(57)【要約】【課題】  スイッチング損失を抑制しつつ、広い帯域に存在する高調波周波数成分を低減できるスイッチング回路およびスイッチング回路の制御方法の提供。【解決手段】  スイッチング回路1は、狙いとするノイズ低減帯域を２つの帯域に分割して両帯域の高調波周波数成分を小さくする最適波形をそれぞれ生成し、生成した２つの最適波形を１パルス毎に切り替えてパワートランジスタM1を駆動する規範電圧波形生成部3を備える。【選択図】  図１
2011049817.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スイッチング素子を駆動して負荷に流れる電流を制御するスイッチング回路において、
前記スイッチング素子の出力電圧から狙いとするノイズ低減帯域の高調波周波数成分を小さくする最適波形を生成する波形生成手段と、
前記最適波形を入力し、前記スイッチング素子の出力電圧の波形が当該最適波形となるように前記スイッチング素子を駆動する駆動手段と、
を備え、
前記波形生成手段は、前記ノイズ低減帯域を複数の帯域に分割して各帯域の高調波周波数成分を小さくする最適波形をそれぞれ生成し、生成した複数の最適波形を時間的に組み合わせて前記駆動手段へ出力することを特徴とするスイッチング回路。
【請求項２】
請求項１に記載のスイッチング回路において、
前記負荷は、車両に搭載した電気負荷であり、
前記ノイズ低減帯域は、AMラジオ放送用の帯域であることを特徴とするスイッチング回路。
【請求項３】
スイッチング素子を駆動して負荷に流れる電流を制御するスイッチング回路の制御方法において、
狙いとするノイズ低減帯域を複数の帯域に分割して各帯域の高調波周波数成分を小さくする最適波形をそれぞれ生成し、前記スイッチング素子の出力電圧の波形が前記複数の最適波形を時間的に組み合わせた波形となるように前記スイッチング素子を駆動することを特徴とするスイッチング回路の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スイッチング回路およびスイッチング回路の制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のスイッチング回路では、ラジオノイズの低減を目的とし、ランプを駆動するMOSFET（電界効果トランジスタ）の出力電圧における立ち上がりおよび立ち下がり波形部分がサイン波となるようにMOSFETを制御している。この記載に関係する技術の一例は、特許文献１に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−１３９１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記従来技術にあっては、AMラジオ放送用の帯域等、ある程度広い帯域に存在する高調波周波数成分を低減するためには、電圧波形の立ち上がりおよび立ち下がり時間を長くする必要があり、スイッチング損失の増大を招くという問題があった。
本発明の目的は、スイッチング損失を抑制しつつ、広い帯域に存在する高調波周波数成分を低減できるスイッチング回路およびスイッチング回路の制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するため、本発明では、狙いとするノイズ低減帯域を複数の帯域に分割して各帯域に含まれる高調波周波数成分を小さくする最適波形をそれぞれ生成し、生成した複数の最適波形を時間的に組み合わせてスイッチング素子を駆動する。
【発明の効果】
【０００６】
よって、本発明にあっては、スイッチング損失を抑制しつつ、広い帯域に存在する高調波周波数成分を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】実施例１のスイッチング回路のブロック図である。
【図２】規範電圧波形追従駆動部4、負荷5、電源6の回路構成図である。
【図３】AMラジオ放送用の低帯域に対応する最適波形の(a)立ち上がり部分および(b)立ち下がり部分を示す図である。
【図４】AMラジオ放送用の高帯域に対応する最適波形の(a)立ち上がり部分および(b)立ち下がり部分を示す図である。
【図５】実施例１の最適波形生成方法を示す図である。
【図６】パワートランジスタM1の出力電圧の波形がパターン1となるように規範電圧波形追従駆動部4のパワートランジスタM1を駆動したときの各高調波周波数成分のノイズレベル[dBV]を示すスペクトラム特性である。
【図７】パワートランジスタM1の出力電圧の波形がパターン2となるように規範電圧波形追従駆動部4のパワートランジスタM1を駆動したときの各高調波周波数成分のノイズレベル[dBV]を示すスペクトラム特性である。
【図８】最適波形を１パルス毎に切り替えたときの各高調波周波数成分のノイズレベル[dBV]の時間平均を示すスペクトラム特性である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、本発明のスイッチング回路およびスイッチング回路の制御方法を実現するための実施の形態を、図面に基づく実施例を用いて説明する。
【実施例１】
【０００９】
まず、構成を説明する。
〔スイッチング回路〕
図１は、実施例１のスイッチング回路のブロック図であり、スイッチング回路1は、制御パルス生成部2、規範電圧波形生成部（波形生成手段）3、規範電圧波形追従駆動部（駆動手段）4、負荷5および電源6を備える。
制御パルス生成部2は、規範電圧波形追従駆動部4をPWM駆動制御するための波形となる制御パルス（PWM信号）を生成し、規範電圧波形生成部3へ出力する。実施例１では、PWMキャリア周波数を20kHzとする。
規範電圧波形生成部3は、制御パルス生成部2の生成した制御パルスの波形に基づき、規範電圧波形追従駆動部4の出力波形から所定の高調波周波数成分を低減する最適波形を生成し、規範電圧波形追従駆動部4へ出力する。
規範電圧波形追従駆動部4は、規範電圧波形生成部3の生成した最適波形に基づき回路の一部をオンオフするスイッチングを行う。
負荷5は、例えば、電気自動車の駆動用モータや電動コンプレッサのモータ等、車両の搭載された電動モータであり、規範電圧波形追従駆動部4のスイッチングにより駆動する。
電源6は、車両に搭載したバッテリであり、負荷5に電力を供給する。
【００１０】
以下、規範電圧波形生成部3、規範電圧波形追従駆動部4、負荷5および電源6の詳細について説明する。
〔規範電圧波形生成部〕
規範電圧波形生成部3は、波形生成部31と最適波形記憶部32とを有する。
波形生成部31は、時間軸に対して複数の電圧ポイントで折曲させた立ち上がりおよび立ち下がり波形部分を有する折線波形を生成し、規範電圧波形追従駆動部4へ出力する。立ち上がりおよび立ち下がり波形部分は、最適波形記憶部32に記憶した入力波形を読み込んで用いる。波形生成部31は、ICやマイコン等で構成する。
最適波形記憶部32は、あらかじめ実験等により求めた制御パルス信号の最適波形の立ち上がりおよび立ち下がり部分を記憶するメモリである。最適波形記憶部32に記憶する最適波形の生成方法については後述する。
【００１１】
〔規範電圧波形追従駆動部、負荷および電源〕
図２は、規範電圧波形追従駆動部4、負荷5、電源6の回路構成図である。
規範電圧波形追従駆動部4は、抵抗R8〜R13、電源V9、コンデンサC1、トランジスタQ7〜Q12、ダイオードD1,D2、パワートランジスタM1（スイッチング素子）により構成されており、トランジスタQ7,Q8とトランジスタQ9,Q10によりカレントミラー回路を構成したフィードバック構成である。
負荷5は、上述したようにモータを想定し、抵抗R14,R15、インダクタンスL1、パワートランジスタM2により構成し、電源6(V10)に接続する。
【００１２】
規範電圧波形追従駆動部4では、カレントミラーの回路構成部分により、入力される折線波形と出力電圧の波形を近づけるようにした波形によりパワートランジスタM1を駆動することで、規範電圧波形に追従した出力電圧が得られる。
なお、規範電圧波形追従駆動部4はフィードバック回路構成となっているため、駆動波形に略一致した出力波形を得ることができる。つまり、狙った帯域の高調波周波数成分を低減させる最適波形が入力されると、負荷5の下流では、ほぼそのままの出力波形を得ることができる。
【００１３】
〔最適波形の生成方法〕
次に、最適波形記憶部32に記憶する最適波形の立ち上がりおよび立ち下がり部分の生成方法について説明する。
まず、初期値となる折線を設定する。この折線は、複数の時間点に対する波形の折曲点の基準電圧を、立ち上がりと立ち下がりとでそれぞれ設定する。また、所定の帯域の高調波周波数成分を低減する目的の周波数特性をwnとして設定する。
続いて、折曲点の値XIに対して離散フーリエ係数xｎを次のように設定する。
【数１】
2011049817.tif 000003
なお、nは次数であり、Nはサンプリング数である。
つまり、必要周波数を考慮して、x０〜xｎを求める離散フーリエ変換を実施する。
【００１４】
次に、評価関数Iを下記のように設定する。
【数２】
2011049817.tif 000004
このとき、所望の周波数特性は、重み関数wnで設定されることになる。
そして、ステップS2で求めた、x０〜xｎを用いてIの値を求める。
次に、値Iは最小であるか否かを判断し、最小である場合にはその際の折線状態が最適ものとし、最小でない場合には折線波形を初期状態から折曲点の大小方向、時間方向に変更して調整し、値Iが最小となるまでの間、上述した離散フーリエ係数の設定以降の手順を繰り返す。最小となる値Iを求める方法としては、ニュートン・ラプソン法を用いることができる。
【００１５】
実施例１では、スイッチング損失を抑制しつつ、AM(Amplitude Modulation；振幅変調)ラジオ放送用の帯域(0.5MHz〜1.5MHz)に存在する高調波周波数成分の低減を狙いとし、あらかじめシミュレーション等によってAMラジオ放送用の低帯域(0.5MHz〜1.0MHz)と高帯域(1.0MHz〜1.5MHz)に存在する高調波周波数成分を低減する最適波形をそれぞれ生成し、最適波形記憶部32に記憶させる。
図３はAMラジオ放送用の低帯域に対応する最適波形の(a)立ち上がり部分および(b)立ち下がり部分であり、図４はAMラジオ放送用の高帯域に対応する最適波形の(a)立ち上がり部分および(b)立ち下がり部分である。以下、低帯域に対応する最適波形をパターン1、高帯域に対応する最適波形をパターン2という。
規範電圧波形生成部3では、制御パルス信号に合わせて最適波形を規範電圧波形追従駆動部4へ出力する際、１パルス周期でパターン1と2を切り替える。
規範電圧波形生成部3では、制御パルス信号に合わせて最適波形を規範電圧波形追従駆動部4へ出力する際、図５に示すように、１パルス周期でパターン1と2を切り替える。
【００１６】
次に、作用を説明する。
〔ラジオノイズ低減作用〕
従来のスイッチング回路では、ラジオノイズの低減を目的とし、車両のランプを駆動するMOSFET（電界効果トランジスタ）の出力電圧の波形における立ち上がりおよび立ち下がり部分がサイン波となるようにMOSFETを制御している。ところが、AMラジオ放送用の全帯域に存在する高調波周波数成分を抑制するためには、波形の立ち上がりおよび立ち下がり時間を長くとる必要があり、スイッチング損失の増大を招く。すなわち、より低い帯域の高調波周波数成分を抑えるためには、電圧波形の立ち上がりおよび立ち下がり時間を長くとる必要があるのに対し、当該時間を長くするほど、スイッチング損失は大きくなってしまう。つまり、１つの最適波形で広い帯域に存在する高調波周波数成分を低減しようとした場合、ノイズ低減帯域の拡大とスイッチング損失の抑制とがトレードオフの関係となる。
【００１７】
これに対し、実施例１のスイッチング回路1では、AMラジオ放送用の帯域(0.5MHz〜1.5MHz)を低帯域(0.5MHz〜1.0MHz)と高帯域(1.0MHz〜1.5MHz)との２つの帯域に分割し、両帯域で高調波周波数成分を小さくする最適波形（パターン1、パターン2）をそれぞれ生成し、２つの最適波形を１パルス毎に切り替えてパワートランジスタM1を駆動する。
図６は、パワートランジスタM1の出力電圧の波形がパターン1となるように規範電圧波形追従駆動部4のパワートランジスタM1を駆動したときの各高調波周波数成分のノイズレベル[dBV]を示すスペクトラム特性である。図６に示すように、負荷5のパターン1を用いた場合、制御パルスの電圧波形である台形波に対し、AMラジオ放送用の帯域のうち低帯域(0.5〜1.0MHz)に存在する高調波周波数成分をより低減できる。
【００１８】
一方、図７は、パワートランジスタM1の出力電圧の波形がパターン2となるように規範電圧波形追従駆動部4のパワートランジスタM1を駆動したときの各高調波周波数成分のノイズレベル[dBV]を示すスペクトラム特性である。図７に示すように、パターン2を用いた場合、台形波に対し、AMラジオ放送用の帯域のうち高帯域(1.0〜1.5MHz)に存在する高調波周波数成分をより低減できる。
図８は、最適波形を１パルス毎に切り替えたときの各高調波周波数成分のノイズレベル[dBV]の時間平均を示すスペクトラム特性であり、最適波形を交互に切り替えることで、台形波に対しAMラジオ放送用の全帯域でノイズレベル低減効果があらわれている。
ここで、実施例１では、AMラジオ放送用の帯域を２つの帯域（低帯域、高帯域）に分割し、低帯域に対応する最適波形（パターン1）と高帯域に対応する最適波形（パターン2）を生成している。例えば、１つの最適波形のみでAMラジオ放送用の全帯域に存在する高調波周波数成分の低減を狙うと、スイッチング損失の増大を招く。また、ノイズ低減帯域を拡げるほど、最適波形を生成する際の計算が複雑化すると共に、たとえ生成できたとしてもその波形は実現不能な形状となる可能性が高い。
これに対し、実施例１では、狙ったノイズ低減帯域を２分割してそれぞれの帯域に存在する高調波周波数成分を低減する最適波形を生成している。つまり、各最適波形は共に狭い帯域に存在する高調波周波数成分を低減するものであるため、スイッチング損失の増大を抑制できる、また、帯域が狭いため、最適波形の生成が容易である。
【００１９】
次に、効果を説明する。
実施例１のスイッチング回路1にあっては、以下に列挙する効果を奏する。
(1) 規範電圧波形生成部3は、狙いとするノイズ低減帯域を２つの帯域に分割して両帯域の高調波周波数成分を小さくする最適波形をそれぞれ生成し、生成した２つの最適波形を１パルス毎に切り替えてパワートランジスタM1を駆動する。これにより、スイッチング損失を抑制しつつ、広い帯域に存在する高調波周波数成分を低減できる。
(2) 負荷5を車両に搭載した電動モータとし、ノイズ低減帯域をAMラジオ放送用の帯域としたため、AMラジオのすべてのチャンネルでラジオノイズを低減できる。
(3) 狙いとするノイズ低減帯域を２つの帯域に分割して各帯域の高調波周波数成分を小さくする最適波形をそれぞれ生成し、パワートランジスタM1の出力電圧の波形が２つの最適波形を交互に組み合わせた波形となるようにパワートランジスタM1を駆動する。これにより、スイッチング損失を抑制しつつ、広い帯域に存在する高調波周波数成分を低減できる。
【００２０】
〔他の実施例〕
以上、本発明のスイッチング回路を実施例に基づき説明したが、本発明の具体的な構成は実施例に限定されず、特許請求の範囲の各請求項に係る発明の要旨を逸脱しない限り、設計の変更や追加等は許容される。
ノイズ低減帯域を３つ以上の帯域に分割し、３つ以上の最適波形を生成してもよい。また、分割した各帯域は多少オーバーラップしてもよい。
最適波形の切り替えを複数のパルス毎（例えば、２パルス毎）に行ってもよい。また、制御パルスの波形の立ち上がりと立ち下がりで最適波形を切り替えてもよい。
負荷は、ランプ等、車両に搭載し、スイッチング回路により作動する電気負荷であればよい。
最適波形の立ち上がりおよび立ち下がり部分は、折線波形に限らず、他の形状としてもよい。
【符号の説明】
【００２１】
1  スイッチング回路
3  規範電圧波形生成部（波形生成手段）
4  規範電圧波形追従駆動部（駆動手段）
5  負荷
【図１】
2011049817.tif 000005
【図２】
2011049817.tif 000006
【図３】
2011049817.tif 000007
【図４】
2011049817.tif 000008
【図５】
2011049817.tif 000009
【図６】
2011049817.tif 000010
【図７】
2011049817.tif 000011
【図８】
2011049817.tif 000012