JP2006288070A

JP2006288070A - Ｄｃ−ｄｃコンバータ

Info

Publication number: JP2006288070A
Application number: JP2005104132A
Authority: JP
Inventors: Isao Oshiro; 勲大城; Tomomi Nakamura; 友美中村
Original assignee: Shindengen Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Shindengen Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2005-03-31
Filing date: 2005-03-31
Publication date: 2006-10-19

Abstract

【課題】本発明は、ＤＣ−ＤＣコンバータにおいて温度、出力電流及び出力電圧の条件により、定電圧制御と電流制御を切替えることで、動作条件に応じた最適な垂下動作を提供するＤＣ−ＤＣコンバータである。
【解決手段】出力電圧を検出する出力電圧検出部からの出力電圧より求めたパルス幅制御量と出力電流を検出する出力電流検出部からの出力電流よりパルス幅の制御量を求め、制御方式選択部にて出力電圧検出部、出力電流検出部及び温度を検出する温度検出部からの出力電圧、出力電流、温度より、設定電流値（垂下動作開始電流）を求め、更新を行うと同時に定電圧制御と電流制御（垂下動作状態）の制御モードを判別し、判別した制御モードに応じて、定電圧制御の場合は電圧偏差より求めたパルス幅制御量、電流制御の場合は電流偏差より求めたパルス幅制御量を用いてパルス幅作成部にてパルス幅の更新を行い、スイッチング部にパルスを出力する。
【選択図】図１

Description

本発明は、コンバータの動作状態に応じた最適な過電流保護、過熱保護を可能にすると同時に制御部の回路を簡素化・小型化を可能としたＤＣ−ＤＣコンバータに関するものである。

従来、多くのＤＣ−ＤＣコンバータや安定化電源では、過大電流や過熱から回路を保護するために保護回路を設け、そこで定電圧制御と定電流制御を切り替えることで垂下動作を行いう事で回路保護を行っている。

しかし、電気自動車用のＤＣ−ＤＣコンバータ等においては、いかなる動作状況においてもコンバータの出力可能な限り最大の電力を取り出せる機能が求められている。

従来のコンバータや電源の構成では定電圧制御・定電流制御を行う回路をそれぞれ有することで垂下特性を実現しており、その特性や切替え条件は回路定数により決まるため、一般的にコンバータの周辺が高温の条件下で破損しない条件で回路特性を設定している。そのため、コンバータの周辺が低温の条件下では、コンバータの出力に余裕がある場合でも垂下動作を行い、最大の電力を取り出すことはできなかった。また、前記を考慮し動作条件によって垂下特性の切り替えを実現するためには、使用する垂下特性毎の検出回路および回路を切り替えるための回路が必要となり、装置が煩雑・大型な物となっていた。

従来のデジタル制御のコンバータについては、特開平１１−１３６９３８号に開示されているが、図３に示されるように検出された電圧、電流及び温度の値より、制御テーブルからスイッチングのオン時間を読み込んで制御を行うものがあるが、出力電圧の安定化を目的としたものであって、垂下動作を制御する機能は無く、動作状況に応じた最適な垂下動作を提供するものではなかった。
特開平１１−１３６９３８号

従来の電源やコンバータでは垂下特性の特性や切替え条件は回路定数により決まるため、高温の条件下で破損しない条件で回路特性を設定しているため、低温の条件ではより大きな電力を取り出せるにも拘らず垂下動作を行い、出力可能な最大の電力を取り出すことが困難なものとなっている。本発明ではＤＣ−ＤＣコンバータの動作状況に応じて定電圧制御と電流制御を切替えることで動作状況に応じた最適な垂下特性を実現するものである。
また、ＣＰＵ内で定電圧制御と電流制御を切替えることで、従来技術では必要であった垂下特性毎の回路を削減し、装置の簡素化・小型化を図ることを可能にするものである。

本発明は、まず、出力電圧を検出する出力電圧検出部からの出力電圧信号とＣＰＵ内部に設定された設定電圧より電圧偏差算出部にて、今回電圧偏差、前回電圧偏差、電圧変化量を求め、パルス幅制御量算出部にてパルス幅の制御量を求める。次に出力電流を検出する出力電流検出部からの出力電流信号とＣＰＵ内部に設定された設定電流より電流偏差算出部にて、今回電流偏差、前回電流偏差、電流変化量を求め、パルス幅制御量算出部にてパルス幅の制御量を求める。また、制御方式選択部にて出力電圧検出部、出力電流検出部及び温度を検出する温度検出部からの出力電圧、出力電流、温度より、設定電流値（垂下動作開始電流）を求め、更新を行うと同時に定電圧制御と電流制御（垂下動作状態）の制御モードを判別する。判別した制御モードに応じて、定電圧制御の場合は電圧偏差より求めたパルス幅制御量、電流制御の場合は電流偏差より求めたパルス幅制御量を用いてパルス幅作成部にてパルス幅の更新を行い、スイッチング部にパルスを出力することで、安定した定電圧制御と電流制御（垂下動作）を行うものである。また、前項の制御方式選択部にてそれぞれのコンバータに適応したモード判別式、設定電流値算出式を設定することで、定電圧制御と電流制御を切替える事により、コンバータの動作状態に応じた最適な垂下動作を実現する。

ＤＣ−ＤＣコンバータの温度に応じて制御切替電流を求め、制御を切り替え、設定電流を温度及び出力電圧で更新することで、コンバータの動作状況毎に求められる最適な垂下動作を実現できる。

発明の実施するための最良の形態

図１は本発明のＤＣ−ＤＣコンバータの一実施形態における構成のブロック図を示す。００１は本発明のＤＣ−ＤＣコンバータに接続される外部電源、０１０は外部負荷である。００２は入力電圧平滑部、００３はメインスイッチ、００４はトランス、００５は出力整流平滑部、００６は電流検出部、００７は電圧検出部、００８は温度検出部、００９はデジタル制御部であるＣＰＵを示す。また、００９ＣＰＵ内部の構成では、１０１は出力電流値、１０２は設定電流値、１０３は出力電圧値、１０４は設定電圧値、１０５は温度値、１０６は電流偏差量算出部、１０７は電圧偏差量算出部、１０８は制御方式選択部、１０９は第１パルス制御量算出部、１１０は第２パルス制御量算出部、１１１は出力パルス作成部、１１２はパルス出力部を示す。

外部電源００１から供給された電圧は、入力電圧平滑部００２で平滑化され、メインスイッチ００３がＣＰＵ００９からのパルス信号によりオン／オフ切替えられる事で、トランス００４の1次側巻線に印加させ電流を流し、２次側巻線に発生した誘導起電流を出力整流平滑部００５で整流、平滑化し、負荷に電圧を出力する。

上記メインスイッチ００３は電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）等を用いて構成されており、ＣＰＵ００９の出力パルス信号によって駆動されており、パルス信号のオン時間が長いほどより大きい出力が得られる構成となっている。

この実施形態において、電流検出部００６で検出した信号はＡＤ変換されて、出力電流１０１としてＣＰＵ００９に取り込まれ、一定時間間隔で電流偏差量算出部１０６にてＣＰＵ００９に保持されている設定電流１０２との偏差量Ｉ１を算出すると同時に、一定時間前の偏差量として前回電流偏差量Ｉ２を演算にて求め、また時間変化量ΔＩをΔＩ＝Ｉ１−Ｉ２にて求める。

そして、求めた電流偏差量Ｉ１、前回電流偏差量Ｉ２、時間変化量ΔＩを用い第１パルス制御量算出部１０９にて下記ＰＩＤ制御式を用いパルスの制御量ΔＤｕｔｙ１を求める。
ΔＤｕｔｙ１＝Ｋｐ１×Ｉ１＋Ｋｄ１×ΔＩ＋Ｋｉ１×（Ｉ１＋Ｉ２）
Ｋｐ１：比例制御の比例定数Ｋｄ１：微分制御の比例定数Ｋｉ１：積分制御の比例定数

また、電圧検出部００７で検出した信号はＡＤ変換されて、出力電圧１０３としてＣＰＵ００９に取り込まれ、一定時間間隔で電圧偏差量算出部１０７にてＣＰＵ００９に保持されている設定電圧１０３との偏差量Ｖ１を算出すると同時に、一定時間前の偏差量として前回電圧偏差量Ｖ２を演算にて求め、また時間変化量ΔＶをΔＶ＝Ｖ１−Ｖ２にて求める。

そして、求めた電圧偏差量Ｖ１、前回電圧偏差量Ｖ２、時間変化量ΔＶを用い第２パルス制御量算出部１０９にて下記ＰＩＤ制御式を用いパルスの制御量ΔＤｕｔｙ２を求める。
ΔＤｕｔｙ２＝Ｋｐ２×Ｖ１＋Ｋｄ２×ΔＶ＋Ｋｉ２×（Ｖ１＋Ｖ２）
Ｋｐ２：比例制御の比例定数Ｋｄ２：微分制御の比例定数Ｋｉ２：積分制御の比例定数

今回の実施例では、制御量を求める手法として、前項００１３、００１５に示したＰＩＤ制御を用いて行っているが、他の制御式やファジイ制御等の他の制御方式を用いても実現可能である。

次に温度センサにより温度を検出する温度検出部００８より温度信号１０５より制御切替電流Iｓを求める。
Ｉｓ＝Ｉset―αＴ
Ｉset：０℃時設定電流 α：電流補正係数Ｔ：温度
この制御切替電流Ｉｓと出力電流Ｉoutを比較し、Ｉｓ≧Ｉoutならば電圧制御を、Iｓ＜Ｉoutならば電流制御を選択し、設定電流１０２にＩｓを入れる。また、図４，５に示した様なフの字垂下動作やヘの字垂下動作を行う場合には、Ｉｓ＝Ｉset―αＴ＋β（Ｖout−Ｖset）とし、βの値を調整することで電流制御時の傾きを設定できる。

前項００１３、００１５で求めたパルスの制御量ΔＤｕｔｙ１、ΔＤｕｔｙ２及び、００１７で選択した制御方式にて、電流制御の場合はＤｕｔｙ＝前回Ｄｕｔｙ＋ΔＤｕｔｙ１、電流制御の場合はＤｕｔｙ＝前回Ｄｕｔｙ＋ΔＤｕｔｙ２とし、このＤｕｔｙに応じたパルスをパルス出力部１１２よりスイッチング部００３に出力することで、コンバータの動作状態に応じた最適な垂下動作を実現する。

本発明はＤＣ−ＤＣコンバータの動作状況に応じて定電圧制御と電流制御を切り替える事を特徴としており、同様の制御は安定化電源やインバータにも用いることができる。

本発明の実施形態のブロック図従来例のＤＣ−ＤＣコンバータのブロック図垂下特性図Ａ垂下特性図Ｂ垂下特性図Ｃ

符号の説明

００１電源
００２入力電圧平滑部
００３メインスイッチ
００４トランス
００５出力整流平滑部
００６電流検出部
００７電圧検出部
００８温度検出部
００９ＣＰＵ
０１０外部負荷
１０１出力電流値
１０２設定電流値
１０３出力電圧値
１０４設定電圧値
１０５温度値
１０６電流偏差量算出部
１０７電圧偏差量算出部
１０８制御方式選択部
１０９第１パルス制御量算出部
１１０第２パルス制御量算出部
１１１出力パルス作成部
１１２パルス出力部

Claims

入力電源電圧００１を平滑化するための入力フィルタ部００２、スイッチング部００３、スイッチング部を駆動する出力パルスを送るデジタル制御部、スイッチング部００３のオンオフによりトランスの１次側巻線に印加された電圧を２次側に誘起し負荷に電力を供給する出力トランス部００４、前記出力トランス部００４より出力された電源電圧を平滑する出力電圧平滑部００５を有するＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、
前記デジタル制御部は、定電圧制御と定電流制御の制御方式を選択する制御方式選択部を持ち、かつ出力電圧を検出するための電圧検出部００８、出力電流を検出する電流検出部００６、温度を検出するための温度検出部００７が接続され、
前記制御方式選択部は、前記電圧検出部００８、前記電流検出部００６、温度検出部００７より検出した出力電圧、出力電流、温度条件信号をもとにＤＣ−ＤＣコンバータの動作状態に応じて出力電圧制御・出力電流制御を切替え、出力パルス作成部にて出力パルスを作成して、パルス出力部にてスイッチング部を駆動する出力パルスを出力し、安定した定電圧制御と電流制御（垂下動作）をおこなうことを特徴としたＤＣ−ＤＣコンバータ。
電圧検出部００７により検出された出力電圧１０３と設定電圧１０４より電圧偏差量算出部１０７にて電圧の偏差量及び電圧の時間変化量を求め、これら電圧の偏差量・時間変化量よりパルス制御量算出部にて制御量を算出する機能を有することを特徴とする請求項１のＤＣ−ＤＣコンバータ。
電流検出部００６により検出された出力電流１０１と設定電流１０２より電流偏差量算出部１０６にて電流の偏差量及び電流の時間変化量を求め、これら電流の偏差量・時間変化量よりパルス制御量算出部にて制御量を算出する機能を有することを特徴とする請求項目１又は請求項２のＤＣ−ＤＣコンバータ。
電圧偏差量算出部１０７、電流偏差量算出部１０６の両方より算出したそれぞれのパルス制御量を制御方式選択部で選択した出力電圧制御・出力電流制御に応じて選択し、出力パルスを作成することを特徴とした請求項目１〜請求項３のＤＣ−ＤＣコンバータ。