JP2008172979A

JP2008172979A - スイッチング電源装置

Info

Publication number: JP2008172979A
Application number: JP2007006130A
Authority: JP
Inventors: Tomokiyo Suzuki; 智清鈴木
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-01-15
Filing date: 2007-01-15
Publication date: 2008-07-24

Abstract

【課題】本発明は、トランスの構造を単純化し、回路構成部品の増加を抑えた、スイッチング電源装置の提供を目的とする。
【解決手段】３つの二次巻線１２ａ，１２ｂ，１２ｃを有するトランス１０を備えるスイッチング電源装置であって、二次巻線１２ａ，１２ｂ，１２ｃのそれぞれによって生成された出力電圧Ｖｏ１，Ｖｏ２，Ｖｏ３の平均値を算出する平均電圧算出部２０と、平均電圧算出部２０によって算出された平均値と目標設定電圧との誤差を零にするようにトランス１０の一次巻線１１の通電をＰＷＭ制御又はＰＦＭ制御する電圧フィードバック制御部３０と、を備えていることを特徴とする、スイッチング電源装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、トランス構造を有する、スイッチング電源装置に関する。

従来、電圧制御回路を有する１次直流電源側の１次巻線と電圧信号発生回路を有する２次直流電源側の２次巻線とをトランス結合し、２次直流電源側からの電圧信号を電圧制御回路にフィードバックして１次直流電源側のスイッチング素子をＯＮ−ＯＦＦ制御して２次直流電源の電圧安定化を図る、スイッチング電源装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。このスイッチング電源装置は、１次直流電源側のスイッチング素子に接続される１次巻線とは別にもう一つの１次巻線を有し、その１次巻線によって前記電圧制御回路の制御電源を生成するものである。

また、出力電圧の安定化を図る電圧フィードバックや異常検知などを行うため、電圧制御回路の制御電源の生成用に１次巻線を設ける上述の従来技術と同様に、１次巻線側の入力電圧や２次巻線側の出力電圧の監視用の巻線をトランスに設けた、スイッチング電源装置も知られている。例えば、図２に示されるスイッチング電源装置は、トランスの１次側に電圧監視専用コイルを備え、トランスの出力電圧Ｖｏ１，Ｖｏ２，Ｖｏ３の精度を確保するため、その電圧監視専用コイルによって検出された電圧に基づいて、電圧フィードバック制御を行うものである。
特開平５−２３６７４３号公報

しかしながら、上述の従来技術では、トランスに設けられた巻線などの電圧検出専用の構成を必要とするので、トランス構造が複雑化し、回路構成部品の点数が増えてしまう。

そこで、本発明は、トランスの構造を単純化し、回路構成部品の増加を抑えることができる、スイッチング電源装置の提供を目的とする。

上記目的を達成するため、第１の発明は、
複数の二次巻線を有するトランスを備えるスイッチング電源装置であって、
前記複数の二次巻線のそれぞれによって生成された出力電圧の平均値を算出する平均値算出手段と、
前記平均値算出手段によって算出された平均値と所定の設定値との差が零となるように前記トランスの一次巻線の通電周波数のデューティ比を制御する制御手段と、を備えることを特徴としている。

また、上記目的を達成するため、第２の発明は、
複数の二次巻線を有するトランスを備えるスイッチング電源装置であって、
前記複数の二次巻線のそれぞれによって生成された出力電圧の平均値を算出する平均値算出手段と、
前記平均値算出手段によって算出された平均値と所定の設定値との差が零となるように前記トランスの一次巻線の通電周波数を制御する制御手段と、を備えることを特徴としている。

ここで、前記制御手段は、前記一次巻線に接続されるスイッチング素子を駆動させる制御信号を出力するとよい。

本発明によれば、トランスの構造を単純化し、回路構成部品の増加を抑えることができる。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための最良の形態の説明を行う。図１は、本発明に係るスイッチング電源装置の一実施形態を示した図である。本実施形態のスイッチング電源装置は、入力電圧Ｖｉの電力をトランス１０の変圧比に応じて電圧変換し、独立した３系統の電源電圧（出力電圧）Ｖｏ１，Ｖｏ２，Ｖｏ３を生成する電源装置である。各電源電圧Ｖｏ１，Ｖｏ２，Ｖｏ３の電力のそれぞれは、図示しない電気負荷に供給される。本実施形態のスイッチング電源装置は、入力電圧Ｖｉの電圧変動や電気負荷の消費電流（負荷電流）の変動が生じても、後述の電圧フィードバックを行うことによって、一定の電源電圧Ｖｏ１，Ｖｏ２，Ｖｏ３を各電気負荷に出力する。

本実施形態のスイッチング電源装置は、入力電圧（一次電圧）Ｖｉをトランス１０で電圧変換（昇圧又は降圧）し、３系統の出力電圧（二次電圧）Ｖｏ１，Ｖｏ２，Ｖｏ３を生成する。入力電圧Ｖｉと出力電圧Ｖｏ１の変圧比は、トランス１０の一次巻線１１と二次巻線１２ａの巻線比に等しく、入力電圧Ｖｉと出力電圧Ｖｏ２の変圧比は、トランス１０の一次巻線１１と二次巻線１２ｂの巻線比に等しく、入力電圧Ｖｉと出力電圧Ｖｏ３の変圧比は、トランス１０の一次巻線１１と二次巻線１２ｃの巻線比に等しい。すなわち、各出力電圧Ｖｏ１，Ｖｏ２，Ｖｏ３は、それぞれの巻線比に応じて定まる。したがって、各巻線比を同じに設定すれば、各出力電圧Ｖｏ１，Ｖｏ２，Ｖｏ３は同じ電圧値になるようにすることができ、各巻線比を互いに異なるように設定すれば、出力電圧Ｖｏ１，Ｖｏ２，Ｖｏ３が互いに異なる電圧値になるようにすることができる。出力電圧Ｖｏ１，Ｖｏ２，Ｖｏ３をそれぞれどのような電圧値にするのかは、電源電圧に要求される仕様に応じて決めればよい。

二次巻線１２ａにはダイオード１３ａと平滑コンデンサ１４ａを構成する整流平滑回路が接続され、二次巻線１２ｂにはダイオード１３ｂと平滑コンデンサ１４ｂを構成する整流平滑回路が接続され、二次巻線１２ｃにはダイオード１３ｃと平滑コンデンサ１４ｃを構成する整流平滑回路が接続される。それらの整流平滑回路によって整流平滑された各電圧が、出力電圧Ｖｏ１，Ｖｏ２，Ｖｏ３として、各電気負荷に印加される。

本実施形態のスイッチング電源装置が車両に搭載された場合には、例えば、入力電圧Ｖｉは車載バッテリ又は車載バッテリに接続される電源回路によって供給され、出力電圧Ｖｏ１，Ｖｏ２，Ｖｏ３は、車載の各電気負荷に印加される。また、本実施形態のスイッチング電源装置がいわゆるハイブリッド車両に搭載された場合、例えば、出力電圧Ｖｏ１は低圧系電圧から高圧系電圧に昇圧する昇圧回路の電源電圧として供給され、出力電圧Ｖｏ２は走行用モータの駆動回路の電源電圧として供給され、出力電圧Ｖｏ３は回生用ジェネレータの電子回路の電源電圧として供給される。二次巻線を分割することにより独立した３系統の出力電圧Ｖｏ１，Ｖｏ２，Ｖｏ３が生成されているので、各出力電圧のいずれかに接続される電気負荷に故障等の異常が発生したとしても、その異常が他系統の電気負荷に影響を与えないようにすることができる（例えば、出力電圧Ｖｏ１の系統の昇圧回路に異常が発生しても、車両の走行に与える影響を最小限に抑えることができる）。また、本実施形態のスイッチング電源装置がいわゆるハイブリッド車両に搭載された場合、例えば、出力電圧Ｖｏ１は走行用モータのＵ相駆動回路の電源電圧として供給され、出力電圧Ｖｏ２は走行用モータのＶ相駆動回路の電源電圧として供給され、出力電圧Ｖｏ３は走行用モータのＷ相駆動回路の電源電圧として供給される。二次巻線を分割することにより独立した３系統の出力電圧Ｖｏ１，Ｖｏ２，Ｖｏ３が生成されているので、各系統が互いに影響を及ぼさないようにすることができる（例えば、出力電圧Ｖｏ１がインダクタンス負荷の電圧サージにより変動しても、出力電圧Ｖｏ２，Ｖｏ３に与える影響を抑えることができる）。

出力電圧Ｖｏ１，Ｖｏ２，Ｖｏ３は、平均電圧算出部２０に入力される。平均電圧算出部２０は、Ａ／Ｄコンバータ等を備える電圧検出回路と、平均値の算出を行う算出回路を備える。平均電圧算出部２０は、電圧検出回路によって検出された出力電圧Ｖｏ１，Ｖｏ２，Ｖｏ３の平均値である平均電圧を演算する。

電圧フィードバック部３０は、平均電圧算出部２０によってフィードバックされた平均電圧と所定の目標設定電圧とを比較し、その差が零になるようにスイッチング素子４０のスイッチング周波数（すなわち、トランス１０の一次巻線１１の通電周波数）を一定のままそのスイッチング周波数のデューティ比を可変させる。電圧フィードバック部３０は、スイッチング素子４０をそのスイッチング周波数とデューティ比で駆動させる制御信号を出力する。すなわち、この場合の電圧フィードバック部３０は、スイッチング素子４０を駆動するスイッチングパルスの周波数を一定のままそのスイッチングパルスのパルス幅を可変するパルス幅変調（ＰＷＭ：Pulse Width Modulation）制御を実行する。

また、電圧フィードバック部３０は、平均電圧算出部２０によってフィードバックされた平均電圧と所定の目標設定電圧とを比較し、その差が零になるようにスイッチング素子４０のスイッチングのオン時間を一定のままスイッチング素子４０のスイッチング周波数（すなわち、トランス１０の一次巻線１１の通電周波数）を可変させるようにしてもよい。電圧フィードバック部３０は、スイッチング素子４０をそのスイッチング周波数とオン時間で駆動させる制御信号を出力する。すなわち、この場合の電圧フィードバック部３０は、スイッチング素子４０を駆動するスイッチングパルスのパルス幅を一定のままそのスイッチングパルスの周波数を可変するパルス周波数変調（ＰＦＭ：Pulse Frequency Modulation）制御を実行する。

図３は、一次巻線１１の通電電流Ｉ_ＯＵＴとＰＷＭ制御又はＰＦＭ制御との関係を示した図である。スイッチングパルスの周波数（周期Ｔ）を一定のままそのスイッチングパルスのパルス幅Ｔ_ONを可変するＰＷＭ制御の場合、図示されるように、パルス幅Ｔ_ONが長くなるにつれて一次巻線１１の通電電流Ｉ_ＯＵＴは増加する。また、スイッチングパルスのパルス幅Ｔ_ONを一定のままそのスイッチングパルスの周波数（周期Ｔ）を可変するＰＦＭ制御の場合、図示されるように、周期Ｔが短くなるにつれて一次巻線１１の通電電流Ｉ_ＯＵＴは増加する。一次巻線１１の通電電流Ｉ_ＯＵＴの増加に伴い、一次巻線１１のエネルギーは増加する。その結果、トランス１０の変圧比に従って出力電圧Ｖｏ１，Ｖｏ２，Ｖｏ３が調整され得る。

図４は、ＰＷＭ制御とＰＦＭ制御の性能の相違点を示した表である。ＰＷＭ制御は、ＰＦＭ制御に比べ、回路構成が複雑で、消費電流が多く、リップル電流が小さく、負荷の電圧や電流の変動に対する追従性が良い。

電圧フィードバック部３０から出力された制御信号は、図示しないゲート駆動部に入力される。ゲート駆動部は、電圧フィードバック部３０から出力された制御信号に係るスイッチング周波数及びデューティ比又はスイッチング周波数及びオン時間でスイッチング素子４０を駆動させる駆動電圧を生成するドライブ回路である。ゲート駆動部によってスイッチング素子４０はスイッチング動作を行うことによって、トランス１０の一次巻線１１の通電が制御され、入力電圧Ｖｉの変圧がなされる。

スイッチング素子４０は、ＩＧＢＴ，ＭＯＳＦＥＴ，バイポーラトランジスタ等の半導体から構成されるスイッチング素子である。スイッチング素子４０は、一端が１次巻線１１の下流側の端子に接続されかつ他端が接地されたものとなっている。

なお、平均電圧算出部２０と電圧フィードバック部３０は、平均電圧算出プログラムや電圧フィードバック制御プログラムを記憶するＲＯＭと、それらのプログラムを処理するＣＰＵと、プログラムの処理結果等を一時的に保持するＲＡＭとを有していてもよい。また、平均電圧算出部２０と電圧フィードバック部３０は、一体でも別体でもよい。

続いて、本実施形態のスイッチング電源装置の変圧動作について説明する。スイッチング電源装置の出力側に接続される電気負荷の作動が要求されると、トランス１０等を介して、各電気負荷に対して電力供給が行われる。これにより、出力側の電気負荷の作動が可能になる。

電気負荷の作動要求を受けた電圧フィードバック制御部３０は、トランス１０によって出力電圧Ｖｏ１，Ｖｏ２，Ｖｏ３の生成に必要な初期設定のスイッチング周波数及びデューティ比又はスイッチング周波数及びオン時間でスイッチング素子４０を駆動させる制御信号の出力を開始する。出力電圧Ｖｏ１，Ｖｏ２，Ｖｏ３のそれぞれは、トランス１０の変圧比に応じて、生成される。そして、電圧フィードバック制御部３０は、平均電圧算出部２０によって算出された出力電圧Ｖｏ１，Ｖｏ２，Ｖｏ３の平均電圧をフィードバックし、その平均電圧と所定の目標設定電圧を比較し、その差が零になるように、ＰＷＭ制御又はＰＦＭ制御を実行する。

所定の目標設定電圧は、一次巻線１１の通電周波数と入力電圧Ｖｉとトランス１０の変圧比とから算出され得る出力電圧Ｖｏ１，Ｖｏ２，Ｖｏ３の設計値を平均した値に相当する。すなわち、トランス１０によって実際に生成された出力電圧Ｖｏ１，Ｖｏ２，Ｖｏ３について平均電圧算出部２０によって算出された平均電圧とその目標設定電圧に差がある場合には、各出力電圧Ｖｏ１，Ｖｏ２，Ｖｏ３のいずれかに誤差が生じているとみなすことができる。したがって、その平均電圧と目標設定電圧との差が零になるようにＰＷＭ制御又はＰＦＭ制御をすることによって、出力電圧Ｖｏ１，Ｖｏ２，Ｖｏ３の平均値（設計値）に近づけることができるとともに、各出力電圧を安定させることができる。

例えば、平均電圧検出部３０によって算出された平均電圧より目標設定電圧が大きい場合には、出力電圧Ｖｏ１，Ｖｏ２，Ｖｏ３が全体として大きい側にずれているとして、ＰＷＭ制御の場合には一次巻線１１の通電周波数のオンデューティ比を小さくするように調整され（すなわち、一次巻線１１の通電時間（図３のパルス幅Ｔ_ＯＮに相当）が短くなるように調整され）、ＰＦＭ制御の場合には一次巻線１１の通電周波数を低くするように調整される（すなわち、一次巻線１１のスイッチング周期（図３の周期Ｔに相当）が長くなうように調整される）。

平均電圧算出部２０によって算出された平均電圧と目標設定電圧との差とその差を零にする一次巻線１１の通電周波数のオンデューティ比との対応関係（ＰＷＭ制御の場合）や、平均電圧算出部２０によって算出された平均電圧と目標設定電圧との差とその差を零にする一次巻線１１の通電周波数との対応関係（ＰＦＭ制御の場合）は、予めシミュレーション等によって、電圧フィードバック部３０内のメモリに記憶されている。したがって、電圧フィードバック制御部３０は、そのメモリ内の対応関係に従って、出力電圧Ｖｏ１，Ｖｏ２，Ｖｏ３の平均電圧の誤差を補正可能なオンデューティ比や通電周波数を求めることができる。

したがって、本実施形態のスイッチング電源装置は、トランス１０の３つの二次巻線１２ａ，１２ｂ，１２ｃを有し、二次巻線１２ａ，１２ｂ，１２ｃのそれぞれによって生成された出力電圧Ｖｏ１，Ｖｏ２，Ｖｏ３の平均値を算出する平均電圧算出部２０と、平均電圧算出部２０によって算出された平均値と目標設定電圧との誤差を零にするようにトランス１０の一次巻線１１の通電をＰＷＭ制御又はＰＦＭ制御する電圧フィードバック制御部３０とを備えているので、出力電圧Ｖｏ１，Ｖｏ２，Ｖｏ３の平均値に基づいて電圧フィードバック制御をすることにより、トランス１０に電圧検出専用の巻線等の電圧取り出し構成を設ける必要がなくなる。その結果、トランス１０の構造を単純化し、電圧検出専用巻線等の回路構成部品の増加を抑制することができる。

また、本実施形態のスイッチング電源装置は、出力電圧Ｖｏ１，Ｖｏ２，Ｖｏ３の平均値を算出することに基づく簡易的な電圧フィードバックを行っているので、出力電圧Ｖｏ１，Ｖｏ２，Ｖｏ３の許容電圧範囲が広い場合や、出力電圧Ｖｏ１，Ｖｏ２，Ｖｏ３の精度要求より構造の単純化やコスト削減などの要求が強い場合に、特に効果的である。

以上、本発明の好ましい実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。

例えば、上述の実施例では二次巻線が３個の場合を例に挙げたが、２個又は４個以上の個数でも同様の構成によって同様の効果を得ることができる。

また、出力電圧Ｖｏ１，Ｖｏ２，Ｖｏ３の平均値を電圧フィードバックしていたが、出力電圧Ｖｏ１，Ｖｏ２，Ｖｏ３の設計値がそれぞれ異なる場合、実際に検出された出力電圧Ｖｏ１，Ｖｏ２，Ｖｏ３のうち中間の電圧値と出力電圧Ｖｏ１，Ｖｏ２，Ｖｏ３の設計値の中間の電圧値との差が零になるようにトランス１０の一次巻線１１の通電周波数及びデューティ比又は通電周波数及びオン時間を制御してもよい。

本発明に係るスイッチング電源装置の一実施形態を示した図である。従来のスイッチング電源装置の一実施形態を示した図である。一次巻線１１の通電電流ＩｏｕｔとＰＷＭ制御又はＰＦＭ制御との関係を示した図である。ＰＷＭ制御とＰＦＭ制御の性能の相違点を示した表である。

符号の説明

１０トランス
１１一次巻線
１２二次巻線
１３ダイオード
１４平滑コンデンサ
２０平均電圧算出部
３０電圧フィードバック制御部
４０スイッチング素子

Claims

複数の二次巻線を有するトランスを備えるスイッチング電源装置であって、
前記複数の二次巻線のそれぞれによって生成された出力電圧の平均値を算出する平均値算出手段と、
前記平均値算出手段によって算出された平均値と所定の設定値との差が零となるように前記トランスの一次巻線の通電周波数のデューティ比を制御する制御手段と、を備えることを特徴とするスイッチング電源装置。
複数の二次巻線を有するトランスを備えるスイッチング電源装置であって、
前記複数の二次巻線のそれぞれによって生成された出力電圧の平均値を算出する平均値算出手段と、
前記平均値算出手段によって算出された平均値と所定の設定値との差が零となるように前記トランスの一次巻線の通電周波数を制御する制御手段と、を備えることを特徴とするスイッチング電源装置。
前記制御手段は、前記一次巻線に接続されるスイッチング素子を駆動させる制御信号を出力する、請求項１又は２に記載のスイッチング電源装置。