JPWO2016047207A1 - 電源制御装置の力率補償回路、その制御方法、およびled照明装置 - Google Patents
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Abstract
Description
交流電源の出力を全波整流する全波整流器により整流した電圧を、この全波整流器の出力端に並列に接続された、高周波成分を除去する入力側コンデンサ、およびインダクタンス素子の一端に入力し、
前記インダクタンス素子の他端に、この他端と接地電位間に設けられた、出力をスイッチングするスイッチング素子と、ダイオードおよび高周波成分を除去する出力側コンデンサを直列に接続した回路とを並列に接続することにより、
前記出力側コンデンサの高電位端の出力を直流電圧として出力する電源制御装置の力率補償回路において、
前記全波整流器によって全波整流した電圧の下限電圧を検出するボトム検出器と、
前記ボトム検出器で検出した下限電圧に対応して前記直流電圧から検知した電圧を目標電圧に制御する出力電圧制御器と、
前記インダクタンス素子の電流を基に前記スイッチング素子を制御するPWM信号を生成するPWM生成器と、を有し、
前記インダクタンス素子に流れるインダクタ電流がゼロになるタイミングを基準にして、前記出力電圧制御器で演算した演算結果から決定される前記スイッチング素子のオン時間を決めるオン時間信号、および前記オン時間を補正する補正期間を定める補正期間信号を、前記PWM生成器に入力し、生成したPWM信号により前記スイッチング素子を制御するデジタル制御回路を備えたものである。
交流電源の出力を全波整流する全波整流器により整流した電圧を、この全波整流器の出力端に並列に接続された、高周波成分を除去する入力側コンデンサ、およびコイル素子である一次側インダクタと二次側インダクタから構成されるインダクタンス素子の一次側インダクタの一端に入力し、
前記インダクタンス素子の一次側インダクタの他端に、この他端と接地電位間に設けられた、出力をスイッチングするスイッチング素子と、ダイオードおよび高周波成分を除去する出力側コンデンサを直列に接続した回路とを並列に接続することにより、
前記出力側コンデンサの高電位端の出力を直流電圧として出力する電源制御装置の力率補償回路の制御方法において、
前記全波整流器によって全波整流した電圧の下限電圧を検出するボトム検出器と、
前記直流電圧から検知した電圧と予め定めた目標電圧とから、これら両電圧の差を求める減算器、および前記ボトム検出器で検出した下限電圧に対応して前記減算器の出力信号の制御を行う制御器を有する出力電圧制御器と、
前記インダクタンス素子の一次側インダクタの電流を基に前記スイッチング素子を制御するPWM信号を生成するPWM生成器と、を有し、
前記インダクタンス素子の一次側インダクタに流れるインダクタ電流がゼロになる電圧値を前記インダクタンス素子の二次側インダクタで検出し、この検出した信号を基準にして、前記出力電圧制御器で演算した演算結果から決定される前記スイッチング素子のオン時間を決めるオン時間信号、および前記オン時間を補正する補正期間を定める補正期間信号と、前記全波整流器によって全波整流した電圧を基に定めた信号と、を前記PWM生成器に入力し、生成したPWM信号により前記スイッチング素子を制御するデジタル制御回路を備えた電源制御装置の力率補償回路を用い、
前記スイッチング素子のオン時間を補正する補正期間を、前記出力電圧制御器で演算した演算結果の下位16ビットの情報で決定するとともに、前記補正期間を決定する際、前記下位16ビットの情報を10進数に変換した値を中央値に均等配分して決定するものである。
図1は本発明の実施の形態1における電源制御装置の力率補償回路を説明するための回路ブロック図である。図1において、商用の交流電源20の出力電圧が全波整流器2で整流され、この出力電圧が入力電圧として本発明の実施の形態1の力率補償回路に供給される。この力率補償回路は、破線で囲んだPFC回路1及び一点鎖線で囲んだマイコン等のデジタル制御IC8をその構成要素として含んでいる。PFC回路1は、入力電圧を分圧する抵抗R1とR2、入力側コンデンサ3、インダクタンス素子4、スイッチング素子5、ダイオード6、出力側コンデンサ7をその構成要素として含んでいる。また、デジタル制御IC8は、出力電圧を分圧する抵抗R4とR5、これらの抵抗により分圧した電圧と目標電圧との誤差を求める減算器9とデジタルPI演算を行ってPI制御するPI制御器10と入力電圧のボトムを検出するボトム検出器11とカウンタ生成器12とPWM生成器13とを含むものである。また、上記のデジタル制御IC8は、全部がICを用いない一般のデジタル制御回路(同機能をもつソフトウェアによる回路も含まれる)でもよく、またその構成要素の一部がデジタル制御IC8であってもよい。本願では、以降、これらを総称してデジタル制御回路8と呼ぶこととする。
ここでPWM波形生成方法について、以下記す。
次のelse if文では、下位16ビットを10進数に変換した値が65535以上の場合の処理であり、この場合、ほぼ全期間にて補正を適用する必要があるため、s=0に設定するとともに、t=65534に設定している。
なお、上記では、制御量の演算にPI制御を用いたが、PI制御、PID制御などの古典制御、あるいは現代制御であるH∞制御等、誤差算出結果を目標値に近づけるための制御方法であれば、何を用いてもよい。
図5は本発明の実施の形態2における電源制御装置の力率補償回路の構成を示すブロック図であり、図1と同一もしくは対応する構成部分には、同一の符号を付す。
この実施の形態2の特徴は、デジタル制御回路8内部にて、全波整流された交流入力電圧の分圧された電圧をPWM生成器13に直接入力している点であり、制御方法が実施の形態1とは異なっている。
図6に実施の形態2の制御方法を表す図を示す。図6(a)は、横軸に時間を、縦軸に電圧を示している。図中の曲線は全波整流された交流入力電圧波形を示している。図6(b)は、PI演算処理結果のビット幅を示しており、ここでも例として32ビットマイコンの場合においてPI演算処理結果の上位16ビットを上記インダクタ電流波形の三角波の立ち上がり期間であるオン時間Aに、下位ビットを補正範囲に使用することを示したものである。ここでは説明の簡略化のため、補正範囲を決定する下位ビットは、下位ビットのうち、MBS側から4ビットとしている。以下、この下位ビットのMSB側から4ビット分を下位4ビットと表現する。
図8は、本発明の実施の形態3における電源制御装置の力率補償回路の構成を示すブロック図であり、図1と同一もしくは対応する構成部分には、同一の符号を付す。
この実施の形態3は、実施の形態1に対し、ボトム検出器11からカウンタ生成器12への同期信号が除去され、デジタル制御回路8内部にて、ボトム検出器とは非同期のカウンタを保持している点が異なる。具体的に、実施の形態1ではボトム検出により商用周期の半周期間でPWM波形の補正を行うが、本実施の形態3は、商用周期の半周期よりも短い期間、即ち、より高周波にPWM波形の補正を行う方式である。
図9に実施の形態3の制御方法を表す図を示す。図9(a)は、横軸に時間を取り、デジタル制御回路で決定されるオン時間AとA+1を用いて制御を実行した場合の、インダクタ電流波形を三角波で表現している。図9(b)は、本実施の形態3の特徴となる図であり、商用周期の半周期を6分割した一定周期tmaxで、PWM波形の補正を行う場合を例として、カウントステップ「count」のカウント数と、PI制御演算結果の下位ビットpi_lowの比較におけるオン時間A+1の期間tcの設定方法を表現している。
以下に本実施の形態3の方法を説明する。
図9(a)のオン時間AとA+1の適用期間の切替は、例えば、ここでもPWM分解能16ビットである32ビットマイコンの場合を考えると、図9(c)に示すPI演算処理結果の下位16ビットの値から、出力すべきAとA+1の期間の比率を求める。そして出力すべきオン時間AとA+1の期間の比率から、商用周期の半周期よりも短い一定周期tmaxにおけるオン時間A+1の期間tcを決定し、決定した期間tcと一定周期tmaxでA+1とAの切替を行う。この制御は、図9(b)に図示するように、例えばマイコン内蔵のカウンタ機能を用いて実現することが可能である。
上述した制御は、一定周期tmaxとカウントステップ「count」を、以下の通り決定することで実現できる。なお、ここでは簡略化のため、PI制御演算結果下位ビットのMSB側から4ビット分を補正演算に用いることとして、説明する。
図9に示すようにカウンタの一定周期tmaxの整数倍k(図9の例ではk=6)が、入力電圧の半周期(例えば、50Hzの商用電源の場合10ms)と一致するようなtmaxとする。これにより、図9(a)の記号Cで示したように、整流後の脈流入力電圧の下限時に、図9(b)のカウンタがリセットされる構成とすることができ、脈流入力電圧の下限値、即ちPI演算処理の実行タイミングと、カウンタリセットタイミングのずれによる不安定な出力電圧変動を抑制することが可能である。
図10に、図9の一部である点線で囲んだ矩形部Bを拡大した概要図を示す。図10(b)に示す、オン時間AとA+1を切り替えるタイミングを決定するためのカウントステップ「count」は、図10(c)に示す、PI演算処理結果の下位ビットから補正演算に使用するビット数nと、上記にて決定した一定周期tmaxから、式(1)により決定する。例えば、PI演算処理結果の下位ビットから、補正演算に使用するビット数nをMSB側から4ビット分(n=4)とするときは、カウントステップ「count」はtmax/2^4で求めた値を適用することで、PI演算処理結果の下位ビットの、MSB側から4ビット分の値であるpi_lowを、そのまま、すなわち変換することなく、オン時間AとA+1の切替タイミング決定のカウント値として使用することができる。
count=tmax/2^n (1)
ここでnは補正演算に用いるビット数である。
上述の通りに、一定周期tmaxとカウントステップ「count」を決定し、PI演算処理結果の下位ビットから補正演算に使用するビット数nをn=4とするときは、カウントステップ「count」のカウント数が、15(=2^4−1)となった次のタイミング(タイミングQ)で、カウント数をゼロクリアする構成とすることで、一定周期tmaxのカウンタが生成できる。このカウンタを用いて、カウント数がゼロクリアされたとき(タイミングQ)に、オン時間をAからA+1に切り替え、カウント数がpi_lowと等しくなったとき(タイミングP)に、オン時間をA+1からAへと切り替える。つまり、n=4としたときのpi_lowが最大値、即ち「‘1111’=15」のとき、A+1の期間が最大(tc=15/16×tmax)となり、pi_lowが最小値、即ち「‘0000’=0」のとき、A+1の期間が最小(tc=0)となる。
以上説明したように、本実施の形態3を用いることで、オン時間AとA+1を、より短時間で切り替えることができるため、オン時間の切替周期による高調波を高周波側へ移動することができる。
図6に実施の形態2の制御方法を表す図を示す。図6(a)は、横軸に時間を、縦軸に電圧を示している。図中の曲線は全波整流された交流入力電圧波形を示している。図6(b)は、PI演算処理結果のビット幅を示しており、ここでも例として32ビットマイコンの場合においてPI演算処理結果の上位16ビットを上記インダクタ電流波形の三角波の立ち上がり期間であるオン時間Aに、下位ビットを補正範囲に使用することを示したものである。ここでは説明の簡略化のため、補正範囲を決定する下位ビットは、下位ビットのうち、MSB側から4ビットとしている。以下、この下位ビットのMSB側から4ビット分を下位4ビットと表現する。
Claims (15)
- 交流電源の出力を全波整流する全波整流器により整流した電圧を、この全波整流器の出力端に並列に接続された、高周波成分を除去する入力側コンデンサ、およびインダクタンス素子の一端に入力し、
前記インダクタンス素子の他端に、この他端と接地電位間に設けられた、出力をスイッチングするスイッチング素子と、ダイオードおよび高周波成分を除去する出力側コンデンサを直列に接続した回路とを並列に接続することにより、
前記出力側コンデンサの高電位端の出力を直流電圧として出力する電源制御装置の力率補償回路において、
前記全波整流器によって全波整流した電圧の下限電圧を検出するボトム検出器と、
前記ボトム検出器で検出した下限電圧に対応して前記直流電圧から検知した電圧を目標電圧に制御する出力電圧制御器と、
前記インダクタンス素子の電流を基に前記スイッチング素子を制御するPWM信号を生成するPWM生成器と、を有し、
前記インダクタンス素子に流れるインダクタ電流がゼロになるタイミングを基準にして、前記出力電圧制御器で演算した演算結果から決定される前記スイッチング素子のオン時間を決めるオン時間信号、および前記オン時間を補正する補正期間を定める補正期間信号を、前記PWM生成器に入力し、生成したPWM信号により前記スイッチング素子を制御するデジタル制御回路を備えたことを特徴とする電源制御装置の力率補償回路。 - 前記インダクタンス素子を一次側インダクタと二次側インダクタで構成し、
一次側インダクタの一端に交流電源の出力を全波整流する全波整流器により整流した電圧を、前記インダクタンス素子の一次側インダクタの他端に前記ダイオードの一端を接続し、
前記インダクタンス素子の一次側インダクタに流れるインダクタ電流がゼロになる電圧値を前記インダクタンス素子の二次側インダクタで検出することを特徴とする請求項1に記載の電源制御装置の力率補償回路。 - 前記出力電圧制御器は、
前記直流電圧から検知した電圧と予め定めた目標電圧とから、これら両電圧の差を求める減算器と、
前記減算器の出力信号のPI制御もしくはPID制御を含む古典制御、またはH∞制御を含む現代制御を実行する制御器と、
で構成されることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の電源制御装置の力率補償回路。 - 前記出力電圧制御器で演算した演算結果から決定される前記スイッチング素子のオン時間を決めるオン時間信号および前記オン時間を補正する補正期間を定める補正期間信号とともに、前記全波整流器によって全波整流した電圧を基に定めた信号を前記PWM生成器に入力し、生成したPWM信号により前記スイッチング素子を制御することを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の電源制御装置の力率補償回路。
- 前記出力電圧制御器で演算した演算結果から決定される前記スイッチング素子のオン時間を決めるオン時間信号および前記オン時間を補正する補正期間を定める補正期間信号と、一定のカウントステップでカウントアップ処理を行い、一定期間後にカウントをゼロクリアするようにカウンタ生成器で生成される連続的なカウント信号を前記PWM生成器に入力し、生成したPWM信号により前記スイッチング素子を制御することを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の電源制御装置の力率補償回路。
- 前記全波整流器によって全波整流した電圧を基に定めた信号は、前記全波整流した電圧の下限電圧を検出したタイミングでカウントを開始し次の前記下限電圧を検出するまでカウントアップ処理を行うカウンタ生成器で生成されるカウント信号、あるいは前記全波整流した電圧を分圧した電圧信号であることを特徴とする請求項4に記載の電源制御装置の力率補償回路。
- 前記スイッチング素子のオン時間は、前記出力電圧制御器で演算した演算結果の上位ビットの情報で決定し、前記スイッチング素子の補正期間は、前記出力電圧制御器で演算した演算結果の下位ビットの情報で決定するとともに、前記スイッチング素子の補正期間内では前記スイッチング素子のオン時間を、予め定めた補正量に変更して前記スイッチング素子を制御することを特徴とする請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の電源制御装置の力率補償回路。
- 前記連続的なカウント信号の一定期間を、入力電圧の商用周期の半周期で割り切れる時間とすることを特徴とする請求項5に記載の電源制御装置の力率補償回路。
- 前記カウントアップ処理の周期を、前記連続的なカウント信号の一定期間と、前記スイッチング素子の補正期間を決定するために使用する演算結果の下位ビットの情報から決定することを特徴とする請求項5に記載の電源制御装置の力率補償回路。
- 前記出力電圧制御器で演算した演算結果の下位ビットのビット毎に、予め定めた全波整流された交流電源の電圧出力の補正範囲にて、前記補正量の適用有無を決定して前記スイッチング素子のオン時間を制御することを特徴とする請求項7に記載の電源制御装置の力率補償回路。
- 前記出力電圧制御器で演算した演算結果の下位ビットのビット毎に、予め定めた全波整流された交流電源の電圧出力の補正期間にて、前記補正量の適用有無を決定して前記スイッチング素子のオン時間を制御することを特徴とする請求項7に記載の電源制御装置の力率補償回路。
- 前記スイッチング素子のオン時間を補正する補正期間は、前記出力電圧制御器で演算した演算結果の下位ビットの一部の情報で決定することを特徴とする請求項1から請求項4、または請求項6、請求項7のいずれか1項に記載の電源制御装置の力率補償回路。
- 請求項1、4、5、7、10から12において、出力電圧制御器は、前記直流電圧から検知した電圧と予め定めた目標電圧とから、これら両電圧の差を求める減算器と、この減算器の出力信号をPI制御するPI制御器と、で構成されることを特徴とする電源制御装置の力率補償回路。
- 交流電源の出力を全波整流する全波整流器により整流した電圧を、この全波整流器の出力端に並列に接続された、高周波成分を除去する入力側コンデンサ、およびコイル素子である一次側インダクタと二次側インダクタから構成されるインダクタンス素子の一次側インダクタの一端に入力し、
前記インダクタンス素子の一次側インダクタの他端に、この他端と接地電位間に設けられた、出力をスイッチングするスイッチング素子と、ダイオードおよび高周波成分を除去する出力側コンデンサを直列に接続した回路とを並列に接続することにより、
前記出力側コンデンサの高電位端の出力を直流電圧として出力する電源制御装置の力率補償回路の制御方法において、
前記全波整流器によって全波整流した電圧の下限電圧を検出するボトム検出器と、
前記直流電圧から検知した電圧と予め定めた目標電圧とから、これら両電圧の差を求める減算器、および前記ボトム検出器で検出した下限電圧に対応して前記減算器の出力信号の制御を行う制御器を有する出力電圧制御器と、
前記インダクタンス素子の一次側インダクタの電流を基に前記スイッチング素子を制御するPWM信号を生成するPWM生成器と、を有し、
前記インダクタンス素子の一次側インダクタに流れるインダクタ電流がゼロになる電圧値を前記インダクタンス素子の二次側インダクタで検出し、この検出した信号を基準にして、前記出力電圧制御器で演算した演算結果から決定される前記スイッチング素子のオン時間を決めるオン時間信号、および前記オン時間を補正する補正期間を定める補正期間信号と、前記全波整流器によって全波整流した電圧を基に定めた信号と、を前記PWM生成器に入力し、生成したPWM信号により前記スイッチング素子を制御するデジタル制御回路を備えた電源制御装置の力率補償回路を用い、
前記スイッチング素子のオン時間を補正する補正期間を、前記出力電圧制御器で演算した演算結果の下位16ビットの情報で決定するとともに、前記補正期間を決定する際、前記下位16ビットの情報を10進数に変換した値を中央値に均等配分して決定することを特徴とする電源制御装置の力率補償回路の制御方法。 - 複数のLEDを接続したLEDモジュールと、前記LEDモジュールに一定電流を供給する電源装置とを有するLED照明装置であって、
前記電源装置は、請求項1から請求項13のいずれか1項に記載の電源制御装置の力率補償回路を有することを特徴とするLED照明装置。
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