(57)【要約】【課題】入力インピーダンスがある場合にも安定した動作を可能にして所望の電圧を出力させるようにした昇圧チョッパを提供する。【解決手段】半導体スイッチング素子のオン・オフにより直流電源電圧を昇圧して負荷に供給する昇圧チョッパにおいて、昇圧チョッパ３００Ａの入力電圧検出器６、出力電圧検出器５、及び入力電流検出器７と、入力電圧及び入力電流の変化から入力インピーダンスを演算する入力インピーダンス演算器１０と、前記出力電圧が所望の値になるようにスイッチング素子２の通流率を演算する通流率演算部８と、前記直流電源電圧、前記出力電流の最大値、及び、前記入力インピーダンスを用いて前記通流率を制限する通流率制限部１１とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体スイッチング素子のオン・オフにより直流電源電圧を昇圧して負荷に供給する昇圧チョッパにおいて、
前記昇圧チョッパの入力電圧を検出する手段、出力電圧を検出する手段、及び入力電流を検出する手段と、
前記入力電圧及び入力電流の変化から入力インピーダンスを演算する手段と、
前記出力電圧が所望の値になるように前記スイッチング素子の通流率を演算する手段と、
前記直流電源電圧、前記出力電流の最大値、及び、演算された前記入力インピーダンスを用いて前記通流率を制限する手段と、
を備えたことを特徴とする昇圧チョッパ。
【請求項２】
請求項１に記載した昇圧チョッパにおいて、
前記通流率を制限する手段において用いられる前記直流電源電圧を、既知の定数としたことを特徴とする昇圧チョッパ。
【請求項３】
請求項１に記載した昇圧チョッパにおいて、
前記通流率を制限する手段において用いられる前記直流電源電圧を、前記入力電圧、入力電流、及び、演算された前記入力インピーダンスを用いて演算する手段を備えたことを特徴とする昇圧チョッパ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電流負荷や電力負荷に直流電力を供給する昇圧チョッパに関し、詳しくは、入力インピーダンスが存在する場合にも安定した動作を可能とした昇圧チョッパに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、直流電源から昇圧チョッパを介して負荷に電力を供給している装置において、昇圧チョッパの入力電圧が低下した時には、昇圧チョッパを構成する半導体スイッチング素子の通流率を増加させることによって昇圧チョッパの出力電圧の低下を防ぎ、出力電圧を一定に保つことが行われている。
しかし、直流電源と昇圧チョッパとの間の距離が長く、その間の配線に起因する入力インピーダンスがある場合には、昇圧チョッパの通流率を増加させても出力電圧を所望の値に制御できないことがある。
【０００３】
例えば、図３は、入力インピーダンスがある場合の昇圧チョッパの回路図を示している。
図３において、１００は直流電源、２００は配線等による入力インピーダンス、３００は昇圧チョッパ、３０１はインダクタ、３０２は半導体スイッチング素子、３０３はダイオード、３０４は平滑コンデンサ、４００は負荷である。
【０００４】
いま、直流電源電圧をＶｂａｔｔ、入力インピーダンス２００の大きさをＺｉｎ、昇圧チョッパ３００の入力電圧をＶｉｎ、出力電圧をＶｏｕｔ、入力電流をＩｉｎ、出力電流をＩｏｕｔ、スイッチング素子３０２の通流率（ＯＮ期間の割合）をｄとしたときの、出力電圧Ｖｏｕｔと入力電圧Ｖｉｎとの関係を数式１に、直流電源電圧Ｖｂａｔｔと入力電圧Ｖｉｎとの関係を数式２に、昇圧チョッパ３００の効率ηを１（１００％）と仮定した場合の昇圧チョッパ３００の入力電力と出力電力との関係を数式３に示す。
【０００５】
【数１】
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【０００６】
【数２】
2008253074.tif 000004
【０００７】
【数３】
2008253074.tif 000005
【０００８】
数式１〜３を整理すると、昇圧チョッパ３００の出力電圧Ｖｏｕｔと通流率ｄとの関係は数式４となる。
【０００９】
【数４】
2008253074.tif 000006
【００１０】
数式４の例として、直流電源電圧Ｖｂａｔｔ＝１０Ｖ、入力インピーダンスＺｉｎ＝０．１Ωとし、出力電流Ｉｏｕｔを２Ａ，４Ａ，６Ａと変化させた場合の通流率ｄと出力電圧Ｖｏｕｔとの関係を図４に示す。
この図４によれば、入力インピーダンスＺｉｎがある場合には、昇圧チョッパ３００の通流率ｄを増加させても出力電圧Ｖｏｕｔが単調には増加しなくなる領域があり、特に、出力電流Ｉｏｕｔが大きくなるにつれて、その傾向が顕著になることが分かる。
【００１１】
なお、下記の非特許文献１には、直流電源とブースタ（昇圧チョッパ）との間の配線による入力インピーダンスの影響を緩和するためにブースタの入力電圧に応じて負荷を制限する技術が開示されている。
また、特許文献１には、電源ケーブルを介して制御電源を供給する際に電源ケーブルによるインピーダンスによって電圧降下が生じるため、この電圧降下分を考慮して供給電圧を高く調整するようにしたモータ制御装置が記載されている。
【００１２】
【非特許文献１】佐藤芳信，長倉孝行，高橋弘，江口直也，針江博史，「リニアモータを用いた鉄道車両用ドア駆動システム」，平成１５年電気学会産業応用部門大会論文NO.3-66，ｐ.297-298
【特許文献１】特開２００３−１９９３７９号公報（段落［００５７］〜［００６１］、図１〜図５等）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
図３、図４に示したように、直流電源と昇圧チョッパとの間に入力インピーダンスがあり、しかも負荷電流が大きい場合には、昇圧チョッパの通流率を増加させても所望の出力電圧が得られないだけでなく、通流率と出力電圧との関係が単調増加ではなくなるため昇圧チョッパの動作が不安定になり、機器が損傷するおそれもあった。
【００１４】
なお、前述した特許文献１や非特許文献１には、昇圧チョッパの通流率を制御することによって回路動作を安定化させる着想は開示されていない。
【００１５】
そこで、本発明の解決課題は、入力インピーダンスがある場合にも安定した動作を可能にして所望の電圧を出力させるようにした昇圧チョッパを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、半導体スイッチング素子のオン・オフにより直流電源電圧を昇圧して負荷に供給する昇圧チョッパにおいて、
前記昇圧チョッパの入力電圧を検出する手段、出力電圧を検出する手段、及び入力電流を検出する手段と、
前記入力電圧及び入力電流の変化から入力インピーダンスを演算する手段と、
前記出力電圧が所望の値になるように前記スイッチング素子の通流率を演算する手段と、
前記直流電源電圧、前記出力電流の最大値、及び、演算された前記入力インピーダンスを用いて前記通流率を制限する手段と、を備えたものである。
【００１７】
請求項２に係る発明は、請求項１において、前記通流率を制限する手段において用いられる前記直流電源電圧を既知の定数としたものである。
【００１８】
請求項３に係る発明は、請求項１において、前記通流率を制限する手段において用いられる前記直流電源電圧を、前記入力電圧、入力電流、及び、演算された前記入力インピーダンスを用いて演算する手段を備えたものである。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、直流電源と昇圧チョッパとの間に入力インピーダンスがあり、しかも負荷電流が大きい場合であっても、入力電圧及び入力電流の関係から演算した入力インピーダンスと直流電源電圧等を用いて、出力電圧が単調増加するように通流率を制限することにより、昇圧チョッパの動作を安定化させて所望の電圧を出力させると共に、機器の損傷を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明の第１実施形態を示す回路図である。
図１において、１２は直流電源、１３は入力インピーダンス（その大きさをＺｉｎとする）、３００Ａは昇圧チョッパ、１４は直流電力が供給される負荷である。
【００２１】
昇圧チョッパ３００Ａは、その主回路内に、抵抗の直列回路からなる入力電圧検出器６と、入力電流検出器７と、正極側に接続されたインダクタ１と、ダイオード３と、ダイオード３のアノードと負極との間に接続された半導体スイッチング素子２と、ダイオード３のカソードと負極との間に接続された平滑コンデンサ４と、平滑コンデンサ４の両端に接続された抵抗の直列回路からなる出力電圧検出器５とを備えている。
【００２２】
更に、スイッチング素子２のオン・オフを制御する制御回路として、入力電圧検出器６及び入力電流検出器７による各検出値が入力されて入力インピーダンスを演算する入力インピーダンス演算部１０と、入力電圧検出器６及び出力電圧検出器５による各検出値が入力されて出力電圧が所望の値になるようにスイッチング素子２の通流率を演算する通流率演算部８と、この演算部８から出力される通流率を入力インピーダンス演算部１０の出力を用いて制限する通流率制限部１１と、この制限部１１を経た通流率に従ってスイッチング素子２のオン・オフ指令を演算するＰＷＭ演算部９とが設けられている。
【００２３】
次に、この実施形態の動作を説明する。
一般に、インダクタ１、スイッチング素子２、ダイオード３及び平滑コンデンサ４からなる昇圧チョッパ回路では、数式１に示したように入力電圧Ｖｉｎと出力電圧Ｖｏｕｔとの関係は通流率ｄにより変化する。但し、入力インピーダンス１３（Ｚｉｎ）がある場合には、図４に示した如く、通流率ｄを増加させても出力電圧Ｖｏｕｔが単調には増加しない領域がある。
【００２４】
ここで、前述の数式４の右辺をｄについて微分した結果を０とおくと、
２ＺｉｎＩｏｕｔ（１−ｄ）―３＝Ｖｂａｔｔ（１−ｄ）―２
となり、この数式からｄを求めると、
ｄ＝１−（２ＺｉｎＩｏｕｔ／Ｖｂａｔｔ）
となる。
すなわち、上記のｄは、図４における出力電圧Ｖｏｕｔが極大値をとるときの通流率であるから、通流率ｄをこの値以下に制限すれば、通流率ｄに応じて出力電圧Ｖｏｕｔが単調増加するような関係を得ることができる。
従って、数式５が得られる。
【００２５】
【数５】
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【００２６】
この昇圧チョッパの出力電流Ｉｏｕｔの最大値をＩｍａｘとすると、昇圧チョッパが安定して動作する通流率ｄの範囲は、数式６となる。
【００２７】
【数６】
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【００２８】
一方、入力インピーダンスＺｉｎは、ある時間ｔ１における入力電圧検出器６の検出値Ｖｉｎ１及び入力電流検出器７の検出値Ｉｉｎ１と、別の時間ｔ２における入力電圧検出器６の検出値Ｖｉｎ２及び入力電流検出器７の検出値Ｉｉｎ２とを用いて、数式７により求めることができる。図１の入力インピーダンス演算部１０では、この数式７を用いて入力インピーダンスＺｉｎを演算している。
【００２９】
【数７】
2008253074.tif 000009
【００３０】
通流率制限部１１では、通流率演算部８により前記数式１に従って演算される通流率ｄを、上記入力インピーダンスＺｉｎと、既知である直流電源電圧Ｖｂａｔｔ及び出力電流最大値Ｉｍａｘとにより、前記数式６に従って制限する。
これにより、図１のように入力インピーダンスがあり、しかも出力電流Ｉｏｕｔが大きい場合であっても、入力電圧Ｖｉｎ及び入力電流Ｉｉｎの関係から演算した入力インピーダンスＺｉｎを用いて通流率ｄを制限すれば、通流率ｄと出力電圧Ｖｏｕｔとの関係を単調増加関係にすることができ、昇圧チョッパ３００Ａを安定して動作させることができる。
【００３１】
次に、図２は本発明の第２実施形態を示す回路図である。
この実施形態の昇圧チョッパ３００Ｂが第１実施形態と異なるのは、以下の数式８によって直流電源電圧Ｖｂａｔｔを演算する直流電源電圧演算部１５を追加した点である。
【００３２】
【数８】
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【００３３】
すなわち、直流電源電圧演算部１５は、入力電圧検出器６により検出した入力電圧Ｖｉｎと、入力インピーダンス演算部１０に入力されている入力電流Ｉｉｎと、入力インピーダンス演算部１０により演算した入力インピーダンスＺｉｎとから直流電源電圧Ｖｂａｔｔを演算する。
そして、通流率制限部１６では、入力インピーダンス演算部１０から出力される入力インピーダンスＺｉｎと直流電源電圧演算部１５から出力される直流電源電圧Ｖｂａｔｔとを用いて、前記数式６により通流率ｄを制限する。
【００３４】
この実施形態によれば、電圧の変動によって直流電源電圧Ｖｂａｔｔが不明確になり、数式６を演算する際に直流電源電圧Ｖｂａｔｔを既知の値として利用できないような場合であっても、直流電源電圧演算部１５により逐次演算した直流電源電圧Ｖｂａｔｔを用いることにより、数式６によって最適な通流率ｄを得ることができる。
【００３５】
本実施形態においても、通流率ｄと出力電圧Ｖｏｕｔとの関係を単調増加関係とすることにより、昇圧チョッパ３００Ａの安定した動作が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の第１実施形態を示す回路図である。
【図２】本発明の第２実施形態を示す回路図である。
【図３】入力インピーダンスがある場合の昇圧チョッパの回路図である。
【図４】入力インピーダンスの影響を考慮した場合の出力電流別の通流率と出力電圧との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３７】
１：インダクタ
２：半導体スイッチング素子
３：ダイオード
４：平滑コンデンサ
５：出力電圧検出器
６：入力電圧検出器
７：入力電流検出器
８：通流率演算部
９：ＰＷＭ演算部
１０：入力インピーダンス演算部
１１，１６：通流率制限部
１２：直流電源
１３：入力インピーダンス
１４：負荷
１５：直流電源電圧演算部
３００Ａ，３００Ｂ：昇圧チョッパ  
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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