(57)【要約】【課題】高精度に定電力制御をすることができる定電力ＤＣ／ＤＣコンバータを提供することを目的とする。【解決手段】定電圧源１の電力が入力される第１ＤＣ／ＤＣコンバータ７と、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ７の出力端に接続された第２ＤＣ／ＤＣコンバータ９とからなり、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ７と第２ＤＣ／ＤＣコンバータ９の内、一方は第１ＤＣ／ＤＣコンバータ７の出力電流が一定になるように定電流制御を行い、他方は第１ＤＣ／ＤＣコンバータ７の出力電圧が一定になるように定電圧制御を行うことで第２ＤＣ／ＤＣコンバータ９から定電力を出力するものであり、誤差要因となる電圧値と電流値の乗算過程が含まれない構成となるので、定電力制御の高精度化が可能となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
定電圧源の電力が入力される第１ＤＣ／ＤＣコンバータと、
前記第１ＤＣ／ＤＣコンバータの出力端に接続された第２ＤＣ／ＤＣコンバータとからなり、
前記第１ＤＣ／ＤＣコンバータと前記第２ＤＣ／ＤＣコンバータの内、一方は前記第１ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電流が一定になるように定電流制御を行い、
他方は前記第１ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧が一定になるように定電圧制御を行うことで前記第２ＤＣ／ＤＣコンバータから定電力を出力する定電力ＤＣ／ＤＣコンバータ。
【請求項２】
第１ＤＣ／ＤＣコンバータは降圧ＤＣ／ＤＣコンバータである請求項１に記載の定電力ＤＣ／ＤＣコンバータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は定電圧源の電力を定電力で出力する電源装置における定電力ＤＣ／ＤＣコンバータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、電源装置として定電圧源の電力を定電力制御により負荷に供給する定電力ＤＣ／ＤＣコンバータを用いたものが例えば特許文献１に提示されている。この定電力ＤＣ／ＤＣコンバータは負荷として放電灯（ランプ）を安定して点灯させるために用いられており、そのブロック回路図を図３、図４にそれぞれ示す。
【０００３】
まず、図３において、交流電源が整流平滑回路１０１で直流の定電圧に変換される。この出力は昇圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１０３によって昇圧され、イグナイタ１０５を介して放電灯負荷１０７に供給されるのであるが、放電灯負荷１０７を安定して点灯させるために、昇圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１０３は定電力制御部１０９によって、出力が定電力になるように制御されている。
【０００４】
定電力制御部１０９は、昇圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１０３の出力電圧ＶＬ、および出力電流ＩＬを電圧検出回路１１１、および電流検出回路１１３によりそれぞれ検出し、両者の出力をアナログの乗算器１１５に入力してＶＬ×ＩＬを求める。この出力は増幅器１１７、フォトカプラ１１９を介してカレントモードＰＷＭ制御回路１２１に入力される。その結果、昇圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１０３のスイッチング素子１２３のオンオフ制御をカレントモードＰＷＭ制御回路１２１で行うことにより、定電力出力が得られるようにフィードバック制御がなされる。
【０００５】
一方、図４の構成については、図３と同じ構成には同じ番号を付して説明を省略し、両者の構成上の違いについて説明する。まず、昇圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１０３の出力電圧ＶＬと出力電流ＩＬをマイコン１３１に内蔵されたＡ／Ｄコンバータでデジタル値に換算して取り込み、両者の積をマイコン１３１によって計算する。その結果をＤ／Ａコンバータ１３３でアナログ値に戻して非反転増幅器１３５を介してＰＷＭ制御スイッチング回路１３７に入力される。ＰＷＭ制御スイッチング回路１３７は図３の構成と同様にスイッチング素子１２３のオンオフ制御を行う。これによっても、図３の構成と同様に、定電力出力が得られるようにフィードバック制御がなされる。
【０００６】
以上の構成、動作で定電圧源の電力を定電力で出力する定電力ＤＣ／ＤＣコンバータを実現していた。
【特許文献１】特開２００４−２４８３４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
このような定電力ＤＣ／ＤＣコンバータは確かに定電力出力を得ることが可能であるが、ここで問題となるのは、定電力制御のために必要な電圧値と電流値の乗算精度である。すなわち、図３の構成では電圧値ＶＬと電流値ＩＬをアナログの乗算器１１５により乗算していたが、一般的な乗算器は、乗算ＶＬ×ＩＬが数学的に（１）式で示されることを利用して構成されている。
【０００８】
ＶＬ×ＩＬ＝ｅｘｐ（ｌｏｇ（ＶＬ）＋ｌｏｇ（ＩＬ））  （１）
具体的には、バイポーラトランジスタのコレクタ電流Ｉｃがベース−エミッタ間電圧Ｖｂｅの指数に比例する（Ｉｃ∝ｅｘｐ（Ｖｂｅ））性質を利用して、電圧値ＶＬの対数と電流値ＩＬの対数をそれぞれバイポーラトランジスタで求めた後、両者を加算器で足して、結果の指数をバイポーラトランジスタで得ることで乗算を行っていた。この方法では確かに乗算できるのであるが、指数や対数を取ることによる演算誤差要因が大きい上、バイポーラトランジスタの温度や劣化などによる特性変化も影響し、さらにバイポーラトランジスタのバラツキまで考慮すると、乗算結果に対する誤差が大きく、実際には±１０％程度の精度しか得られなかった。従って、図３の構成で定電力ＤＣ／ＤＣコンバータを形成すると、定電力制御の精度を確保することは困難であり、安定した定電力制御が十分にできなくなる可能性があった。
【０００９】
一方、図４の構成では、電圧値と電流値をマイコン１３１の内部で一旦デジタル変換を行っている。この時、変換ビット数によっては最小ビット以下の桁落ち等が起こり、まずデジタル値そのものに誤差が含まれる。さらに、デジタル値同士をマイコン１３１で乗算しているが、マイコン１３１の演算ビット数によっては、乗算後の最小ビット以下の桁落ちが発生する。その上、Ｄ／Ａコンバータ１３３の変換ビット数による桁落ちも同様に発生するので、これら３種の過程による誤差が積み重なるため、得られた乗算結果も大きな誤差が含まれることになる。この場合、マイコン１３１やＤ／Ａコンバータ１３３のビット数を上げれば精度は改善されるが高コストとなるため、定電力ＤＣ／ＤＣコンバータとしては適した方法ではない。なお、汎用のマイコン１３１と汎用のＤ／Ａコンバータ１３３を組み合わせて定電力制御部１０９を構成した場合も、図３の構成と同様に、定電力制御の精度は±１０％程度であった。
【００１０】
以上のことから、従来の構成では図３、図４のいずれの定電力制御部１０９を用いても、高精度に電力制御することができないという課題があった。
【００１１】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、高精度に定電力制御をすることができる定電力ＤＣ／ＤＣコンバータ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】
【００１２】
前記従来の課題を解決するために、本発明の定電力ＤＣ／ＤＣコンバータは、定電圧源の電力が入力される第１ＤＣ／ＤＣコンバータと、前記第１ＤＣ／ＤＣコンバータの出力端に接続された第２ＤＣ／ＤＣコンバータとからなり、前記第１ＤＣ／ＤＣコンバータと前記第２ＤＣ／ＤＣコンバータの内、一方は前記第１ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電流が一定になるように定電流制御を行い、他方は前記第１ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧が一定になるように定電圧制御を行うことで前記第２ＤＣ／ＤＣコンバータから定電力を出力するものである。これにより、２つのＤＣ／ＤＣコンバータによって定電流制御と定電圧制御をそれぞれ行うことができるので、２つのＤＣ／ＤＣコンバータの出力は定電力制御された状態となるが、この際に電圧値と電流値の乗算過程が含まれない。その結果、前記目的を達成することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の定電力ＤＣ／ＤＣコンバータによれば、大きな誤差要因となる乗算過程が含まれない構成となるので、高精度に定電力制御を行うことが可能な定電力ＤＣ／ＤＣコンバータを実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、ここでは例えば車両において定電圧源の電力を蓄電部に蓄えておき、大電流消費負荷の動作時における定電圧源の電圧降下を補償する補助電源用の定電力ＤＣ／ＤＣコンバータについて述べる。
【００１５】
（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態における定電力ＤＣ／ＤＣコンバータのブロック回路図である。図２は、本発明の実施の形態における定電力ＤＣ／ＤＣコンバータの各部における電流、電圧の経時変化図であり、（ａ）は第１ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電流の経時変化図を、（ｂ）は第１ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧の経時変化図を、（ｃ）は蓄電部への電流の経時変化図を、（ｄ）は蓄電部の電圧の経時変化図を、それぞれ示す。
【００１６】
図１において、バッテリからなる定電圧源１には、定電力ＤＣ／ＤＣコンバータ３を介して蓄電部５が接続されている。蓄電部５は高速充放電特性に優れる大容量の電気二重層キャパシタで構成される。従って、定電力ＤＣ／ＤＣコンバータ３は定電圧源１の電力を蓄電部５に充電する。定電力ＤＣ／ＤＣコンバータ３は以下の構成を有する。
【００１７】
定電力ＤＣ／ＤＣコンバータ３の入力端、すなわち定電圧源１側には第１ＤＣ／ＤＣコンバータ７が接続されている。ここで、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ７は降圧ＤＣ／ＤＣコンバータを用いた。第１ＤＣ／ＤＣコンバータ７の出力端には第２ＤＣ／ＤＣコンバータ９の入力端が接続される。ここで、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ９は昇圧ＤＣ／ＤＣコンバータを用いた。第２ＤＣ／ＤＣコンバータ９の出力端には蓄電部５が接続される。これにより、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ９からの定電力出力が蓄電部５に供給される。同時に、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ９の出力端には蓄電部５の電圧を検出する蓄電部電圧検出手段１１も接続されている。以上より、定電力ＤＣ／ＤＣコンバータ３は簡単には２つのＤＣ／ＤＣコンバータを直列に接続した構成となり、その出力端（蓄電部５を接続した側）に蓄電部電圧検出手段１１を接続している。
【００１８】
次に、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ７と第２ＤＣ／ＤＣコンバータ９の詳細構成について説明する。まず、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ７は、入力端にＦＥＴからなる第１スイッチング素子１３、第１チョークコイル１５、電流検出部１７が直列に接続されて第１ＤＣ／ＤＣコンバータ７の出力端に至るとともに、第１スイッチング素子１３と第１チョークコイル１５の接続点にはグランドとの間にダイオードからなる第２スイッチング素子１９が、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ７の出力端とグランドの間に平滑コンデンサ２１が、それぞれ接続された構成を有する。なお、電流検出部１７の構成は従来と同様のものを用いた。また、電流検出部１７の出力に応じて第１スイッチング素子１３をオンオフ制御するための降圧制御部２２が設けられている。
【００１９】
第２ＤＣ／ＤＣコンバータ９は、入力端に第２チョークコイル２３とダイオードからなる第３スイッチング素子２５が直列に接続されて第２ＤＣ／ＤＣコンバータ９の出力端に至るとともに、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ９の入力端とグランドの間に２個直列に接続された抵抗器２７が、第２チョークコイル２３と第３スイッチング素子２５の接続点にはグランドとの間にＦＥＴからなる第４スイッチング素子２９が、それぞれ接続された構成を有する。また、２個の抵抗器２７は従来の電圧検出部に相当し、その中点電圧（第２ＤＣ／ＤＣコンバータ９の入力端の電圧に比例）に応じて第４スイッチング素子２９をオンオフ制御するための昇圧制御部３１が設けられている。
【００２０】
次に、このような定電力ＤＣ／ＤＣコンバータ３の動作について図２を参照しながら説明する。なお、図２（ａ）〜（ｄ）において、横軸は時間ｔを示す。また、図２（ａ）の縦軸は第１ＤＣ／ＤＣコンバータ７の出力電流Ｉｄを、図２（ｂ）の縦軸は第１ＤＣ／ＤＣコンバータ７の出力電圧Ｖｄを、図２（ｃ）の縦軸は蓄電部５への電流Ｉｃを、図２（ｄ）の縦軸は蓄電部５の電圧Ｖｃを、それぞれ示す。電流Ｉｃは図１の矢印の方向（充電方向）が正と定義する。
【００２１】
まず、時間ｔ０で車両のイグニションスイッチ（図示せず）をオンにしたとする。これにより、定電力ＤＣ／ＤＣコンバータ３が起動し、定電圧源１の電力が第１ＤＣ／ＤＣコンバータ７により定電流制御されながら出力される。なお、定電流制御は、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ７の出力端近傍に設けた電流検出部１７の出力が既定の一定電流になるように降圧制御部２２でフィードバック制御することにより行われている。その結果、第１ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電流Ｉｄは図２（ａ）に示すように起動直後から一定電流値Ｉ１で安定する。
【００２２】
この動作により、平滑コンデンサ２１が充電されていくので、その電圧Ｖｄ（第１ＤＣ／ＤＣコンバータ７の出力電圧と等しい）は図２（ｂ）に示すように経時的に上昇していく。
【００２３】
ここで、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ９は入力端の電圧（＝Ｖｄ）が既定の一定電圧Ｖ１になるように昇圧制御部３１によって定電圧制御されている。なお、定電圧制御は、電圧Ｖｄを２個の抵抗器２７の中点電圧として検出し、この電圧値（電圧Ｖｄに比例）が既定の一定電圧になるように昇圧制御部３１でフィードバック制御することにより行われている。
【００２４】
従って、時間ｔ１までは平滑コンデンサ２１が充電されていくので電圧Ｖｄは上昇していくが、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ９の既定電圧Ｖ１になると、その電圧を維持するように動作する。従って、時間ｔ１以降は第１ＤＣ／ＤＣコンバータ７の出力端の電圧ＶｄはＶ１のまま一定となる。
【００２５】
このような動作から、時間ｔ０〜ｔ１では図２（ｂ）より定電圧制御がまだ行われていないので、定電力ＤＣ／ＤＣコンバータ３からは定電流が出力される。従って、図２（ｃ）に示すように蓄電部５には定電力ＤＣ／ＤＣコンバータ３から電流Ｉｃが定電流で供給されるので、定電流充電が行われる。その結果、図２（ｄ）に示すように蓄電部５の電圧Ｖｃは起動時の低い状態から充電とともに徐々に上昇していく。
【００２６】
時間ｔ１を越えると、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ７はその出力電流が一定になるように定電流制御を、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ９は第１ＤＣ／ＤＣコンバータ７の出力電圧が一定になるように定電圧制御を行っているので、定電力ＤＣ／ＤＣコンバータ３の出力は両者を乗算した値での定電力出力となる。この出力は従来のように実際に乗算を行う過程がないため、極めて高精度となる。実際には、本実施の形態による定電力制御の精度は約±５％であったので、従来に比べ誤差を半減することができ、高精度化が可能なことを確認した。
【００２７】
この定電力出力により、蓄電部５の電圧Ｖｃは図２（ｄ）に示すように充電とともに大きくなるが、それに伴って、電力を一定にするために蓄電部５への電流Ｉｃは図２（ｃ）に示すように充電とともに下がっていく。
【００２８】
次に、充電が進行して、時間ｔ２において満充電になったとする。満充電の検出は蓄電部電圧検出手段１１が行っている。蓄電部電圧検出手段１１は蓄電部５の電圧Ｖｃを常に検出しており、電圧Ｖｃが既定の満充電電圧であることを検出すると、降圧制御部２２と昇圧制御部３１に動作を停止する信号を送信する。これを受け、降圧制御部２２と昇圧制御部３１は動作を停止するので、これ以上充電回路３から電流が供給されることはなくなる。その結果、図２（ｃ）に示すように蓄電部５への電流Ｉｃは０になる。一方、蓄電部５は満充電になっているので、図２（ｄ）に示すように蓄電部５の電圧Ｖｃは満充電電圧を維持する。なお、降圧制御部２２と昇圧制御部３１により、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ７と第２ＤＣ／ＤＣコンバータ９がそれぞれ動作を停止するので、図２（ａ）に示すように第１ＤＣ／ＤＣコンバータ７の出力電流Ｉｄは０になる。また、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ７の出力電圧Ｖｄは平滑コンデンサ２１により、図２（ｂ）に示すように定電圧Ｖ１を維持する。
【００２９】
以上の構成、動作により、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ７と第２ＤＣ／ＤＣコンバータ９で両者の接続点における定電流制御と定電圧制御を行って定電力ＤＣ／ＤＣコンバータ３の出力を定電力制御するので、電圧値と電流値を乗算する過程がなくなり、極めて高精度に定電力出力を得ることができる定電力ＤＣ／ＤＣコンバータを実現できた。
【００３０】
なお、本実施の形態では第１ＤＣ／ＤＣコンバータ７で定電流制御を行い、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ９で定電圧制御を行ったが、この構成に限定されるものではなく、いずれか一方は第１ＤＣ／ＤＣコンバータ７の出力電流が一定になるように定電流制御を行い、他方は第１ＤＣ／ＤＣコンバータ７の出力電圧が一定になるように定電圧制御を行えばよい。
【００３１】
また、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ７を降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ構成とし、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ９を昇圧ＤＣ／ＤＣコンバータ構成としているが、これもこの構成に限定されるものではなく、降圧ＤＣ／ＤＣコンバータと昇圧ＤＣ／ＤＣコンバータが逆に接続されてもよいし、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ７と第２ＤＣ／ＤＣコンバータ９の両方が昇圧ＤＣ／ＤＣコンバータ、または降圧ＤＣ／ＤＣコンバータであってもよい。すなわち、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ７と第２ＤＣ／ＤＣコンバータ９は、昇圧ＤＣ／ＤＣコンバータと降圧ＤＣ／ＤＣコンバータをどのように組み合わせても同様の効果が得られる。
【００３２】
但し、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ７を降圧ＤＣ／ＤＣコンバータとすれば、その出力電圧Ｖｄは定電圧源１の電圧Ｖｂより小さくなるように動作するので、起動時に蓄電部５が放電状態で電圧Ｖｃが低い場合、電圧Ｖｄとの電圧差を小さくでき、突入電流を抑制することが可能となる。これにより、定電力ＤＣ／ＤＣコンバータ３の特に半導体部品が破壊する可能性を低減することができ、高精度な定電圧制御に加えて高信頼性を有する定電力ＤＣ／ＤＣコンバータとすることができる。
【００３３】
なお、本実施の形態では、蓄電部５に電気二重層キャパシタを用いた例を示したが、これは電気化学キャパシタ等の他のキャパシタや二次電池でもよい。さらに、車両用の定電力ＤＣ／ＤＣコンバータの場合について述べたが、それ以外に、従来のように放電灯の安定点灯のための定電力ＤＣ／ＤＣコンバータにも適用できる。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明にかかる定電力ＤＣ／ＤＣコンバータは電圧値と電流値の乗算過程がなく、高精度に定電力制御ができるので、定電圧源の電力を定電力で出力する電源装置等として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の実施の形態における定電力ＤＣ／ＤＣコンバータのブロック回路図
【図２】本発明の実施の形態における定電力ＤＣ／ＤＣコンバータの各部における電流、電圧の経時変化図であり、（ａ）第１ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電流の経時変化図、（ｂ）第１ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧の経時変化図、（ｃ）蓄電部への電流の経時変化図、（ｄ）蓄電部の電圧の経時変化図
【図３】従来のアナログ式の定電力ＤＣ／ＤＣコンバータのブロック回路図
【図４】従来のデジタル式の定電力ＤＣ／ＤＣコンバータのブロック回路図
【符号の説明】
【００３６】
１  定電圧源
３  定電力ＤＣ／ＤＣコンバータ
７  第１ＤＣ／ＤＣコンバータ
９  第２ＤＣ／ＤＣコンバータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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