(57)【要約】【課題】簡易な回路構成により、電流検出回路で検出される電流信号の電圧値が負の値であっても、正の値の電圧値しか入力できないマイコンの使用が可能なデジタル制御式負荷駆動装置を提供する。【解決手段】負荷駆動装置１は、電流検出回路７により検出される出力電流の電圧値が負の値のとき、負の値を正方向の所定の電圧値にオフセットを与えるためのオフセット設定手段８と、デジタル制御回路８に設けられて所定の電圧値を負の値の電圧値に復元する復元演算処理部１０を備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電源の交流電圧を整流する整流手段と、前記整流手段と負荷との間に配置されて電力変換を行う被制御手段と、出力電流を電圧値として検出する電流検出手段と、該電流検出手段によって検出された出力電流に基づき前記被制御手段の制御を行うデジタル制御手段を備え、前記負荷を駆動するデジタル制御式負荷駆動装置において、
前記電流検出手段により検出される前記電圧値が負の値のとき、前記負の値を正方向の所定の電圧値にオフセットを与えるためのオフセット設定手段と、前記デジタル制御手段に設けられて前記所定の電圧値を前記負の値の電圧値に復元する復元演算処理部を備えたことを特徴とするデジタル制御式負荷駆動装置。
【請求項２】
前記整流手段と前記被制御手段との間に配置されて入力電圧を検出する入力電圧検出手段をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のデジタル制御式負荷駆動装置。
【請求項３】
前記被制御手段と前記負荷との間に配置されて出力電圧を検出する出力電圧検出手段をさらに備えることを特徴とする請求項１または２に記載のデジタル制御式負荷駆動装置。
【請求項４】
前記被制御手段は力率改善動作を行う力率改善手段であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１つに記載のデジタル制御式負荷駆動装置。
【請求項５】
前記オフセット設定手段は、前記所定の電圧値の波形のすべてが正の値となるように前記負の値にオフセットを与えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１つに記載のデジタル制御式負荷駆動装置。
【請求項６】
前記オフセット設定手段は、前記所定の電圧値の波形の少なくとも一部分が正の値となるように前記負の値にオフセットを与えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１つに記載のデジタル制御式負荷駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、力率改善回路などの被制御回路をデジタル制御するデジタル制御式負荷駆動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、放電灯あるいはモータ等の負荷を駆動するために、商用ＡＣ電源の交流電圧を整流・平滑化し、得られた直流出力を交流に変換して負荷に供給するスイッチング電源、放電灯点灯装置、モータ駆動装置などの負荷駆動装置が広く用いられている。
【０００３】
このような負荷駆動装置は、負荷電流や入力電流や負荷電流の変動に対して安定した出力電圧を提供することが求められている。また、急激な出力電圧の変動があった場合にも、出力電圧を精度よくフィードバックして安定した出力電圧になるように制御することが求められている。
【０００４】
従来、このような課題を解決するため、出力電圧の情報をデジタル制御回路で処理するデジタル制御方式の負荷駆動装置（具体的には、スイッチング電源装置）が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
図５は、特許文献１の発明の実施形態におけるスイッチング電源装置の回路図を示している。図５に示すスイッチング電源装置は、力率改善回路からなる被制御回路１１１と、被制御回路１１１で平滑した安定な直流電圧を変圧するＤＣ／ＤＣコンバータ回路１１２と、コンバータ回路１１２で変圧され負荷に出力される直流の出力電圧を検出する出力電圧検出回路１１３と、被制御回路１１１の制御および出力電圧検出回路１１３で検出した出力電圧に基づきコンバータ回路１１２を制御するデジタル制御回路１１４とから構成されている。
【０００６】
１２１は、４個のダイオードをブリッジに接続してなる全波整流回路であり、交流電源１１０の交流電圧を整流する。
【０００７】
被制御回路である力率改善回路１１１は、昇圧型のチョッパ回路を用い、全波整流回路１２１の正端子と負端子に接続される。全波整流回路１２１の正端子は、インダクタ１２２を経由して、半導体スイッチ１２３のドレイン端子とダイオード１２４のアノード端子に接続する。ダイオード１２４のカソード端子はコンデンサ１２５の正端子に接続するとともに、トランス１２６の一次巻線を経由して半導体スイッチ１２７のドレイン端子に接続する。全波整流回路１２１の負端子は、抵抗器１５２を経由して、半導体スイッチ１２３のソース端子とコンデンサ１２５の負端子と半導体スイッチ１２７のソース端子に接続する。
【０００８】
デジタル制御回路１１４は、マイコン１３１とL.P.F.（ローパスフィルタ）１３２にて構成されており、ＡＣ／ＤＣ１３７にてマイコン１３１に５ｖの直流電圧が供給され、マイコン１３１にて半導体スイッチ１２３，１２７を制御する。
【０００９】
半導体スイッチ１２３の制御においては、マイコン１３１の制御信号端子を半導体スイッチ１２３のゲート端子に接続する。また、マイコン１３１は、力率改善回路１１１の入力側の電圧波形を検知するために、全波整流回路１２１の正端子と負端子間に接続した抵抗器１３３，１３４の間に接続し、入力側の電流を検知するために、全波整流回路１２１の負端子と抵抗器１５２の間に接続する。コンデンサ１２５の電圧を安定化するために、力率改善回路１１１の出力側に接続した抵抗器１３５，１３６の間に接続してコンデンサ１２５の電圧を検知して、マイコン１３１にフィードバックする。
【００１０】
交流電源１１０の交流電圧を全波整流回路１２１で全波整流する。整流された直流電圧を力率改善回路１１１にて安定した直流電圧に変換する。このとき、マイコン１３１に内蔵している基準電圧と、コンデンサ１２５に比例検知して抵抗器１３５，１３６による抵抗分割で得られた電圧とを比較し、それにより得られた誤差信号電圧と、抵抗器１３３，１３４による抵抗分割で得られた電圧とに基づき、ワンチップマイコン１３１にて高力率になる電流波形の基準信号を得る。この高力率になる電流波形の基準信号と、抵抗器１５２の電流信号が同じ波形になるように、半導体スイッチ１２３の開閉をマイコン１３１にて制御する。
【００１１】
特許文献１によれば、上記の動作によって、交流電源の電流は、交流電源の電圧波形に比例した電流波形になり、高力率となる、としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００７−３０６７６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、特許文献１のスイッチング電源装置は、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路１１２をワンチップマイコン１３１によってデジタル制御するデジタル制御方式としているが、一般的なマイコンは、マイコンに入力される信号（抵抗器１５２の電流信号に相当する電圧）は正の信号しか入力できない仕様であることが多いため、制御可能な信号の値が正の値に限定されるという問題がある。仮に、マイコンに負の信号が入力できたとしても、次のような問題がある。すなわち、入力される信号のレベルは抵抗器の抵抗値によって調整することが可能であるものの、抵抗値を過度に大きくすると電力損失が増加し、抵抗値によってはマイコンに印加可能な定格電圧値を超えてしまう恐れがあり、逆に、抵抗値を小さくしすぎると検出精度が低下するため、調整可能な抵抗値の幅は限定されてしまう。したがって、マイコンに入力できる負の信号のダイナミックレンジは狭くなってしまうという問題がある。
【００１４】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、簡単な回路構成でありながら、検出される出力電流信号の電圧値が負の値であっても、正の値の電圧値しか入力できないマイコンで制御回路を用いることが可能となるとともに、マイコンに入力できる負の信号のダイナミックレンジを広くすることが可能な負荷駆動装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
以下の発明の態様は、本発明の構成を例示するものであり、本発明の多様な構成の理解を容易にするために、項別けして説明するものである。各項は、本発明の技術的範囲を限定するものではなく、発明を実施するための最良の形態を参酌しつつ、各項の構成要素の一部を置換し、削除し、又は、さらに他の構成要素を付加したものについても、本願発明の技術的範囲に含まれ得るものである。
【００１６】
（１）交流電源の交流電圧を整流する整流手段と、前記整流手段と負荷との間に配置されて電力変換を行う被制御手段と、出力電流を電圧値として検出する電流検出手段と、該電流検出手段によって検出された出力電流に基づき前記被制御手段の制御を行うデジタル制御手段を備え、前記負荷を駆動するデジタル制御式負荷駆動装置において、前記電流検出手段により検出される前記電圧値が負の値のとき、前記負の値を正方向の所定の電圧値にオフセットを与えるためのオフセット設定手段と、前記デジタル制御手段に設けられて前記所定の電圧値を前記負の値の電圧値に復元する復元演算処理部を備えたことを特徴とするデジタル制御式負荷駆動装置（請求項１）。
【００１７】
（２）（１）項に記載のデジタル制御式負荷駆動装置において、前記整流手段と前記被制御手段との間に配置されて入力電圧を検出する入力電圧検出手段をさらに備えることを特徴とするデジタル制御式負荷駆動装置（請求項２）。
【００１８】
（３）（１）または（２）項に記載のデジタル制御式負荷駆動装置において、前記被制御手段と前記負荷との間に配置されて出力電圧を検出する出力電圧検出手段をさらに備えることを特徴とするデジタル制御式負荷駆動装置（請求項３）。
【００１９】
（４）（１）から（３）のいずれか１項に記載のデジタル制御式負荷駆動装置において、前記被制御手段は力率改善動作を行う力率改善手段であることを特徴とするデジタル制御式負荷駆動装置（請求項４）。
【００２０】
（５）（１）から（４）のいずれか１項に記載のデジタル制御式負荷駆動装置において、前記オフセット設定手段は、前記所定の電圧値の波形のすべてが正の値となるように前記負の値にオフセットを与えることを特徴とするデジタル制御式負荷駆動装置（請求項５）。
【００２１】
（６）（１）から（４）のいずれか１項に記載のデジタル制御式負荷駆動装置において、前記オフセット設定手段は、前記所定の電圧値の波形の少なくとも一部分が正の値となるように前記負の値にオフセットを与えることを特徴とするデジタル制御式負荷駆動装置（請求項６）。
【発明の効果】
【００２２】
本発明に係るデジタル制御式負荷駆動装置は、以上のように構成したため、簡単な回路構成でありながら、検出される出力電流信号の電圧値が負の値であっても、正の電圧値しか入力できないマイコンを制御回路として用いることが可能となるとともに、マイコンに入力できる負の電圧値の電流信号のダイナミックレンジを広くすることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の一実施形態におけるデジタル制御式負荷駆動装置の要部を示すブロック図である。
【図２】本発明の一実施形態におけるデジタル制御式負荷駆動装置の要部を示す回路構成図である。
【図３】本発明の一実施形態におけるデジタル制御式負荷駆動装置において、オフセット設定回路によりオフセットされる前後の電流波形の実測した一例を示す図であり、（ａ）はオフセット設定回路の入力電流の検出波形図、（ｂ）はオフセット設定回路の出力電流の検出波形図である。
【図４】本発明の一実施形態におけるデジタル制御式負荷駆動装置において、オフセット設定回路によりオフセットされる前後の電流波形の実測した別の例を示す図であり、（ａ）はオフセット設定回路の入力電流の検出波形図、（ｂ）はオフセット設定回路の出力電流の検出波形図である。
【図５】従来のデジタル制御式のスイッチング電源装置の一例を示す回路構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
【００２５】
図１は本発明の一実施形態におけるデジタル制御式負荷駆動装置１の要部を示すブロック図、図２本発明の一実施形態におけるデジタル制御式負荷駆動装置１の要部を示す回路構成図はである。
【００２６】
図１に示すように、本発明の一実施形態におけるデジタル制御式負荷駆動装置１（以下、負荷駆動装置１）は、交流電源Ｖａｃの交流電圧を整流する整流回路２と、整流回路２と負荷４との間に配置されて力率改善動作を行う力率改善回路からなる被制御回路３と、整流回路２から出力されて被制御回路３に入力される電圧を検出する入力電圧検出回路５と、被制御回路３から出力される電圧を検出する出力電圧検出回路６と、出力電流を電圧値として検出する電流検出回路７と、電流検出手段７で検出した出力電流に基づき被制御回路３の制御を行うデジタル制御回路８とを備えている。負荷４は、被制御回路３の出力端子と基準電位点との間に接続されている。
【００２７】
また、負荷駆動装置１は、電流検出回路７で検出した出力電流を電圧値として入力して、デジタル制御回路８が備える復元演算処理部１０に出力信号を入力するオフセット設定回路９を備えている。本発明は、電流検出回路７とデジタル制御回路８との間にこのオフセット設定回路９を接続し、オフセット設定回路９の出力信号を入力する復元演算処理部１０をデジタル制御回路８に設けたところに特徴を有するものであり、後述するように、オフセット設定回路９および復元演算処理部１０を備えたことにより、簡単な回路構成でありながら、電流検出回路７で検出される電流信号の電圧値が負の値であっても、正の電圧値しか入力できないマイコンでデジタル制御回路８を構成することが可能となるとともに、マイコンに入力できる負の信号のダイナミックレンジを広くすることが可能となるという効果を奏するものである。
【００２８】
図２を用いて、図１の各ブロックについて詳細に説明する。
【００２９】
整流回路２は、４個のダイオードＤ１〜Ｄ４をブリッジ接続して構成される全波整流回路であり、交流電源Ｖａｃの交流電圧を整流する。
【００３０】
被制御回路（力率改善回路）３は、昇圧型のチョッパ回路であり、整流回路２の正端子と負端子に接続されている。整流回路２の正端子は、インダクタＬ１を経由して、半導体スイッチＱ１のドレイン端子とダイオードＤ５のアノード端子に接続する。ダイオードＤ５のカソード端子はコンデンサＣ１の正端子に接続するとともに、負荷４の一端に接続されている。また、整流回路２の負端子は電流検出抵抗Ｒ１からなる電流検出回路７の一端に接続され、電流検出回路７の他端は半導体スイッチＱ１のソース端子とコンデンサＣ１の負端子と負荷４の他端とともにＧＮＤに接地さている。被制御回路（力率改善回路）３は整流電圧を昇圧しつつ力率を改善するものである。
【００３１】
入力電圧検出回路５は、整流回路２の正端子と負端子間に直列接続した抵抗素子Ｒ２,Ｒ５からなり、出力電圧検出回路６は、被制御回路３と負荷４のそれぞれの両端間に直列に接続した抵抗素子Ｒ４，Ｒ５からなる。
【００３２】
デジタル制御回路８は、例えば、ワンチップマイコンなどのプログラマブルデバイスにて構成され、オフセット設定回路９からの出力信号が入力される復元演算処理回路１０と、出力電圧検出回路６と接続される加算点１１と、第一の補償器１２と、乗算器１３と、加算点１４と、第二の補償器１５と、発振器１６と、パルス幅変調器と、被制御回路３の半導体スイッチＱ１のゲート端子に接続されるドライブ回路１８とを備えている。
【００３３】
オフセット設定回路９は、抵抗素子Ｒ６,Ｒ７，Ｒ８およびツェナーダイオードＤ６を備えている。抵抗素子Ｒ６は、一端が電流検出回路７に接続され、他端が抵抗素子Ｒ７に接続されており、抵抗素子Ｒ７の他端は、抵抗素子Ｒ８の一端とともにツェナーダイオードＤ６のカソード端子に接続されている。抵抗素子Ｒ８の他端には、電圧源Ｖｃｃが接続され、ツェナーダイオードＤ６のアノード端子はＧＮＤに接地されている。
【００３４】
次に、負荷駆動装置１における各回路の動作について説明する。
【００３５】
整流回路２は、交流電源（商用電源）Ｖａｃの交流電圧を整流して全波整流電圧を被制御回路（力率改善回路）３に供給する。
【００３６】
被制御回路（力率改善回路）３においては、半導体スイッチＱ１のゲートにはデジタル制御回路８のドライブ回路１８からドライブパルス信号が供給され、半導体スイッチＱ１は、正極性のパルス信号のハイレベル期間でオンし、ローレベル期間でオフするように動作する。被制御回路（力率改善回路）３からの出力信号により負荷４が駆動される。
【００３７】
出力電圧検出回路６を構成する抵抗素子Ｒ４およびＲ５の接続点から、被制御回路（力率改善回路）３の出力電圧がデジタル制御回路８にフィードバックされる。また、入力電圧検出回路５を構成する抵抗素子Ｒ２およびＲ３の接続点から、整流回路２の出力電圧がデジタル制御回路８に入力される。さらに、電流検出回路７を構成する電流検出抵抗Ｒ１によって検出された電流信号が電圧値としてオフセット設定回路９を経由してデジタル制御回路８に入力される。
【００３８】
ここで、デジタル制御回路８の基本動作について説明する。
【００３９】
デジタル制御回路８において、出力電圧検出回路６からフィードバックされた出力電圧は加算点１１に供給され、そこで基準電圧Ｖｒｅｆ１と比較されて、差分電圧が第一の補償器１２を介して乗算器１３に入力される。乗算器１１には、第一の補償器１２からの出力電圧とともに、入力電圧検出回路５によって検出された電圧が入力され、乗算器１３から乗算器出力が出力される。
【００４０】
乗算器出力は、加算点１４にて復元処理回路１０からの出力信号と加算されて、第二の補償器１５を介してパルス幅変調回路１７に供給される。パルス幅変調回路１７は、発振器１６から供給されたパルス信号を第二の補償器１５からの出力に応じてパルス幅変調する。変調されたパルス信号は、ドライブ回路１８を介してドライブパルス信号として出力され、ドライブパルス信号が半導体スイッチＱ１のゲートに印加される。これにより、半導体スイッチＱ１は高速でオン／オフ制御を行う。デジタル制御回路８は、ドライブパルス信号の幅を変化させることで、出力電圧を安定化する。尚、乗算器出力は、入力電圧検出回路５から乗算器１３に入力された電圧および出力電圧検出回路６から乗算器１３にフィードバックされた出力電圧に比例し、乗算器出力が大きいほどドライブパルス信号のオン期間が大きくなる。
【００４１】
次に、図１および図２とともに、図３を参照して、負荷駆動装置１におけるオフセット設定回路９およびデジタル制御回路８が備える復元演算処理部１０の動作について説明する。ここで、図３は、オフセット設定回路９によりオフセットされる前後の電流波形の実測した一例を示す図であり、（ａ）はオフセット設定回路９の入力電流の検出波形図、（ｂ）はオフセット設定回路９の出力電流の検出波形図である。
【００４２】
電流連続モードの力率改善回路の場合、図２に示すような電流検出回路７を構成する電流検出抵抗Ｒ１を整流回路２の負端子側と半導体スイッチＱ１のソース端子の間に接続することが一般的であり、電流検出回路７から出力される出力電流の電圧値は負の値となる。したがって、図３（ａ）に示すように、電流検出回路７からオフセット設定回路９に出力される電流信号ＩＲ１の電圧波形は負の値となる。
【００４３】
オフセット設定回路９では、負の値の電流信号が電流検出抵抗Ｒ１によって負の値の電圧信号として入力され、この負の電圧値の電圧信号をツェナーダイオードＤ６で与えられる基準電圧Ｖｒｅｆ２と抵抗素子Ｒ６およびＲ７の分圧比で与えられる電圧とにより決定される正の値の電圧信号Ｖｓに変換される。したがって、図３（ｂ）に示すように、オフセット設定回路９からは電流信号のすべての電圧値が正の電流Ｉ１以上である正の値の電流信号ＩＣ１が出力される。
【００４４】
オフセット設定回路９より出力された正の値の電流信号ＩＣ１は、デジタル制御回路８が備える復元演算処理部１０に入力される。復元演算処理部１０では、正の値の電圧値にオフセットされた電流信号を元の負の値の電圧値の電流信号に復元する電圧変換処理を行うが、復元演算処理部１０で復元される負の値の電圧信号Ｖｆは下記の変換式で表される。
Ｖｆ＝Ｖｓ＊（Ｒ６＋Ｒ７）／Ｒ６−Ｖｒｅｆ２
【００４５】
以上のように構成された負荷駆動装置１は、出力電流検出回路７から検出される出力電流の電圧値が負の値のとき、オフセット設定回路９において、負の値の電圧値の電流信号を正の値の電圧値の電流信号にオフセットしてデジタル制御回路８に出力し、デジタル制御回路８においては、復元演算処理部１０によって正の値の電圧値の電流信号を負の値の電圧値の電流信号に復元するように構成したため、正の値の電圧値しか入力できないマイコンで制御回路を用いることが可能となる。
【００４６】
なお、上記の実施形態では、図３に示すように、検出された電流信号は、オフセット設定回路９によって負の値の電圧値の波形のすべてが正の値の電圧値になるようにオフセットされる例を説明したが、負の値の電圧値を取り込めるデジタル制御回路を用いる場合は、必ずしもすべての波形が正の値の電圧値にオフセットされる必要はない。以下、具体的に説明する。
【００４７】
図４は、オフセット設定回路９によりオフセットされる前後の電流波形の実測した別の例を示す図であり、（ａ）はオフセット設定回路９の入力電流の検出波形図、（ｂ）はオフセット設定回路９の出力電流の検出波形図である。図４（ａ）に示すように、電流検出回路７からオフセット設定回路９に出力される電流信号ＩＲ１の電流波形は負の値の電圧値となっているが、図４（ｂ）に示すように、オフセット設定回路９からは電流信号の一部分の波形が正の値の電圧値であり、その最大値が電流Ｉ２である正の値の電圧値の電流信号ＩＣ２が出力される。
【００４８】
このように、負の値の電圧値を取り込めるデジタル制御回路を用いる場合は、電流信号の電圧値の波形の少なくとも一部分が正の値になるようにオフセットすればよく、その後、デジタル制御回路の復元演算処理部にて元の負の値の電圧値の電流信号に復元することが可能である。この場合、デジタル制御回路の定格値内で取り込める負の値の電圧値の電流信号を広く取り込むことで電流信号のダイナミックレンジを広くすることが可能となる。
【００４９】
以上、本発明の代表的な実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態の回路構成のみに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
【００５０】
たとえば、上記の実施形態では、被制御回路を力率改善回路としたが、これに限定されるものではなく、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路あるいはインバータ回路であってもよい。
【００５１】
また、入力電圧検出回路および出力電圧検出回路は、被制御回路の構成によっては省略することが可能であり、必須の構成要素ではない。入力電圧検出回路は、被制御回路の検出電圧を入力電圧の正弦波電圧形状に制御することで力率改善を行う場合に用い、出力電圧検出回路は、出力電圧を制御する場合に用いる。
【符号の説明】
【００５２】
１：デジタル制御式負荷駆動装置、２：整流回路、３：被制御回路（力率改善回路）、４：負荷、５：入力電圧検出回路、６：出力電圧検出回路、７：電流検出回路、８：デジタル制御回路、９：オフセット設定回路、１０：復元演算処理部、１１，１４：加算点、１２：第一の補償器、１３：乗算器、１５：第二の補償器、１６：発振器、１７：パルス幅変調器、１８：ドライブ回路、Ｄ１〜Ｄ５:ダイオード、Ｄ６：ツェナーダイオード、Ｌ１：インダクタ、Ｃ１：コンデンサ、Ｒ１：電流検出抵抗、Ｒ２〜Ｒ８：抵抗素子、Ｑ１：半導体スイッチ、Ｖａｃ：交流電源、Ｖｃｃ：電圧源、Ｖｒｅｆ１，Ｖｒｅｆ２：基準電圧
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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