(57)【要約】【課題】本発明は、電力制御性能の向上と、高速追従を図ることにより、電源装置の利用効率向上ができるスイッチング電源装置を提供する。【解決手段】半導体スイッチＱ１のスイッチングにより、直流出力を得て、負荷に電力を供給するスイッチング電源装置において、該スイッチング電源装置の半導体スイッチＱ１のオン、オフを行う場合に、周波数固定のＰＷＭ制御とオン幅固定のＰＦＭ制御を組み合わせて、電力制御をするように構成してあることを特徴とするスイッチング電源装置。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体スイッチのスイッチングにより、直流出力を得て、負荷に電力を供給するスイッチング電源装置において、該スイッチング電源装置の該半導体スイッチのオン、オフを行う場合に、周波数固定のＰＷＭ制御とオン幅固定のＰＦＭ制御を組み合わせて、電力制御をするように構成してあることを特徴とするスイッチング電源装置。
【請求項２】
前記周波数の情報、及び、前記オン幅の情報をメモリに格納し、これら情報を参照して、電力制御をするように構成してあることを特徴とする請求項１記載のスイッチング電源装置。
【請求項３】
前記メモリに格納された情報を、計算により最適化するようにしてあることを特徴とする請求項２記載のスイッチング電源装置。
【請求項４】
時比率が大きい部分において、オン幅を変化させた場合と周波数を変化させた場合の時比率を計算して、電力制御をするように構成してあることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のスイッチング電源装置。
【請求項５】
前記時比率を降順に並べ、該時比率が小さい部分では、直線性が保たれるように、大きい部分では時比率の刻みを小さくしてテーブルを作成して、電力制御をするように構成してあることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のスイッチング電源装置。
【請求項６】
前記スイッチング電源装置に、クリーンエネルギーを入力し、前記半導体スイッチのスイッチングにより、直流出力を得るようにしてある請求項１乃至５のいずれかに記載のスイッチング電源装置。
【請求項７】
前記クリーンエネルギーに太陽電池を用いていることを特徴とする請求項６記載のスイッチング電源装置。
【請求項８】
前記クリーンエネルギーに燃料電池を用いていることを特徴とする請求項６記載のスイッチング電源装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、所定の直流電圧を所望の直流電圧に変換する、スイッチング電源装置の制御方式に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のスイッチング電源装置を図４に示す。このスイッチング電源装置は制御回路１０を備え、この制御装置１０はＡＮＤゲートＩＣ１，ＩＣ２、コンパレータＩＣ３，ＩＣ４，ＩＣ５、及び誤差増幅器ＩＣ６，ＩＣ７を備えてある。出力信号を誤差増幅器ＩＣ６，ＩＣ７に入力するように構成し、一方の誤差増幅器ＩＣ６で出力電圧信号と基準電圧ＶＲＥＦとを比較増幅し、他方の誤差増幅器ＩＣ７で出力電流信号と基準電流ＩＲＥＦとを比較増幅するように構成してある。これら誤差増幅器ＩＣ６，ＩＣ７はそれぞれコンパレータＩＣ３，ＩＣ４の検出端子に接続してある。一方、これらコンパレータＩＣ３，ＩＣ４の基準端子には三角波発生器Ｐ１を接続してある。
【０００３】
もう１つのコンパレータＩＣ５の検出端子には三角波発生器Ｐ１を接続してあるとともに、このコンパレータＩＣ５の基準端子にはＤ／Ａコンバータを接続してある。また、コンパレータＩＣ３，ＩＣ４の出力にはＡＮＤゲートＩＣ２の入力に接続し、このＡＮＤゲートＩＣ２の出力及び前記コンパレータＩＣ５の出力をＡＮＤゲートＩＣ１の入力に接続してある。さらに、このＡＮＤゲートＩＣ１の出力をドライブ回路Ｂ１に接続し、このドライブ回路Ｂ１の出力をＭＯＳＦＥＴで構成した半導体スイッチＱ１のゲート端子に接続してある（特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平８−２０５５２２号公報（第２−３頁、第１０図）
【０００５】
この実施例で示すように、スイッチング素子の時比率を変化させて制御を行う場合、周波数固定のＰＷＭ制御が用いられてきた。周波数の決定をカウンタもしくはタイマにより周期を生成して行う方法では、該カウンタもしくはタイマの分解能が、すなわちパルス幅の分解能と等しくなる。たとえば、７５ｋＨｚの周波数の周期は１３μｓであり、カウンタまたはタイマのクロックを１０ＭＨｚ（周期１００ｎｓ）とした場合、パルス幅の分解能は１３０である。また、周波数制御におけるＯＮ幅の決定を、カウンタもしくはタイマにより周期を生成して行う方法では、図２に示すように７５ｋＨｚから３０ｋＨｚ（周期３３μｓ）の範囲では、３３μｓで考慮でき、パルス幅の分解能は３３０に向上する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記で示す従来のスイッチング電源装置では、図２、図３に示すように、実動作で必要な時比率（たとえば図３の規格入力３５０Ｖ以下）が大きい部分での分解能は向上しておらず、１ｄｉｇｉｔ変化させると電力の変化（電圧が一定とすれば電流の変化）が極端に大きく安定性にかけるという問題があった。
【０００７】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、電力制御性能の向上と、高速追従を図ることにより、電源装置の利用効率向上ができるスイッチング電源装置を提供する。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明のスイッチング電源装置は、半導体スイッチのスイッチングにより、直流出力を得て、負荷に電力を供給するスイッチング電源装置において、該スイッチング電源装置の該半導体スイッチのオン、オフを行う場合に、スイッチングの周期とオフ幅をタイマもしくはカウンタにより計数し、ドライブ回路Ｂ１へのスイッチング信号を決定して電力制御する。すなわち、周波数固定のＰＷＭ制御とオン幅固定のＰＦＭ制御を組み合わせて、電力制御をするように構成してあることにより、Ｄ／Ａコンバータを使用しないため、安価なシステムを提供することができる。
【０００９】
また、時比率が大きい部分で、オン幅を変化させた場合と周波数を変化させた場合の時比率を計算して、電力制御をするように構成してあることにより、電力制御性能を向上させ、高速追従を図り、電源装置の利用効率を向上させることができる。
【００１０】
また、該時比率が小さい部分では、直線性が保たれるようテーブルを作成して、電力制御することにより、電力制御性能を向上させ、高速追従を図り、電源装置の利用効率を向上させることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を用いて本発明スイッチング電源装置に係る実施例を説明する。図１は本発明に係るスイッチング電源装置である。このスイッチング電源装置は、太陽電池ＳＯＬを電源とし、この電源ＳＯＬとＭＯＳＦＥＴからなる半導体スイッチＱ１の直列回路をトランスＴ１の一次巻線Ｎｐに接続してある。なお、電源ＳＯＬは太陽電池に限定する必要はなく、燃料電池その他の電源であってもよい。
【００１２】
太陽電池ＳＯＬの一端に直列に電流検出抵抗Ｒ２を接続してある。この電流検出抵抗Ｒ２は入力電流を検出し、後述する制御回路１０に設けたＡ／ＤコンバータＩＣ１０に入力電流信号を送信するようにしてある。太陽電池ＳＯＬの他端も制御回路１０に接続してあり、前記Ａ／ＤコンバータＩＣ１０とは別のＡ／ＤコンバータＩＣ１１に入力電圧信号を送信するようにしてある。なお、太陽電池ＳＯＬと各Ａ／ＤコンバータＩＣ１０，ＩＣ１１間に接続してあるＢ２，Ｂ３はレベルシフト回路である。半導体スイッチＱ１とトランスＴ１の一次巻線Ｎｐとの直列回路と並列にキャパシタンスＣ１を接続してある。
【００１３】
トランスＴ１の二次巻線Ｎｓの一端に整流ダイオードＤ１のアノードを接続し、この整流ダイオードＤ１のカソードにインダクタンスＬ１を接続してある。また、トランスＴ１の二次巻線Ｎｓと並列に転流ダイオードＤ２を接続し、この転流ダイオードＤ２のアノードをインダクタンスＬ１の一端に接続し、他端をトランスＴ１の二次巻線Ｎｓの他端に接続してある。また、負荷抵抗Ｒと並列にキャパシタンスＣ２を接続してある。負荷抵抗Ｒの一端と直列に電流検出抵抗Ｒ１を接続してある。この電流検出抵抗Ｒ１は出力電流を検出し、後述する制御回路１０に出力電流信号を送信するようにしてある。また、負荷抵抗Ｒの他端も制御回路１０に接続し、制御回路１０に出力電圧信号を送信するようにしてある。
【００１４】
このスイッチング電源装置の出力側に制御回路１０を接続してある。この制御装置１０はＡＮＤゲートＩＣ１，ＩＣ２，ＩＣ１５、コンパレータＩＣ３，ＩＣ４、及び誤差増幅器ＩＣ６，ＩＣ７を備えてある。誤差増幅器ＩＣ６は出力電圧信号を一方の端子で検出し、他方の端子で基準電圧ＶＲＥＦを検出して比較増幅するように構成してある。他方の誤差増幅器ＩＣ７は出力電流信号を一方の端子で検出し、他方の端子で基準電流ＩＲＥＦを検出して比較増幅するように構成してある。なお、スイッチング電源装置の二次側と各誤差増幅器ＩＣ６，ＩＣ７間にそれぞれレベルシフト回路Ｂ５，Ｂ４を接続してある。これら誤差増幅器ＩＣ６，ＩＣ７はそれぞれコンパレータＩＣ３，ＩＣ４の検出端子に接続してある。一方、これらコンパレータＩＣ３，ＩＣ４の基準端子にはカウンタＩＣ１４を接続してある。このカウンタＩＣ１４は周波数を決定するタイミング信号を出力する。
【００１５】
カウンタＩＣ１４の出力端子は、ＡＮＤゲートＩＣ１５に接続してある。このＡＮＤゲートＩＣ１５のもう一方の端子には別のカウンタＩＣ１３を接続してある。このカウンタＩＣ１３はオン幅を決定するタイミング信号を出力する。これらカウンタＩＣ１３，ＩＣ１４はメモリＩＣ１２及びＣＰＵに接続し、ＣＰＵでカウンタＩＣ１３，ＩＣ１４で出力する信号を制御し、周波数及びオン幅の情報をメモリＩＣ１２に格納し、これら情報を参照して、計算により最適化するするようにしてある。
【００１６】
コンパレータＩＣ３，ＩＣ４の出力にはＡＮＤゲートＩＣ２の入力に接続し、このＡＮＤゲートＩＣ２の出力及び前記ＡＮＤゲートＩＣ１５の出力をＡＮＤゲートＩＣ１の入力に接続してある。さらに、このＡＮＤゲートＩＣ１の出力をドライブ回路Ｂ１に接続し、このドライブ回路Ｂ１の出力をＭＯＳＦＥＴで構成した半導体スイッチＱ１のゲート端子に接続してある。
【００１７】
以上のように構成されたスイッチング電源装置は以下のように作用する。先ず、定常状態における出力電圧Ｖ０、出力電流Ｉ０は以下の通りになる。
Ｖ０＝ｔＯＮ×ｆ×（ＮＳ／ＮＰ）×ＶＰ−ＩＯ・ｒ−２×ＶＦ（Ｄ１，Ｄ３）    …（１）
Ｉ０＝［ｔＯＮ×ｆ×（ＮＳ／ＮＰ）×ＶＰ−ＶＯ−２×ＶＦ（Ｄ１，Ｄ３） ］／ｒ  …（２）
（１）式を簡略化すると、以下の通りになる。
Ｖ０＝ｔＯＮ×ｆ×（ＮＳ／ＮＰ）×ＶＰ                    …（１’）
なお、ｔＯＮは半導体スイッチＱ１のオン時間、ｆは半導体スイッチＱ１のスイッチング周波数、ＮＳはトランスＴ１の一次側巻数、ＮＰはトランスＴ１の二次側巻数、ＶＰはトランスＴ１の一次側巻数、ｒは二次側内部抵抗、ＶＦはダイオードＤ１，Ｄ２の順方向電圧である。
二次側に設けたインダクタンスＬ１がカットオフした状態における出力電圧Ｖ０、出力電流Ｉ０は以下の通りになる。
Ｖ０＝（ＶＳ２×ｔＯＮ２）／（２×Ｔ×Ｌ１×ＩＯ＋ＶＳ×ｔＯＮ２）      …（３）
Ｉ０＝［（ＶＳ２×ｔＯＮ２）／（２×Ｔ×Ｌ１）］（ＶＳ／Ｖ０−１）      …（４）
なお、Ｌ１はインダクタンスである。
連系状態において、Ｖ０は一定値になる。（１’）＝（３）とした時の出力電流は以下の通りになる。
Ｉ０（ＣＵＴ）＝（ＶＳ×ｔＯＮ／２×Ｌ１）／（１−ｔＯＮ／Ｔ）            …（５）
従って、電流が小さい時は（２）式に従い、Ｉ０（ＣＵＴ）を境に（４）に従う。
【００１８】
上記式（５）により、周波数制御による静特性が図２に示す通りになる。図２に示す通り、時比率がある値以上になると１ｄｉｇｉｔ変化させた時の時比率が大きくなる。そのことが、電力の変化（電圧が一定とすれば電流の変化）が極端に大きくなることにつながる。これに対応するため、本発明に係るスイッチング電源装置は、実動作で必要な時比率（たとえば図３の規格入力３５０Ｖ以下）が大きい部分での分解能を向上させるために、以下のような作用をする。
【００１９】
スイッチング電源装置の出力端で検出された出力電圧はレベルシフト回路Ｂ５を介して出力電圧信号として誤差増幅器ＩＣ６の検出端子に入力し、この誤差増幅器ＩＣ６の基準端子で基準電圧ＶＲＥＦを検出して比較増幅する。同様にスイッチング電源装置の出力電流を電流検出抵抗Ｒ１で検出し、レベルシフト回路Ｂ４を介して、出力電流信号を誤差増幅器ＩＣ７の検出端子に入力し、この誤差増幅器ＩＣ７の基準端子で基準電流ＩＲＥＦを検出して比較増幅する。
【００２０】
誤差増幅器ＩＣ６で比較増幅し、出力電圧信号が基準電圧ＶＲＥＦを下回る場合にのみ、出力電圧信号をコンパレータＩＣ３の検出端子に入力する。同様に誤差増幅器ＩＣ７で比較増幅し、出力電流信号が基準電流ＩＲＥＦを下回る場合にのみ、出力電流信号がコンパレータＩＣ４の検出端子に入力される。一方、周波数の情報が格納されているメモリＩＣ１２から参照して、カウンタＩＣ１４より周波数を決定するタイミング信号を出力する。このカウンタＩＣ１４より発振された周波数タイミング信号はコンパレータＩＣ３，ＩＣ４の基準端子に送信される。電圧信号と周波数タイミング信号とをコンパレータＩＣ３とで比較して、このコンパレータＩＣ３でパルスを出力する。同様に電流信号と周波数固定信号とをコンパレータＩＣ４とで比較して、このコンパレータＩＣ４でパルスを出力する。
【００２１】
コンパレータＩＣ３で出力されたパルスとＰＷＭ制御された周波数タイミング信号とがともにハイ信号を出力し、同様にコンパレータＩＣ４で出力されたパルスとＰＷＭ制御された周波数タイミング信号がともにハイ信号を出力すると、ＡＮＤゲートＩＣ１にハイ信号が入力される。
【００２２】
周波数タイミング信号はＡＮＤゲートＩＣ１５にも送信される。このＡＮＤゲートＩＣ１５にはメモリＩＣ１２に格納されたオン幅の情報を参照して、カウンタＩＣ１３からＰＦＭ制御されたオン幅タイミング信号が送信される。周波数タイミング信号及びオン幅タイミング信号がともにハイ信号を出力したとき、ＡＮＤゲートＩＣ１５はハイ信号を出力し、ＡＮＤゲートＩＣ１にハイ信号が入力される。また、ＡＮＤゲートＩＣ１の両端子にともにハイ信号が入力されると、ＡＮＤゲートＩＣ１の出力パルスはドライブ回路Ｂ１を作用し、半導体スイッチＱ１もオン・オフの作用をする。
【００２３】
上記のような作用により、周波数およびオン幅をそれぞれ可変でき、最適にテーブル化することで、１ｄｉｇｉｔ変化させた時の電流の変化を小さくすることができる。これにより、電力制御性能を向上させ、高速追従を図り、電源装置の利用効率を向上させることができる。
【００２４】
一方、時比率が小さい部分では、図３に示すように、電流の変化は比較的小さいため、分解能を極端に向上させる必要はなくなる。従って、この部分では、時比率を降順に並べ、直線性が保たれるようメモリＩＣ１２にテーブルを作成し、テーブルの情報をＣＰＵ９で読み出しカウンタ１３、１４に出力する。また、テーブルの読み出しは、Ａ／ＤコンバータＩＣ１０、ＩＣ１１の入力電流、電圧情報をＣＰＵ  ＩＣ９により掛け算して入力電力を算出し、入力電力が増加する方向にテーブルの参照方向を決定する。
以上より、図２で示すように、時比率が小さい部分では、緩やかに向上する。
【００２５】
【発明の効果】
本発明のスイッチング電源装置は、半導体スイッチのスイッチングにより、直流出力を得て、負荷に電力を供給するスイッチング電源装置において、該スイッチング電源装置の該半導体スイッチのオン、オフを行う場合に、周波数固定のＰＷＭ制御とオン幅固定のＰＦＭ制御を組み合わせて、電力制御をするように構成してあることにより、Ｄ／Ａコンバータを使用しないため、安価なシステムを提供することができる効果がある。
【００２６】
また、時比率が大きい部分で、オン幅を変化させた場合と周波数を変化させた場合の時比率を計算して、電力制御をするように構成してあることにより、電力制御性能を向上させ、高速追従を図り、電源装置の利用効率を向上させることができる効果がある。
【００２７】
また、該時比率が小さい部分では、直線性が保たれるようテーブルを作成して、電力制御することにより、電力制御性能を向上させ、高速追従を図り、電源装置の利用効率を向上させることができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るスイッチング電源装置の一実施例を示す回路図である。
【図２】時比率と分解能特性との関係を示す波形図である。
【図３】周波数制御による静特性を示す波形図である。
【図４】スイッチング電源装置の従来例を示す回路図である。
【符号の説明】
ＳＯＬ  電源
Ｑ１  半導体スイッチ
Ｔ１  トランス
Ｎｐ  トランスＴ１の一次巻線
Ｎｓ  トランスＴ１の二次巻線
Ｄ１  整流ダイオード
Ｄ２  転流ダイオード
Ｌ１  インダクタンス
Ｃ１，Ｃ２  キャパシタンス
Ｒ  負荷抵抗
Ｒ１，Ｒ２  電流検出抵抗
１０  制御回路
ＩＣ１，ＩＣ２，ＩＣ１５  ＡＮＤゲート
ＩＣ３，ＩＣ４  コンパレータ
ＩＣ６，ＩＣ７  誤差増幅器
ＩＣ１０，ＩＣ１１  Ａ／Ｄコンバータ
ＩＣ１２  メモリ
ＩＣ１３，ＩＣ１４  カウンタ
ＶＲＥＦ  基準電圧
ＩＲＥＦ  基準電流
Ｐ１  三角波発生器
Ｂ１  ドライブ回路
Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４，Ｂ５  レベルシフト回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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