changes in the energy consumed by the load, the DC power supply appropriately adjusts the amount of energy transferred from the input to the output, thereby reducing the voltage supplied to the load. It is desirable to be able to reduce the ripple of Also, in situations such as when the load is light, it is desirable to reduce the number of times of switching to reduce the loss inside the DC power supply.
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、入力電圧の変動や負荷の変動が非常に大きいような環境であっても、変動に適切に追従して損失の増大を抑制すると共に、出力電圧を安定した状態に維持することが容易な直流電源装置および電力制御方法を提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above-mentioned circumstances, and its object is to properly follow the fluctuations and increase the loss even in an environment where the input voltage fluctuations and the load fluctuations are very large. It is an object of the present invention to provide a direct-current power supply device and a power control method that can suppress the noise and easily maintain the output voltage in a stable state.
前述した目的を達成するために、本発明に係る直流電源装置および電力制御方法は、下記(1)~(6)を特徴としている。
(1) 所定の電力供給源から供給される電圧の不確定な入力電力に基づいて、スイッチング動作を行い、少なくとも前記入力電力に比べて電圧の変化を抑制した出力電力を生成する直流電源装置であって、
前記スイッチング動作におけるオン時間とオフ時間の比を調整する動作と、前記スイッチング動作の周波数を調整する動作とを同時に行う機能を有する、パルス変調部、
を備え、
前記パルス変調部は、前記スイッチング動作の1周期区間中のオン時間とオフ時間の比を調整するPWM制御部と、前記スイッチング動作の1周期区間の長さを調整するPFM制御部と、前記PWM制御部のオン時間中における少なくとも一部のタイミングで、前記スイッチング動作をオフにする間引き制御部と、を有し、
前記間引き制御部は、前記入力電力および前記出力電力の少なくとも一方の電圧検出値の変化を前記スイッチング動作に反映する、
ことを特徴とする直流電源装置。
In order to achieve the above object, the DC power supply device and power control method according to the present invention are characterized by the following (1) to ( 6 ).
(1) A direct-current power supply that performs a switching operation based on input power with an uncertain voltage supplied from a predetermined power supply source, and generates output power in which voltage changes are suppressed at least compared to the input power. There is
a pulse modulation unit having a function of simultaneously performing an operation of adjusting the ratio of the ON time and the OFF time in the switching operation and an operation of adjusting the frequency of the switching operation;
with
The pulse modulation unit includes a PWM control unit that adjusts the ratio of ON time and OFF time in one cycle section of the switching operation, a PFM control unit that adjusts the length of one cycle section of the switching operation, and the PWM a thinning control unit that turns off the switching operation at least part of the timing during the ON time of the control unit;
The thinning control unit reflects a change in a voltage detection value of at least one of the input power and the output power in the switching operation.
A DC power supply device characterized by:
上記(1)の構成の直流電源装置によれば、動作モードの切替が不要なので、動作モードの切替に伴って出力電圧が不安定になるのを避けることができる。すなわち、広い範囲に亘る入力電圧の変動や負荷の変動に対して、スイッチング動作におけるオン時間とオフ時間の比の調整と、周波数の調整とをそれぞれ連続的かつ継続的に行うことができるので、損失の大幅な増大を招くことなく出力電圧を安定に維持できる。しかも、スイッチング動作におけるオン時間とオフ時間の比の調整と、周波数の調整とを組み合わせた制御を同時に実施するので、調整可能な範囲を広げたり緻密な電力制御を行うことが可能である。また、複数の制御の組み合わせにより、制御周期が固定化されるのを避けることができる。すなわち、スイッチングにより発生するノイズの周波数スペクトルが広い範囲に拡散されるため、特定周波数のノイズを除去するためにインダクタなどを接続する必要もなくなる。
更に、上記(1)の構成の直流電源装置によれば、例えば損失を低減するためにPWM制御周期を長くして、単位時間あたりのスイッチング回数を減らす場合でも、間引き制御により必要に応じてスイッチングの時間幅を間引いたり、スイッチングの周期を調整することができる。したがって、スイッチング損失の増大を抑制しつつ、入力電圧や負荷の変動に対して、精密な電力制御が可能になる。
According to the DC power supply device having the above configuration (1), since switching of the operation mode is unnecessary, it is possible to avoid the output voltage from becoming unstable due to the switching of the operation mode. That is, it is possible to continuously and continuously adjust the ratio of the ON time to the OFF time in the switching operation and the frequency, in response to fluctuations in the input voltage and fluctuations in the load over a wide range. The output voltage can be kept stable without causing a large increase in loss. Moreover, since control combining adjustment of the ratio of ON time and OFF time in switching operation and adjustment of frequency is performed simultaneously, it is possible to widen the adjustable range and perform precise power control. Also, by combining a plurality of controls, it is possible to avoid fixing the control period. That is, since the frequency spectrum of noise generated by switching is spread over a wide range, there is no need to connect an inductor or the like to remove noise of a specific frequency.
Furthermore, according to the DC power supply device having the configuration of (1) above, for example, even when the PWM control cycle is lengthened to reduce the loss and the number of switching times per unit time is reduced, switching is performed as necessary by thinning control. can be thinned out and the switching cycle can be adjusted. Therefore, it is possible to control the power precisely against fluctuations in the input voltage and the load while suppressing an increase in switching loss.
(2) 前記入力電力および前記出力電力の少なくとも一方の電圧検出値を、所定の非線形特性に従って変換した結果を、前記スイッチング動作におけるオン時間とオフ時間の比、および前記スイッチング動作の周波数の少なくとも一方に反映する非線形変換部を有する、
ことを特徴とする上記(1)に記載の直流電源装置。
(2) a result obtained by converting the voltage detection value of at least one of the input power and the output power in accordance with a predetermined nonlinear characteristic, at least one of the ratio of the ON time to the OFF time in the switching operation and the frequency of the switching operation; having a non-linear transformation that reflects on
The DC power supply device according to (1) above, characterized in that:
上記(2)の構成の直流電源装置によれば、入力電圧の変動や出力電圧の変動に対して、スイッチングに伴う損失の増大を抑制し、かつ出力電力を安定化するために必要な制御を容易に行うことが可能になる。例えば、貨物列車が低速走行を行っている状態で直流電源装置の入出力間の電位差を減らして負荷に与える電圧の上昇を早めることが望まれる領域や、高すぎる入力電圧に対して直流電源装置内部のスイッチング損失を減らしたい領域や、負荷の急激な変化に対して直流電源装置の応答速度を早くすることが望まれる領域などのそれぞれに対して、適切な制御を容易に行うことが可能になる。 According to the DC power supply device having the configuration of (2) above, the control necessary for suppressing the increase in loss due to switching and stabilizing the output power is performed with respect to the fluctuation of the input voltage and the fluctuation of the output voltage. can be done easily. For example, when a freight train is running at low speed, it is desirable to reduce the potential difference between the input and output of the DC power supply to accelerate the rise of the voltage applied to the load. Appropriate control can be easily performed for each area, such as areas where internal switching loss needs to be reduced, and where it is desirable to speed up the response speed of the DC power supply in response to sudden changes in load. Become.
(3) 前記出力電力の電圧検出値を所定の上限値および下限値と比較した結果を、前記パルス変調部の動作に反映するミュート制御部を有する、
ことを特徴とする上記(1)または(2)に記載の直流電源装置。
( 3 ) having a mute control section that reflects a result of comparing the voltage detection value of the output power with predetermined upper and lower limit values in the operation of the pulse modulation section;
The DC power supply device according to the above (1) or (2) , characterized by:
上記(3)の構成の直流電源装置によれば、例えば出力電圧が安定している状態とそれ以外の状態とを区別してパルス変調の制御を実施できる。これにより、出力電圧が既に安定しているときに、余分な制御が発生するのを抑制し、動作を安定させることが可能である。 According to the DC power supply device having the configuration ( 3 ) above, pulse modulation control can be performed by distinguishing between, for example, a state in which the output voltage is stable and a state other than that. As a result, when the output voltage is already stable, it is possible to suppress unnecessary control and stabilize the operation.
(4) 所定の電力供給源から供給される電圧の不確定な入力電力に基づいて、スイッチング動作を行い、少なくとも前記入力電力に比べて電圧の変化を抑制した出力電力を生成するための電力制御方法であって、
前記スイッチング動作におけるオン時間とオフ時間の比を調整する第1動作と、前記スイッチング動作の周波数を調整する第2動作とを同時に実施し、
前記入力電力および前記出力電力の少なくとも一方の電圧変化を、前記第1動作および前記第2動作の少なくとも一方に反映し、
前記スイッチング動作の1周期区間中のオン時間とオフ時間の比を表す第1制御量を連続的に又は逐次決定し、
前記スイッチング動作の1周期区間の長さを表す第2制御量を連続的に又は逐次決定し、
前記第1制御量に応じたオン時間中における少なくとも一部のタイミングで、前記スイッチング動作をオフにするための第3制御量を連続的に又は逐次決定し、
前記入力電力および前記出力電力の少なくとも一方の電圧検出値の変化に対して、前記第1制御量、前記第2制御量、および前記第3制御量を同時に前記スイッチング動作に反映する、
ことを特徴とする電力制御方法。
( 4 ) Power control for performing a switching operation based on input power with an uncertain voltage supplied from a predetermined power supply source, and generating output power in which voltage changes are suppressed at least compared to the input power. a method,
Simultaneously performing a first operation of adjusting the ratio of the ON time and the OFF time in the switching operation and a second operation of adjusting the frequency of the switching operation,
reflecting a voltage change in at least one of the input power and the output power in at least one of the first operation and the second operation;
Continuously or sequentially determining a first control amount representing the ratio of the ON time to the OFF time in one cycle section of the switching operation;
Continuously or sequentially determining a second control amount representing the length of one cycle section of the switching operation;
Continuously or sequentially determining a third control amount for turning off the switching operation at least part of the timing during the ON time according to the first control amount;
Simultaneously reflecting the first controlled variable, the second controlled variable, and the third controlled variable in the switching operation with respect to a change in the voltage detection value of at least one of the input power and the output power;
A power control method characterized by:
上記(4)の構成の電力制御方法によれば、動作モードの切替が不要なので、動作モードの切替に伴って出力電圧が不安定になるのを避けることができる。すなわち、広い範囲に亘る入力電圧の変動や負荷の変動に対して、スイッチング動作におけるオン時間とオフ時間の比の調整と、周波数の調整とをそれぞれ連続的かつ継続的に行うことができるので、損失の大幅な増大を招くことなく出力電圧を安定に維持できる。しかも、スイッチング動作におけるオン時間とオフ時間の比の調整と、周波数の調整とを組み合わせた制御を同時に実施するので、調整可能な範囲を広げたり緻密な電力制御を行うことが可能である。また、複数の制御の組み合わせにより、制御周期が固定化されるのを避けることができる。すなわち、スイッチングにより発生するノイズの周波数スペクトルが広い範囲に拡散されるため、特定周波数のノイズを除去するためにインダクタなどを接続する必要もなくなる。
更に、上記(4)の構成の電力制御方法によれば、例えば損失を低減するためにPWM制御周期を長くして、単位時間あたりのスイッチング回数を減らす場合でも、間引き制御により必要に応じてスイッチングの時間幅を間引いたり、スイッチングの周期を調整することができる。したがって、スイッチング損失の増大を抑制しつつ、入力電圧や負荷の変動に対して、精密な電力制御が可能になる。
According to the power control method having the configuration ( 4 ), it is unnecessary to switch the operation mode, so that it is possible to avoid the output voltage becoming unstable due to the switching of the operation mode. That is, it is possible to continuously and continuously adjust the ratio of the ON time to the OFF time in the switching operation and the frequency, in response to fluctuations in the input voltage and fluctuations in the load over a wide range. The output voltage can be kept stable without causing a large increase in loss. Moreover, since control combining adjustment of the ratio of ON time and OFF time in switching operation and adjustment of frequency is performed simultaneously, it is possible to widen the adjustable range and perform precise power control. Moreover, it is possible to avoid fixing the control period by combining a plurality of controls. That is, since the frequency spectrum of noise generated by switching is spread over a wide range, there is no need to connect an inductor or the like to remove noise of a specific frequency.
Furthermore, according to the power control method having the configuration (4), even when the PWM control period is lengthened to reduce the loss, for example, and the number of switching times per unit time is reduced, switching is performed as necessary by thinning control. can be thinned out and the switching cycle can be adjusted. Therefore, it is possible to perform precise power control against fluctuations in input voltage and load while suppressing an increase in switching loss.
(5) 前記入力電力および前記出力電力の少なくとも一方の電圧検出値を、所定の非線形特性に従って変換した結果を、前記スイッチング動作におけるオン時間とオフ時間の比、および前記スイッチング動作の周波数の少なくとも一方に反映する、
ことを特徴とする上記(4)に記載の電力制御方法。
( 5 ) A result obtained by converting the voltage detection value of at least one of the input power and the output power in accordance with a predetermined nonlinear characteristic is used as at least one of the ratio of the ON time to the OFF time in the switching operation and the frequency of the switching operation. to reflect in
The power control method according to ( 4 ) above, characterized in that:
上記(5)の構成の電力制御方法によれば、入力電圧の変動や出力電圧の変動に対して、スイッチングに伴う損失の増大を抑制し、かつ出力電力を安定化するために必要な制御を容易に行うことが可能になる。例えば、貨物列車が低速走行を行っている状態で直流電源装置の入出力間の電位差を減らして負荷に与える電圧の上昇を早めることが望まれる領域や、高すぎる入力電圧に対して直流電源装置内部のスイッチング損失を減らしたい領域や、負荷の急激な変化に対して直流電源装置の応答速度を早くすることが望まれる領域などのそれぞれに対して、適切な制御を容易に行うことが可能になる。 According to the power control method having the configuration ( 5 ) above, control necessary for suppressing an increase in loss due to switching and stabilizing the output power is performed with respect to fluctuations in the input voltage and the fluctuations in the output voltage. can be done easily. For example, when a freight train is running at low speed, it is desirable to reduce the potential difference between the input and output of the DC power supply to accelerate the rise of the voltage applied to the load. Appropriate control can be easily performed for each area, such as areas where internal switching loss needs to be reduced, and where it is desirable to speed up the response speed of the DC power supply in response to sudden changes in load. Become.
(6) 前記出力電力の電圧検出値を所定の上限値および下限値とそれぞれ比較し、比較した結果を前記スイッチング動作に反映する、
ことを特徴とする上記(4)または(5)に記載の電力制御方法。
( 6 ) comparing the voltage detection value of the output power with a predetermined upper limit value and a predetermined lower limit value, and reflecting the result of the comparison in the switching operation;
The power control method according to the above (4) or (5) , characterized by:
上記(6)の構成の電力制御方法によれば、例えば出力電圧が安定している状態とそれ以外の状態とを区別してパルス変調の制御を実施できる。これにより、出力電圧が既に安定しているときに、余分な制御が発生するのを抑制し、動作を安定させることが可能である。 According to the power control method having the configuration ( 6 ) above, pulse modulation control can be performed by distinguishing between, for example, a state in which the output voltage is stable and a state other than that. As a result, when the output voltage is already stable, it is possible to suppress unnecessary control and stabilize the operation.
本発明の直流電源装置および電力制御方法によれば、入力電圧の変動や負荷の変動が非常に大きいような環境であっても、変動に適切に追従して損失の増大を抑制すると共に、出力電圧を安定した状態に維持することが容易になる。特に、動作モードの切替が不要なので、動作モードの切替に伴って出力電圧が不安定になったり、電圧のリップルが増大するのを避けることができる。 According to the DC power supply and the power control method of the present invention, even in an environment where the input voltage fluctuates or the load fluctuates significantly, the fluctuations are appropriately followed to suppress the increase in loss, and the output It becomes easier to keep the voltage stable. In particular, since it is not necessary to switch the operation mode, it is possible to prevent the output voltage from becoming unstable and the voltage ripple from increasing due to the switching of the operation mode.
以上、本発明について簡潔に説明した。更に、以下に説明される発明を実施するための形態(以下、「実施形態」という。)を添付の図面を参照して通読することにより、本発明の詳細は更に明確化されるであろう。 The present invention has been briefly described above. Furthermore, the details of the present invention will be further clarified by reading the following detailed description of the invention (hereinafter referred to as "embodiment") with reference to the accompanying drawings. .
本発明に関する具体的な実施形態について、各図を参照しながら以下に説明する。 Specific embodiments relating to the present invention will be described below with reference to each drawing.
<直流電源装置の構成例>
本発明の実施形態における直流電源装置の構成例を図1に示す。
<Configuration example of DC power supply>
FIG. 1 shows a configuration example of a DC power supply device according to an embodiment of the present invention.
図1に示した電源装置10は、発電機20の出力から電源として入力電力Pinを取り込み、これを安定化処理し、出力電力Poutとして負荷21に供給するために利用される。具体例としては、発電機20が貨物列車などに搭載される車軸発電機である場合や、風力発電機である場合や、電気自動車などに搭載される高圧電源である場合などが想定される。負荷21としては、この車両に搭載されている電子機器や、各乗客が持ち込む携帯電子機器などが想定される。
The
発電機20が車軸発電機である場合には、入力電力Pinの電圧は、車両の走行速度の変動に伴って、0~100[V]以上の広い範囲で変化することになる。また、例えば車両が数[km/h]程度の低速で走行を開始した直後の環境においても、負荷21に必要な電力が供給されることが望まれる。また、電源装置10は、入力電力Pinの電圧が100[V]のような環境においても、過大な電圧が負荷21に出力されないように制御する必要がある。
If the
したがって、例えば負荷21に供給すべき出力電力Poutの電圧が12[V]である場合には、電源装置10における入力電力Pinと出力電力Poutの電位差が0~100[V]程度の広い範囲で変化することが想定される。電源装置10は、基本的にスイッチングレギュレータを構成しているので、入出力間の電位差が大きくなっても、内部で発生する損失および発熱を減らすことが可能である。但し、一般的にはスイッチングの周期が比較的短い場合には精密な電力制御は難しく、スイッチングの周期が短くなるとスイッチングに伴う損失が急激に増大する傾向がある。
Therefore, for example, when the voltage of the output power Pout to be supplied to the
また、負荷21のオンオフなどに伴って出力電力Poutの電流が変動すると、出力電力Poutの電圧が変化するので、これを抑制すると共に十分な電流を負荷側に供給できるように電源装置10が制御を行う必要がある。
In addition, when the current of the output power Pout fluctuates with the on/off of the
また、安定した外部電源などを利用できる環境でない限り、電源装置10内部の各回路が動作するために必要な電源電力も、入力電力Pinから取り込んで生成する必要がある。つまり、車両が動き始めた直後は、電源装置10自身も動作が停止した状態になっているので、入力電力Pinの電圧が立ち上がった直後に、電源装置10がすばやくそれ自身の動作を起動して、負荷21に十分な電圧の出力電力Poutを供給できることが望まれる。
In addition, unless the environment allows the use of a stable external power supply, etc., the power supply power required for operating each circuit inside the
図1に示した電源装置10は、電力入力部11、非線形信号変換部12、電圧制御部13、パルス制御部14、電力スイッチ回路15、整流回路16、ミュート制御部17、電力出力回路18、および起動回路19を備えている。
A
なお、非線形信号変換部12、電圧制御部13、パルス制御部14、およびミュート制御部17の各機能は、本実施形態では演算増幅器などのアナログ電子回路を用いて実現している。勿論、これらの機能を一般的な論理回路やコンピュータの処理で置き換えることも可能であるが、電源電圧の立ち上がり時の応答速度の点で、アナログ電子回路を利用する方が有利である。
Note that each function of the
電力入力部11は、発電機20から出力される入力電力Pinを取り込んで直流入力電力P0を生成するための回路である。例えば、入力電力Pinが交流電力の場合には、電力入力部11内部の整流回路が交流を整流して直流電圧に変換する。また、複数の電力供給源が存在する場合には、電力入力部11は複数のいずれかの電力供給源から選択的に入力電力Pinを取り込む。
The
非線形信号変換部12は、所望の非線形変換特性(図2参照)に合わせて、信号SG1の電圧を信号SG2の電圧に変換する。これにより、直流入力電力P0の変動範囲、入力電力Pin-出力電力Pout間の電位差の変動範囲、負荷21の変動範囲などを考慮して、適切な制御特性を実現することが容易になる。また、制御系の出力側からフィードバックされる信号SG6を非線形信号変換部12に入力し、この信号SG6の電圧を信号SG2に反映しても良い。
The
電圧制御部13は、パルス制御部14を制御するために必要な信号SG3の電圧を、2つの信号SG2、SG6に基づいて生成する。この信号SG3の電圧は、パルス制御部14がその内部でパルス幅変調などによりパルスを生成する際に使用する閾値である。
The
パルス制御部14は、PWM制御部14a、PFM制御部14b、間引き制御部14c、および出力パルス発生部14dを備えている。なお、間引き制御部14cの機能をPFM制御部14bが代行する場合は、間引き制御部14cを省略することも可能である。
The pulse controller 14 includes a
PWM制御部14aは、制御周期毎に、オン状態の時間幅とオフ状態の時間幅との比率を自動調整可能なパルス幅変調(PWM)のための制御を実施する。PWM制御部14aにおける制御周期は予め固定される場合もあるし、自動調整される場合もある。実際には、パルス制御部14内部の発振器(図示せず)が生成した三角波信号と、信号SG3の電圧に相当する閾値とをPWM制御部14a内のアナログコンパレータで比較することにより、信号SG31のパルスが生成される。
The
PFM制御部14bは、信号SG3の電圧に応じてパルス周波数変調(PFM)されたパルス信号を信号SG32として生成するためのアナログ回路である。なお、PFM制御部14bの出力を、PWM制御部14aの制御周期に反映して、この制御周期を可変にしてもよい。
The
間引き制御部14cは、PWM制御部14aが生成するPWMパルスがオンになる区間で当該パルスの実際のオン時間が短縮されるように不定期で時間の間引きを行ったり、このPWMパルスがオフになる区間に必要に応じて別のパルスを挿入するための信号SG33を生成する。
The thinning
出力パルス発生部14dは、PWM制御部14a、PFM制御部14b、および間引き制御部14cがそれぞれ出力する信号SG31、SG32、およびSG33の加算、減算、論理演算などの処理を行ってこれらを合成した結果を信号SG4として出力する。したがって、信号SG4に現れるパルス信号は、PWM制御により生成されたパルスと、PFM制御により生成されるパルスと、間引き制御出力とを合成したものとなる。
The output
なお、PWM制御の制御周期に相当する周波数と、PFM制御の周波数とが異なる場合には、信号SG32のパルスの影響が、信号SG31のパルスオン区間やパルスオフ区間のタイミングで不定期に現れる。つまり、PWM制御部14aおよびPFM制御部14bが同時に動作している場合には、間引き制御部14cと同様の動作をPFM制御部14bが行うので、間引き制御部14cは不要になる。
If the frequency corresponding to the control cycle of PWM control and the frequency of PFM control are different, the effect of the pulse of signal SG32 appears irregularly at the timing of the pulse-on period and the pulse-off period of signal SG31. That is, when the
いずれにしても、出力パルス発生部14dが出力する信号SG4の中には、PWM制御部14aが生成したパルス幅変調パルスの他に、PFM制御部14b又は間引き制御部14cが生成した別のパルスが不定期で現れる。また、不定期で現れるパルスの周波数は、信号SG3の電圧に応じてPFM制御部14bが自動的に調整する。
In any case, in the signal SG4 output by the
電力スイッチ回路15は、通電のオンオフを制御可能な大電力用の半導体スイッチングデバイスを含み、パルス制御部14が出力する信号SG4のパルスがオンの区間でのみ、導通状態になって直流入力電力P0を負荷21側へ供給可能な状態になる。つまり、信号SG4におけるパルスのオンオフ時間の比率に応じて、負荷21側へ供給される電力の平均値が調整される。
The
電力スイッチ回路15の主要部を構成する半導体スイッチングデバイスの具体例としては、NチャネルのMOSFET、GaNFET、SiCFETを採用することが想定される。これにより、スイッチングの効率を上げることができる。
As a specific example of the semiconductor switching device that constitutes the main part of the
整流回路16は、電力スイッチ回路15の出力側の電源ラインに流れる電流の方向を制限する機能を有する。
ミュート制御部17は、整流回路16の出力側に現れる信号SG5を制御系の入力側にフィードバックし、全体として安定な動作を実現するように制御ループを形成する。本実施形態では、ミュート制御部17の出力する信号SG6が、パルス制御部14がパルス発生のために使用する閾値のミュートを状況に応じて実施する。
The
The
ミュート制御部17は、電圧上限検知部17a、電圧下限検知部17b、および演算部17cを備えている。電圧上限検知部17aは、予想される信号SG5の電圧変化範囲の中に設けた窓の上限電圧と、信号SG5の電圧とをアナログコンパレータを用いて比較し、上限電圧を超えたか否かを表す信号を出力する。電圧下限検知部17bは、上記窓の下限電圧と、信号SG5の電圧とをアナログコンパレータを用いて比較し、下限電圧以上か否かを表す信号を出力する。演算部17cは、電圧上限検知部17aの出力信号と、電圧下限検知部17bの出力信号との演算を実施して信号SG6を生成する。
このミュート制御部17は、上記窓の範囲内でのみ動作を制限するように、電源装置10の制御系に信号SG6でフィードバックをかけることができる。
The
The
電力出力回路18は、負荷21に供給する出力電力Poutをより安定化するための制御を実施する。電力出力回路18は、例えば、過大な電圧が出力されるのを制限するための回路や、過大な電流が出力に流れるのを制限するための回路を有している。
The
起動回路19は、例えば直流入力電力P0の電圧が0[V]から立ち上がる際のようにパルス制御部14がまだ動作していないリニア領域で、電力スイッチ回路15の通電動作を起動するための信号を生成する。
The
<非線形変換特性の例>
非線形信号変換部12に関する入出力特性の例を図2に示す。図2において、横軸は入力電圧[V]、すなわち信号SG1の電圧に相当し、縦軸は出力電圧[V]、すなわち信号SG2の電圧に相当する。
<Example of nonlinear conversion characteristics>
FIG. 2 shows an example of input/output characteristics of the
図2に示すように、非線形信号変換部12においては入力電圧と出力電圧との関係が非線形になっている。例えば、入力電圧が0~35[V]程度の範囲内では出力電圧は11[V]程度でほぼ変化がない。また、入力電圧が45~90[V]程度の範囲内では、入力電圧の増大に反比例して出力電圧が減少する。また、入力電圧が95[V]以上の範囲では入力電圧の変化に対する出力電圧の変化の傾きが緩やかになっている。
As shown in FIG. 2, in the
<特徴的な動作の説明>
図1に示した電源装置10においては、パルス制御部14内に備わっているPWM制御部14aおよびPFM制御部14bが同時に動作して、その結果が信号SG4のパルスに反映される。つまり、PWMと、PFMとの2種類、又はそれに間引き制御部14cを加えた3種類の制御を同時に行った結果として生成されるパルスに従い、電力スイッチ回路15のスイッチング動作が実施される。
<Explanation of characteristic operation>
In
PWMとPFMとを同時に実施することにより、PWMの制御周期が一定の場合であっても、PWMで生成した周期的な複数パルスの間に別のパルスがランダムに発生したり、PWMで生成したパルスのオン区間の時間幅をランダムに間引きするようなパルスが信号SG4に現れる。 By performing PWM and PFM at the same time, even if the control period of PWM is constant, another pulse is randomly generated between multiple periodic pulses generated by PWM, or a pulse generated by PWM is generated at random. A pulse appears in the signal SG4 such that the time width of the ON section of the pulse is randomly thinned out.
したがって、PWMの制御周期を短くして電力スイッチ回路15における定常時のスイッチング頻度を上げなくても、必要に応じてPFMのパルスを挿入したり、PWMパルスの時間幅の間引きを行って精密な電力制御を実現できる。PWMの制御周期を長くすることにより、スイッチングに伴って発生する損失を低減できる。また、スイッチングに使用するパルスの発生周期をランダムに変化させることにより、不要輻射として発生するノイズの周波数スペクトルにおけるピーク位置を広い範囲で拡散できるので、ノイズ対策が容易になる。
Therefore, even if the PWM control cycle is not shortened to increase the switching frequency in the
図1に示した電源装置10においては、直流入力電力P0の電圧を非線形信号変換部12を用いてノンリニアな特性に従って制御するように、変換してパルス制御部14に入力している。つまり、信号SG1の入力電圧と、パルス制御部14に閾値電圧として入力される信号SG3との関係が非線形になる。
In the
これにより、所望の制御特性で動作するように電源装置10を設計することが容易になる。例えば、直流入力電力P0の電圧が35[V]以下の領域では、直流入力電力P0-出力電力Pout間の電位差を0[V]に近づけることで、出力電力Poutの立ち上がりを早めることができる。したがって、この領域では非線形信号変換部12が出力する信号SG2の電圧を11[V]程度にすることで、パルス制御部14の動作を止め、電力スイッチ回路15がほぼ全ての時間帯にわたりオン(導通)状態になるように制御する。
This facilitates designing the
また、直流入力電力P0の電圧が40~90[V]程度の範囲内の領域では、直流入力電力P0の電圧上昇に伴って、出力電力Poutの電圧が上がりすぎるのを抑制するために、余剰分のエネルギーを電力スイッチ回路15のスイッチングにより削減する。そのために、適切な電圧を信号SG2として出力し、パルス制御部14に閾値電圧として入力される信号SG3の電圧を調整する。これにより、PWMおよびPFM制御により生成されたパルスが信号SG4として電力スイッチ回路15の制御入力に印加される。
Further, in a region where the voltage of the DC input power P0 is in the range of about 40 to 90 [V], the excess energy is reduced by switching the
また、電力スイッチ回路15の出力側の信号SG5の電圧をパルス制御部14の入力側にフィードバックすることにより、信号SG5および出力電力Poutの電圧が目標とする所定電圧、例えば12[V]に近い状態で安定するようにパルス制御部14が自動的に制御を実施する。
Further, by feeding back the voltage of the signal SG5 on the output side of the
また、信号SG5の電圧が、窓の範囲内に収まっている場合には、ミュート制御部17が出力する信号SG6により、パルス制御部14の動作が制限され、その時の制御状態が維持される。そして、信号SG5の電圧が窓の上限電圧を超えるか、又は窓の下限電圧以下になると、パルス制御部14の自動制御が再開されて、PWMおよびPFMの制御により窓の範囲内に近づく方向に信号SG5の電圧が調整される。
Further, when the voltage of the signal SG5 is within the range of the window, the operation of the pulse control section 14 is restricted by the signal SG6 output from the
いずれにしても、PWM制御部14aおよびPFM制御部14bの同時制御により、パルス制御部14の制御特性を可変にすることができる。すなわち、直流入力電力P0-出力電力Pout間の電位差に合わせて、電源装置10の内部で発生するスイッチング損失が適切に低減され、且つ出力電力Poutの電圧が適切に維持されるようなパルスを信号SG4として出力できる。
In any case, the simultaneous control of the
また、非線形信号変換部12を利用しているので、直流入力電力P0-出力電力Pout間の電位差に合わせて、パルス制御部14が閾値電圧として使用する信号SG3の電圧を所望の非線形特性に従って適正に自動調整できる。また、非線形信号変換部12を利用して直流入力電力P0の電圧が低い領域で電源装置10内の制御における入出力の関係をリニアにできるので、入出力の関係にヒステリシスが生じるのを避けることができる。
In addition, since the nonlinear
上記のような制御により、直流入力電力P0の電圧変化だけでなく、負荷21に流れる電流の早い変動にも追従して、出力電力Poutの電圧が安定化するように、適切に制御できる。しかも、電源装置10内部におけるスイッチングの損失を低減し、発熱も抑制できる。
With the above-described control, it is possible to follow not only the voltage change of the DC input power P0 but also the rapid fluctuation of the current flowing through the
実際には、PWM制御部14aにおける単独の制御特性は、数分の1[sec]~数[μsec]程度のパルス時間幅(オン時間)の変化に対応するように設計できる。また、PFM制御部14bにおける単独の制御特性は、直流レベルから数百[Hz]程度の範囲の周波数変化に対応するように設計できる。
In practice, the single control characteristic of the
<動作波形の具体例>
<入力電圧変化に応じた波形の変化>
互いに入力電圧が異なる状態における3つの信号の例を図3(a)および図3(b)に示す。図3(a)および図3(b)において、横軸は時間、縦軸は電圧を表している。なお、各波形の把握が容易になるよう、各信号の縦軸における0の位置は異ならせている。
<Specific examples of operating waveforms>
<Waveform change according to input voltage change>
Examples of three signals with different input voltages are shown in FIGS. 3(a) and 3(b). In FIGS. 3A and 3B, the horizontal axis represents time and the vertical axis represents voltage. Note that the position of 0 on the vertical axis of each signal is made different so that each waveform can be easily grasped.
図3(a)に示した各信号SG4、SG6、SG30は、直流入力電力P0の電圧が40.5[V]の状態における各波形を表している。また、図3(b)中の各信号SG4、SG6、SG30は、直流入力電力P0の電圧が111[V]の状態における各波形を表している。また、信号SG30はパルス制御部14の内部に含まれる発振器により生成される。この信号SG30の波形は三角波であり、PWM制御部14aがPWM制御で信号SG4のパルスを生成するためのベース信号として利用される。図3(a)および図3(b)において、信号SG30の1周期に対応する周波数は約390[Hz]である。
Each of the signals SG4, SG6, and SG30 shown in FIG. 3(a) represents each waveform when the voltage of the DC input power P0 is 40.5 [V]. Further, each of the signals SG4, SG6, and SG30 in FIG. 3(b) represents each waveform when the voltage of the DC input power P0 is 111 [V]. Also, the signal SG30 is generated by an oscillator included inside the pulse control unit 14 . The waveform of the signal SG30 is a triangular wave, and is used as a base signal for the
図3(a)に示す状態では、約27[msec]周期(37[Hz])で信号SG4、SG6にパルスが発生しているが、全区間のうち、パルスのオン状態(高レベル)の区間の比率が非常に大きい。つまり、電力スイッチ回路15がほぼ全区間にわたりオン状態になるので、直流入力電力P0のほとんどのエネルギーが電力スイッチ回路15を通過して出力電力Poutとして負荷21に供給される。
In the state shown in FIG. 3(a), pulses are generated in the signals SG4 and SG6 at intervals of about 27 [msec] (37 [Hz]). The ratio of intervals is very large. That is, since the
すなわち、直流入力電力P0の電圧が低い領域では、図2に示す特性により非線形信号変換部12の出力の信号SG2の電圧が高くなるので、パルス制御部14の制御により図3(a)のようなパルスが信号SG4に現れる。このパルスは、ベース信号SG30の周期に基づいて生成される一般的なPWM信号とは大きく異なる。
That is, in a region where the voltage of the DC input power P0 is low, the voltage of the signal SG2 output from the
一方、図3(b)に示す状態では、図3(a)と比べて短い周期で、信号SG4にパルスが現れている。但し、図3(b)に示したように信号SG4のパルスは、ベース信号SG30の1周期毎に現れているのではなく不定期である。つまり、PWMパルスの間引きが不定期で行われている。しかも、信号SG4のパルスの高レベル区間の時間幅は、信号SG6が高レベルの区間の幅に比べて短縮されている。また、信号SG6が高レベルである1つの区間の中で複数のパルスが発生している箇所もある。 On the other hand, in the state shown in FIG. 3(b), pulses appear in the signal SG4 at a shorter cycle than in FIG. 3(a). However, as shown in FIG. 3(b), the pulse of the signal SG4 does not appear every cycle of the base signal SG30, but irregularly. In other words, PWM pulses are thinned irregularly. Moreover, the time width of the high level section of the pulse of the signal SG4 is shorter than the width of the high level section of the signal SG6. Also, there is a portion where a plurality of pulses are generated in one section in which the signal SG6 is at high level.
図3(a)および図3(b)に示したような信号SG4のパルスを生成することにより、入力電圧の広い範囲にわたって緻密な電力制御を行うことが可能である。この場合、電力スイッチ回路15をスイッチングするためのパルスが一般的なPWMのように一定の周期で繰り返し発生するわけではないので、スイッチングの頻度を減らし、電力の損失を減らすことができる。また、スイッチングの周期が不定期であるので、輻射ノイズの対策が容易になる。
By generating the pulses of signal SG4 as shown in FIGS. 3(a) and 3(b), fine power control can be achieved over a wide range of input voltages. In this case, the pulse for switching the
<入力電圧が中間的なレベルの場合の波形>
直流入力電力P0の電圧が74[V]の状態における4つの信号の例を図4(a)および図4(b)に示す。図4(a)、図4(b)において、横軸は時間、縦軸は電圧を表している。なお、各波形の把握が容易になるよう、各信号の縦軸における0の位置は異ならせている。
<Waveform when input voltage is intermediate level>
Examples of four signals when the voltage of the DC input power P0 is 74 [V] are shown in FIGS. 4(a) and 4(b). In FIGS. 4A and 4B, the horizontal axis represents time and the vertical axis represents voltage. Note that the position of 0 on the vertical axis of each signal is made different so that each waveform can be easily grasped.
図4(a)、図4(b)に示した例においても、信号SG4にパルスが頻繁に現れている。但し、信号SG4におけるパルスの制御周期は一定ではなく、パルスが高レベルになるオン区間の時間幅も1周期毎に微妙に変動している。つまり、PWM制御部14aで生成されるパルスの間引きや、各パルスのオン時間幅の間引きが行われている。
Also in the examples shown in FIGS. 4A and 4B, pulses frequently appear in the signal SG4. However, the control period of the pulse in the signal SG4 is not constant, and the time width of the ON section in which the pulse is at high level also slightly fluctuates for each period. That is, thinning of pulses generated by the
例えば、信号SG5の電圧が上がりすぎる状態になると、フィードバックされる信号SG6が高レベルになっている区間で、パルス制御部14が制御を行い、信号SG4に出力するパルスの間引きや、オン時間幅の間引きなどを行うことができる。これにより、信号SG5の電圧を下げることができる。 For example, when the voltage of the signal SG5 rises too much, the pulse control unit 14 performs control during the interval in which the signal SG6 fed back is at high level to thin out the pulses to be output to the signal SG4 and the ON time width. can be thinned out. Thereby, the voltage of the signal SG5 can be lowered.
<負荷の変化に応じた波形の変化>
入力電圧が同じ(約62[V])で負荷が互いに異なる状態における3つの信号の例を図5(a)および図5(b)に示す。図5(a)、図5(b)において、横軸は時間、縦軸は電圧を表している。また、図5(a)は負荷21のインピーダンスが50[Ω]の状態を表し、図5(b)は負荷21のインピーダンスが25[Ω]の状態を表している。
<Waveform change according to load change>
Examples of three signals with the same input voltage (approximately 62 [V]) and different loads are shown in FIGS. 5(a) and 5(b). In FIGS. 5A and 5B, the horizontal axis represents time and the vertical axis represents voltage. Also, FIG. 5(a) represents a state in which the impedance of the
つまり、図5(b)の状態では図5(a)と比べて負荷21に流れる電流が大幅に増大するので、それに伴って安定した状態を維持するために、電源装置10の動作状態が変化する。
That is, in the state of FIG. 5(b), the current flowing through the
したがって、図5(b)に示したように、信号SG4に現れるパルスの出現頻度、すなわち周波数が図5(a)と比べて大幅に増大している。これにより、電力スイッチ回路15が通電状態になる頻度も高くなり、負荷21が必要とする電力の補充を短時間でまかなうことが可能になる。その様子が、図5(a)、図5(b)中の信号SG5の波形変化に現れている。つまり、このような制御により、負荷が増大したときの電圧リップルの増大を抑制できる。
Therefore, as shown in FIG. 5(b), the appearance frequency of the pulses appearing in the signal SG4, that is, the frequency, is greatly increased compared to FIG. 5(a). As a result, the frequency with which the
<電源装置10の利点>
図1に示した電源装置10においては、パルス制御部14内のPWM制御部14a、PFM制御部14bが同時に動作した結果を出力パルス発生部14dの出力の信号SG4に反映することができる。したがって、PWMとPFMのモード切替を行う必要がなく、切替に伴って出力電力Poutの電圧や電流が不安定になるのを防止できる。
<Advantages of
In the
また、電力スイッチ回路15をスイッチングするための信号SG4のパルス周波数が変動するので、不要放射のスペクトルが広い帯域に拡散される。したがって、特定の周波数にノイズのピークが生じることがなく、ノイズ対策が容易になる。また、ノイズを減らすために電気コイルを接続する必要がなく、無効電力が生じない。
Moreover, since the pulse frequency of the signal SG4 for switching the
なお、図1に示した電源装置10の制御内容は、論理回路の動作に置き換えたり、コンピュータのソフトウェア処理に置き換えることも可能である。また、コンピュータなどを利用する場合には、例えば発電機20が起動する時の制御動作の立ち上がりを早くするために、特別な外部電源を用意したり、蓄電池を利用してコンピュータを常時動作可能な状態で待機させておくことも想定される。
It should be noted that the control contents of the
ここで、上述した本発明の実施形態に係る直流電源装置および電力制御方法の特徴をそれぞれ以下[1]~[8]に簡潔に纏めて列記する。
[1] 電力供給源(発電機20)から供給される電圧の不確定な入力電力(直流入力電力P0)に基づいて、スイッチング動作を行い、少なくとも前記入力電力に比べて電圧の変化を抑制した出力電力を生成する直流電源装置(電源装置10)であって、
前記スイッチング動作におけるオン時間とオフ時間の比を調整する動作(PWM制御部14a)と、前記スイッチング動作の周波数を調整する動作(PFM制御部14b)とを同時に行う機能(出力パルス発生部14d)を有する、パルス変調部(パルス制御部14)、
を備えたことを特徴とする直流電源装置。
Here, the features of the DC power supply device and the power control method according to the embodiments of the present invention described above are briefly summarized in [1] to [8] below.
[1] A switching operation is performed based on input power (DC input power P0) with an uncertain voltage supplied from a power supply source (generator 20), and voltage changes are suppressed at least as compared to the input power. A DC power supply (power supply 10) that generates output power,
A function (
A DC power supply device comprising:
[2] 前記入力電力および前記出力電力の少なくとも一方の電圧検出値を、所定の非線形特性に従って変換した結果を、前記スイッチング動作におけるオン時間とオフ時間の比、および前記スイッチング動作の周波数の少なくとも一方に反映する非線形変換部(非線形信号変換部12)を有する、
ことを特徴とする上記[1]に記載の直流電源装置。
[2] A result obtained by converting the voltage detection value of at least one of the input power and the output power in accordance with a predetermined nonlinear characteristic is used as at least one of the ratio of the ON time to the OFF time in the switching operation and the frequency of the switching operation. having a nonlinear conversion unit (nonlinear signal conversion unit 12) that reflects
The DC power supply device according to [1] above, characterized in that:
[3] 前記パルス変調部は、前記スイッチング動作の1周期区間中のオン時間とオフ時間の比を調整するPWM制御部(14a)と、前記スイッチング動作の1周期区間の長さを調整するPFM制御部(14b)と、前記PWM制御部のオン時間中における少なくとも一部のタイミングで、前記スイッチング動作をオフにする間引き制御部(14c)と、を有し、
前記間引き制御部は、前記入力電力および前記出力電力の少なくとも一方の電圧検出値の変化を前記スイッチング動作に反映する、
ことを特徴とする上記[1]または[2]に記載の直流電源装置。
[3] The pulse modulation section includes a PWM control section (14a) that adjusts the ratio of ON time and OFF time in one cycle section of the switching operation, and a PFM control section (14a) that adjusts the length of one cycle section of the switching operation. a control unit (14b); and a thinning control unit (14c) that turns off the switching operation at least partly during the ON time of the PWM control unit,
The thinning control unit reflects a change in a voltage detection value of at least one of the input power and the output power in the switching operation.
The DC power supply device according to the above [1] or [2], characterized by:
[4] 前記出力電力の電圧検出値を所定の上限値および下限値と比較した結果を、前記パルス変調部の動作に反映するミュート制御部(17)を有する、
ことを特徴とする上記[1]乃至[3]のいずれかに記載の直流電源装置。
[4] A mute control section (17) that reflects a result of comparing the voltage detection value of the output power with predetermined upper and lower limit values in the operation of the pulse modulation section;
The DC power supply device according to any one of [1] to [3], characterized by:
[5] 電力供給源から供給される電圧の不確定な入力電力に基づいて、スイッチング動作を行い、少なくとも前記入力電力に比べて電圧の変化を抑制した出力電力を生成するための電力制御方法であって、
前記スイッチング動作におけるオン時間とオフ時間の比を調整する第1動作(PWM制御部14a)と、前記スイッチング動作の周波数を調整する第2動作(PFM制御部14b)とを同時に実施し、
前記入力電力および前記出力電力の少なくとも一方の電圧変化を、前記第1動作および前記第2動作の少なくとも一方に反映する、
ことを特徴とする電力制御方法。
[5] A power control method for performing a switching operation based on input power with an uncertain voltage supplied from a power supply source, and for generating output power in which voltage changes are suppressed at least compared to the input power. There is
Simultaneously performing a first operation (
A voltage change of at least one of the input power and the output power is reflected in at least one of the first operation and the second operation;
A power control method characterized by:
[6] 前記入力電力および前記出力電力の少なくとも一方の電圧検出値を、所定の非線形特性に従って変換した結果を、前記スイッチング動作におけるオン時間とオフ時間の比、および前記スイッチング動作の周波数の少なくとも一方に反映する、
ことを特徴とする上記[5]に記載の電力制御方法。
[6] A result obtained by converting the voltage detection value of at least one of the input power and the output power in accordance with a predetermined nonlinear characteristic is used as at least one of the ratio of the ON time to the OFF time in the switching operation and the frequency of the switching operation. to reflect in
The power control method according to [5] above, characterized in that:
[7] 前記スイッチング動作の1周期区間中のオン時間とオフ時間の比を表す第1制御量を連続的に又は逐次決定し、
前記スイッチング動作の1周期区間の長さを表す第2制御量を連続的に又は逐次決定し、
前記第1制御量に応じたオン時間中における少なくとも一部のタイミングで、前記スイッチング動作をオフにするための第3制御量を連続的に又は逐次決定し、
前記入力電力および前記出力電力の少なくとも一方の電圧検出値の変化に対して、前記第1制御量、前記第2制御量、および前記第3制御量を同時に前記スイッチング動作に反映する、
ことを特徴とする上記[5]または[6]に記載の電力制御方法。
[7] Continuously or sequentially determining a first control amount representing the ratio of the ON time to the OFF time in one cycle section of the switching operation;
Continuously or sequentially determining a second control amount representing the length of one cycle section of the switching operation;
Continuously or sequentially determining a third control amount for turning off the switching operation at least part of the timing during the ON time according to the first control amount;
Simultaneously reflecting the first controlled variable, the second controlled variable, and the third controlled variable in the switching operation with respect to a change in the voltage detection value of at least one of the input power and the output power;
The power control method according to the above [5] or [6], characterized by:
[8] 前記出力電力の電圧検出値を所定の上限値および下限値とそれぞれ比較し、比較した結果を前記スイッチング動作に反映する、
ことを特徴とする上記[5]乃[7]のいずれかに記載の電力制御方法。
[8] comparing the voltage detection value of the output power with a predetermined upper limit value and a lower limit value, respectively, and reflecting the result of the comparison in the switching operation;
The power control method according to any one of the above [5] to [7], characterized by:
10 電源装置
11 電力入力部
12 非線形信号変換部
13 電圧制御部
14 パルス制御部
14a PWM制御部
14b PFM制御部
14c 間引き制御部
14d 出力パルス発生部
15 電力スイッチ回路
16 整流回路
17 ミュート制御部
17a 電圧上限検知部
17b 電圧下限検知部
17c 演算部
18 電力出力回路
19 起動回路
20 発電機
21 負荷
Pin 入力電力
P0 直流入力電力
Pout 出力電力
P1,P2 電力
SG1,SG2,SG3,SG4,SG5,SG6 信号
REFERENCE SIGNS
Claims (6)
前記スイッチング動作におけるオン時間とオフ時間の比を調整する動作と、前記スイッチング動作の周波数を調整する動作とを同時に行う機能を有する、パルス変調部、
を備え、
前記パルス変調部は、前記スイッチング動作の1周期区間中のオン時間とオフ時間の比を調整するPWM制御部と、前記スイッチング動作の1周期区間の長さを調整するPFM制御部と、前記PWM制御部のオン時間中における少なくとも一部のタイミングで、前記スイッチング動作をオフにする間引き制御部と、を有し、
前記間引き制御部は、前記入力電力および前記出力電力の少なくとも一方の電圧検出値の変化を前記スイッチング動作に反映する、
ことを特徴とする直流電源装置。 A DC power supply that performs a switching operation based on input power with an uncertain voltage supplied from a power supply source, and generates output power in which voltage changes are suppressed at least compared to the input power,
a pulse modulation unit having a function of simultaneously performing an operation of adjusting the ratio of the ON time and the OFF time in the switching operation and an operation of adjusting the frequency of the switching operation;
with
The pulse modulation unit includes a PWM control unit that adjusts the ratio of ON time and OFF time in one cycle section of the switching operation, a PFM control unit that adjusts the length of one cycle section of the switching operation, and the PWM a thinning control unit that turns off the switching operation at least part of the timing during the ON time of the control unit;
The thinning control unit reflects a change in a voltage detection value of at least one of the input power and the output power in the switching operation.
A DC power supply device characterized by:
ことを特徴とする請求項1に記載の直流電源装置。 A result of converting the voltage detection value of at least one of the input power and the output power according to a predetermined non-linear characteristic is reflected in at least one of a ratio of ON time to OFF time in the switching operation and a frequency of the switching operation. having a nonlinear conversion unit,
2. The DC power supply device according to claim 1, characterized in that:
ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の直流電源装置。 a mute control unit that reflects a result of comparing the voltage detection value of the output power with predetermined upper and lower limits in the operation of the pulse modulation unit;
3. The DC power supply device according to claim 1 or 2 , characterized in that:
前記スイッチング動作におけるオン時間とオフ時間の比を調整する第1動作と、前記スイッチング動作の周波数を調整する第2動作とを同時に実施し、
前記入力電力および前記出力電力の少なくとも一方の電圧変化を、前記第1動作および前記第2動作の少なくとも一方に反映し、
前記スイッチング動作の1周期区間中のオン時間とオフ時間の比を表す第1制御量を連続的に又は逐次決定し、
前記スイッチング動作の1周期区間の長さを表す第2制御量を連続的に又は逐次決定し、
前記第1制御量に応じたオン時間中における少なくとも一部のタイミングで、前記スイッチング動作をオフにするための第3制御量を連続的に又は逐次決定し、
前記入力電力および前記出力電力の少なくとも一方の電圧検出値の変化に対して、前記第1制御量、前記第2制御量、および前記第3制御量を同時に前記スイッチング動作に反映する、
ことを特徴とする電力制御方法。 A power control method for performing a switching operation based on input power with an uncertain voltage supplied from a power supply source, and generating output power in which a change in voltage is suppressed at least as compared to the input power,
Simultaneously performing a first operation of adjusting the ratio of the ON time and the OFF time in the switching operation and a second operation of adjusting the frequency of the switching operation,
reflecting a voltage change in at least one of the input power and the output power in at least one of the first operation and the second operation;
Continuously or sequentially determining a first control amount representing the ratio of the ON time to the OFF time in one cycle section of the switching operation;
Continuously or sequentially determining a second control amount representing the length of one cycle section of the switching operation;
Continuously or sequentially determining a third control amount for turning off the switching operation at least part of the timing during the ON time according to the first control amount;
Simultaneously reflecting the first controlled variable, the second controlled variable, and the third controlled variable in the switching operation with respect to a change in the voltage detection value of at least one of the input power and the output power;
A power control method characterized by:
ことを特徴とする請求項4に記載の電力制御方法。 A result of converting the voltage detection value of at least one of the input power and the output power according to a predetermined non-linear characteristic is reflected in at least one of a ratio of ON time to OFF time in the switching operation and a frequency of the switching operation. ,
5. The power control method according to claim 4 , characterized in that:
ことを特徴とする請求項4または請求項5に記載の電力制御方法。 comparing the voltage detection value of the output power with a predetermined upper limit value and a lower limit value, respectively, and reflecting the result of the comparison in the switching operation;
6. The power control method according to claim 4 or 5 , characterized in that:
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