JP2012029465A - 電圧変換装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】電圧変換回路を複数備え、出力電流が変化した場合でも効率の低下を防止することができる電圧変換装置を提供する。
【解決手段】各電圧変換回路10の出力電流の合計値を検出する電流検出部42と、検出した合計値に応じて、各電圧変換回路10のうち動作をさせる電圧変換回路10の数を変更する変更部31と、変更した結果、動作をさせる電圧変換回路10の出力の位相を制御する位相制御部35などを備える。変更部31は、例えば、負荷が軽くなり、出力電流の合計値(負荷電流)が減少した場合に、出力電流の合計値に応じて、動作をさせる電圧変換回路10の数を変更する。
【選択図】図1
【解決手段】各電圧変換回路10の出力電流の合計値を検出する電流検出部42と、検出した合計値に応じて、各電圧変換回路10のうち動作をさせる電圧変換回路10の数を変更する変更部31と、変更した結果、動作をさせる電圧変換回路10の出力の位相を制御する位相制御部35などを備える。変更部31は、例えば、負荷が軽くなり、出力電流の合計値(負荷電流)が減少した場合に、出力電流の合計値に応じて、動作をさせる電圧変換回路10の数を変更する。
【選択図】図1
Description
本発明は、コイルに流れる電流をスイッチングして電圧を変換する電圧変換回路を複数備え、各電圧変換回路の出力の位相を制御する電圧変換装置に関する。
直流電圧を昇圧又は降圧して所望の直流電圧に変換するDC/DCコンバータ(電圧変換回路)が様々な分野で使用されている。このようなDC/DCコンバータは、コイルに流れる電流をスイッチングすることにより所要の電圧に変換する。また、特に、出力電流能力が大きく、また装置の小型化が図れるという利点から、複数のDC/DCコンバータを並列に接続し、それぞれのDC/DCコンバータの出力の位相を制御するマルチフェーズ電圧変換装置(電圧変換装置)も利用されている。
例えば、多段電力変換ユニットをお互いに同一定格とし、要求される電流定格に応じて多段電力変換ユニットの個数を設定することにより、種々の電力定格に応じたものを短い製作期間でかつ低コストで実現可能とするDC/DC電力変換装置が開示されている(特許文献1参照)。
しかしながら、特許文献1の装置にあっては、種々の電力定格に応じたDC/DC電力変換装置を実現することができるものの、実際にDC/DC電力変換装置を稼働させた場合には、常に定格電流で使用されるとは限らず、負荷の軽重が生ずる。例えば、負荷が軽くなりDC/DCコンバータの出力電流が少なくなった場合、コイルに流れる電流も少なくなるとともに、コイルに流れる電流の休止期間が生じることとなり、DC/DCコンバータの効率が低下するという問題がある。
本発明は、斯かる事情に鑑みてなされたものであり、電圧変換回路を複数備え、出力電流が変化した場合でも効率の低下を防止することができる電圧変換装置を提供することを目的とする。
第1発明に係る電圧変換装置は、コイルに流れる電流をスイッチングして電圧を変換する電圧変換回路を複数備え、各電圧変換回路の出力の位相を制御する電圧変換装置において、前記電圧変換回路の出力電流の合計値を検出する電流検出部と、該電流検出部で検出した合計値に応じて、前記電圧変換回路のうち動作をさせる電圧変換回路の数を変更する変更部と、該変更部で変更した結果、動作をさせる電圧変換回路の出力の位相を制御する制御部とを備えることを特徴とする。
第2発明に係る電圧変換装置は、第1発明において、各電圧変換回路が有するコイルのインダクタンス値を記憶する記憶部と、前記変更部で動作をさせる電圧変換回路の数を変更する場合、記憶部に記憶したインダクタンス値に応じて動作をさせる電圧変換回路を選択する選択部とを備えることを特徴とする。
第3発明に係る電圧変換装置は、第2発明において、前記選択部は、前記電流検出部で検出した合計値の多/少に応じて、インダクタンス値が小/大である電圧変換回路を選択するように構成してあることを特徴とする。
第4発明に係る電圧変換装置は、第1発明乃至第3発明のいずれか1つにおいて、前記変更部で変更した結果、一の電圧変換回路のみ動作をさせる場合、前記電流検出部で検出した合計値に応じて、前記一の電圧変換回路の出力周波数を変更する周波数変更部を備えることを特徴とする。
第1発明にあっては、各電圧変換回路の出力電流の合計値を検出する電流検出部と、検出した合計値に応じて、各電圧変換回路のうち動作をさせる電圧変換回路の数を変更する変更部と、変更した結果、動作をさせる電圧変換回路の出力の位相を制御する制御部とを備える。例えば、負荷が軽くなり、出力電流の合計値(負荷電流)が減少した場合に、仮にすべての電圧変換回路を動作させたときは、電圧変換回路毎の出力電流が少なくなり、各電圧変換回路の効率が低下する。そこで、出力電流の合計値に応じて、動作をさせる電圧変換回路の数を変更する。例えば、出力電流の合計値が減少するに応じて、動作をさせる電圧変換回路の数を減らす。これにより、負荷が軽くなった場合でも、それぞれの電圧変換回路の出力電流が減少しないようにして効率の低下を防止することができる。
第2発明にあっては、各電圧変換回路が有するコイルのインダクタンス値を記憶する記憶部と、動作をさせる電圧変換回路の数を変更する場合、記憶部に記憶したインダクタンス値に応じて動作をさせる電圧変換回路を選択する選択部とを備える。例えば、すべての電圧変換回路が同じインダクタンス値のコイルを使用している場合には、動作をさせる電圧変換回路の数を一旦変更すれば、いずれの電圧変換回路を動作させても効率は変わらない。しかし、各電圧変換回路で使用するコイルのインダクタンス値が異なる場合には、各電圧変換回路のインダクタンス値に応じて、動作をさせる電圧変換回路を選択して、最も効率のよい状態にすることができる。
第3発明にあっては、選択部は、検出した合計値の多/少に応じて、インダクタンス値が小/大である電圧変換回路を選択する。例えば、出力電流の合計値が減少した場合において、動作をさせる電圧変換回路の数を少なくする必要があるときに、出力電流の合計値の減少分が少ない場合(合計値が多い場合)、コイルの巻線抵抗値が小さくインダクタンス値が小さい電圧変換回路を、動作をさせる電圧変換回路として選択する。また、出力電流の合計値の減少分が多い場合(合計値が少ない場合)、コイルに蓄えるエネルギーを大きくしてコイルに流れる電流の休止期間が発生しないようにすべく、インダクタンス値が大きい電圧変換回路を、動作をさせる電圧変換回路として選択する。これにより、負荷の変動に応じて、動作をさせる電圧変換回路の数を変更した場合でも、変更した数の中で最適な電圧変換回路の組み合わせを選択することができ、効率の低下を一層防止することができる。
第4発明にあっては、変更部で変更した結果、一の電圧変換回路のみ動作をさせる場合、検出した出力電流の合計値に応じて、一の電圧変換回路の出力周波数を変更する周波数変更部を備える。負荷がさらに軽くなり、動作をさせる電圧変換回路が1つで足りる場合に、さらに出力電流が少なくなったときは、出力電流の最小デューティ値において出力電流(出力電圧)の制御ができなくなる事態を回避すべく、出力電流の周波数を変更する(例えば、周波数を下げる)。これにより、見かけのデューティ値を小さくして出力電流(出力電圧)の制御を可能とすることができる。
本発明によれば、各電圧変換回路の出力電流の合計値を検出する電流検出部と、検出した合計値に応じて、各電圧変換回路のうち動作をさせる電圧変換回路の数を変更する変更部と、変更の結果、動作をさせる電圧変換回路の出力の位相を制御する制御部とを備えることにより、例えば、出力電流の合計値が減少するに応じて、動作をさせる電圧変換回路の数を減らすことができる。これにより、負荷が軽くなった場合でも、それぞれの電圧変換回路の出力電流が減少しないようにして効率の低下を防止することができる。
以下、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて説明する。図1は本実施の形態の電圧変換装置100の構成の一例を示すブロック図である。電圧変換装置100は、複数の並列に接続された電圧変換回路(例えば、DC/DCコンバータ)10、制御部30、切替部41、各電圧変換回路10の出力電流の合計値(負荷50に流れる負荷電流)を検出する電流検出部42などを備える。
また、制御部30は、動作をさせる電圧変換回路10の数を変更する変更部31、変更部31で変更した数の中でいずれの電圧変換回路10を動作させるかを選択する選択部32、各電圧変換回路10が有するコイルのインダクタンス値を記憶する記憶部33、電圧変換回路10の出力電流(出力電圧)の周波数を変更する周波数変更部34、電圧変換回路10の出力の位相を制御する制御部としての位相制御部35、出力電圧検出部36などを備える。
図2は本実施の形態の電圧変換回路10の構成の一例を示す回路図である。電圧変換回路10は、コンデンサ11、15、FET12、コイル13、ダイオード14などを備える。電圧変換回路10は、いわゆる降圧回路であるが、これに限定されるものではなく昇圧回路であってもよい。
図2に示すように、電圧変換回路10は、入出力間にFET12とコイル13の直列回路を設けてある。すなわち、FET12のドレインが入力端に接続され、FET12のソースがコイル13の一端に接続され、コイル13の他端は出力端に接続されている。FET12のソースには、ダイオード14のカソードを接続してある。
電圧変換回路10は、コイル13に流れる電流をスイッチングすることにより、所望の出力電圧(出力電流)を出力することができる。すなわち、FET12がオンした場合、入力端からコイル13を通じて出力端へ電流が流れる。このときに、コイル13にエネルギーを蓄積する。次に、FET12がオフとなった場合、コイル13に蓄積したエネルギーにより、ダイオード14を通じて出力端へ電流が流れる。つまり、FET12がオンした場合、コイル13に流れる電流は増加しはじめ、FET12がオフした場合、コイル13に流れる電流は減少しはじめる。
図3は電圧変換回路10のコイル13に流れる電流の一例を示す模式図である。図3に示すように、電圧変換回路10の出力電流が、例えば定格時のような通常状態である場合、コイル13に流れる電流は、FET12のオンのときに増加し、オフのときに減少するものの、コイル13には十分なエネルギーが蓄積されているので、コイル13に電流が流れない期間(休止期間)はない。
電流検出部42は、各電圧変換回路10の出力電流の合計値(負荷電流)を検出し、検出した合計値を制御部30へ出力する。
変更部31は、電流検出部42で検出した合計値に応じて、各電圧変換回路10のうち動作をさせる電圧変換回路10の数を変更する。すなわち、変更部31は、電流検出部42で検出した合計値に応じて、動作を停止する電圧変換回路10の数を変更する。例えば、負荷が軽くなり、出力電流の合計値が減少した場合に、仮にすべての電圧変換回路10を動作させたときは、電圧変換回路10毎の出力電流が少なくなり、各電圧変換回路10の効率が低下する。そこで、出力電流の合計値に応じて、動作をさせる電圧変換回路10の数を変更する。例えば、出力電流の合計値が減少するに応じて、動作をさせる電圧変換回路10の数を減らす。
図4は比較例としての従来の電圧変換回路のコイルに流れる電流の一例を示す模式図である。図4の例は、従来の電圧変換回路において、負荷が軽くなり出力電流が減少した場合を示し、本実施の形態に対する比較例として示すものである。出力電流が減少した場合には、コイルに電流が流れない期間(休止期間)が発生し、コイルに蓄積されるエネルギーが小さくなる。このため、電圧変換回路の効率は低下する。
図5は電圧変換回路の効率特性の一例を示す説明図である。図5に示すように、コイルに流れる電流が少なくなり休止期間が発生している場合は、出力電流が少なくなるに応じて電圧変換回路の効率は低下する。
図6は電圧変換回路10の動作個数と出力電流の合計値との関係の一例を示す説明図である。図6において、横軸は各電圧変換回路10の出力電流の合計値を示し、縦軸は動作をさせる電圧変換回路10の個数を示す。例えば、電圧変換装置100が、6個の電圧変換回路10を備えるとする。出力電流の合計値が電流閾値Ith5以上であれば、電圧変換回路10の動作個数を6個のまま維持する。出力電流の合計値が電流閾値Ith4〜Ith5の範囲になった場合には、1個の電圧変換回路10の動作を停止させて、5個の電圧変換回路10を動作させることにより、各電圧変換回路10の出力電流の低下を抑制する。また、出力電流の合計値が電流閾値Ith3〜Ith4の範囲になった場合には、2個の電圧変換回路10の動作を停止させて、4個の電圧変換回路10を動作させることにより、各電圧変換回路10の出力電流の低下を抑制する。以下、同様である。
図7は本実施の形態の電圧変換装置100の出力特性の一例を示す説明図である。図7において、横軸は電圧変換回路10の動作個数を示し、縦軸は電圧変換回路10の出力電流の合計値、すなわち電圧変換装置100の出力電流を示す。図7に示すように、電圧変換装置100の出力電流は、電圧変換回路10の動作個数を変動させつつ、リニア(連続モード)となる。
本実施の形態では、出力電流の合計値が減少するに応じて、動作をさせる電圧変換回路10の数を減らす。これにより、動作をさせる電圧変換回路10が供給しなければならない出力電流を減少させないか、あるいは出力電流の減少度合いを抑制する。例えば、出力電流の合計値が減少した場合、動作をさせる電圧変換回路10の数を減らすことにより、コイル13に流れる電流が、図3で例示する状態に維持する。すなわち、負荷が軽くなった場合でも、それぞれの電圧変換回路10の出力電流が減少しないようにして効率の低下を防止することができる。
記憶部33は、各電圧変換回路10のコイル13のインダクタンス値を記憶している。なお、各電圧変換回路のコイル13のインダクタンス値は同一でもよく異なる値でもよい。以下では、インダクタンス値が異なるものとして説明する。
選択部32は、変更部31で動作をさせる電圧変換回路10の数を変更する場合、記憶部33に記憶したインダクタンス値に応じて動作をさせる電圧変換回路10を選択する。例えば、すべての電圧変換回路10が同じインダクタンス値のコイル13を使用している場合には、動作をさせる電圧変換回路10の数を一旦変更すれば、いずれの電圧変換回路10を動作させても効率は変わらない。しかし、各電圧変換回路10で使用するコイル13のインダクタンス値が異なる場合には、各電圧変換回路10のインダクタンス値に応じて、動作をさせる電圧変換回路10を選択して、最も効率のよい状態にすることができる。
より具体的には、選択部32は、電流検出部42で検出した出力電流の合計値の多/少に応じて、インダクタンス値が小/大である電圧変換回路10を選択する。例えば、出力電流の合計値が減少した場合において、動作をさせる電圧変換回路10の数を少なくする必要があるときに、出力電流の合計値の減少分が少ない場合(合計値が多い場合)、コイル13の巻線抵抗値が小さくインダクタンス値が小さい電圧変換回路10を、動作をさせる電圧変換回路10として選択する。
また、出力電流の合計値の減少分が多い場合(合計値が少ない場合)、コイル13に蓄えるエネルギーを大きくしてコイル13に流れる電流の休止期間が発生しないようにすべく、インダクタンス値が大きい電圧変換回路10を、動作をさせる電圧変換回路10として選択する。これにより、負荷の変動に応じて、動作をさせる電圧変換回路10の数を変更した場合でも、変更した数の中で最適な電圧変換回路10の組み合わせを選択することができ、効率の低下を一層防止することができる。
図8は動作をさせる電圧変換回路10の選択方法の一例を示す説明図である。図8の例では、一例として、電圧変換装置100が、4個の電圧変換回路10を備えるものとし、各電圧変換回路10が、L=10μH、L=20μH、L=30μH、L=40μHのようにインダクタンス値が異なるコイル13を使用するものとする。なお、インダクタンス値は一例であって、これに限定されるものではない。
図8において、左側の例は、出力電流の合計値が、例えば定格時のような通常状態である場合であり、4個の電圧変換回路10すべてを動作させる。
次に図8の中央の例は、出力電流の合計値が減少したものの、出力電流の合計値の減少分が少なく、変更部31で動作をさせる電圧変換回路10の数を、例えば、3と変更した場合を示す。この場合には、出力電流の合計値の減少分が少ない場合(合計値が多い場合)ので、コイル13の巻線抵抗値が大きくインダクタンス値が大きい電圧変換回路10を、動作をさせる電圧変換回路10として選択する。逆にいえば、インダクタンス値が小さい(L=10μH)の電圧変換回路10の動作を停止する。
次に図8の右側の例は、出力電流の合計値が減少し、出力電流の合計値の減少分が多く、変更部31で動作をさせる電圧変換回路10の数を、例えば、1と変更した場合を示す。この場合には、コイル13に蓄えるエネルギーを大きくしてコイル13に流れる電流の休止期間が発生しないようにすべく、インダクタンス値が大きい電圧変換回路10を、動作をさせる電圧変換回路10として選択する。つまり、L=40μHの電圧変換回路10を動作させる。
周波数変更部34は、変更部31での変更結果により、一の電圧変換回路10のみ動作をさせるとした場合、検出した出力電流の合計値に応じて、一の電圧変換回路10の出力周波数を変更する。例えば、動作をさせる電圧変換回路10が1つになった場合に、さらに出力電流が低下したときには、出力電流の最小デューティ値において出力電流(出力電圧)の制御ができなくなる事態を回避すべく、出力電流の周波数を変更する(例えば、周波数を下げる)。これにより、見かけのデューティ値を小さくして出力電流(出力電圧)の制御を可能とすることができる。
例えば、電圧変換回路10を動作させる場合の最小デューティ値が0.2(20%)であるとし、1個の電圧変換回路10を333kHzの周波数で動作させた場合に、負荷が軽くなり出力電流が減少するに応じてデューティ値が小さくなり、最小デューティ値に達したものの、さらに出力電流を少なくする必要があるときには、オン時間を固定して動作周波数を333kHzから、222kHz、111kHzへと小さくする。これにより、出力電流(出力電圧)の制御を可能とし、低出力から高出力まで幅広い範囲で安定した電力を効率良く供給することができる。
位相制御部35は、各電圧変換回路10の出力の位相を制御する。例えば、N個の電圧変換回路10を動作させる場合に、動作させる周期がTであるときは、各電圧変換回路の出力をT/Nずつずらす。これにより、リップル電流を減少させることができる。なお、動作をさせる電圧変換回路10の数が変動した場合、各電圧変換回路の出力のずらし幅も変動する。
切替部41は、すべての電圧変換回路10の動作を停止させる場合(例えば、非制御時)、電圧変換回路10の入出力端をバイパスさせるように、接点41aを接点41bから41cへ接続して電路を切り替える。図1の例ではリレーを用いる構成であるが、電路を切り替えることができるものであれば、半導体スイッチなど他の構成でもよい。これにより、例えば、電圧変換回路10内の回路素子に流れる漏れ電流による消費電力を削減して、電圧変換装置100で消費される電力を少なくすることができる。
上述の説明では、電圧変換回路10が降圧回路であったが、昇圧回路でもよい。図9は本実施の形態の電圧変換回路10の構成の他の例を示す回路図である。電圧変換回路10は、コンデンサ16、20、FET18、コイル17、ダイオード19などを備える。
図9に示すように、電圧変換回路10は、入出力間にコイル17とダイオード19の直列回路を設けてある。コイル17とダイオード19の接続箇所にFET18のドレインを接続してある。
電圧変換回路10は、コイル17に流れる電流をスイッチングすることにより、所望の出力電圧(出力電流)を出力することができる。すなわち、FET18がオンした場合、入力端からコイル17、FET18に電流が流れ、コイル17にエネルギーを蓄積する。次に、FET18がオフとなった場合、コイル17に蓄積したエネルギーにより、ダイオード19を通じて出力端へ電流が流れる。
次に、本実施の形態の電圧変換装置100の動作について説明する。図10は本実施の形態の電圧変換装置100による出力制御の処理手順を示すフローチャートである。制御部30は、出力電流の合計値(負荷電流)を取得し(S11)、電圧変換回路10の動作個数を変更する(S12)。動作個数の変更は、例えば、出力電流の合計値に対応付けて予め動作個数を記憶してもよく、あるいは出力電流の合計値から動作個数を算出してもよい。
動作個数は、例えば、次のようにして算出することができる。出力電流の合計値から目標出力電圧Voutを求め、必要とするインダクタンス値を、例えば、k×η×T×Voutで算出する。ここで、kは所定の定数、ηは効率、Tは周期である。各電圧変換回路10のコイルのインダクタンス値と必要とするインダクタンス値とから動作をさせる個数を求める。
制御部30は、変更した個数分の電圧変換回路を選択する(S13)。なお、電圧変換回路10のコイル13のインダクタンス値が等しい場合には、ステップS13の処理を省略することができる。
制御部30は、出力電流の合計値、動作をさせる個数N、動作周期T等から、出力電圧(出力電流)のデューティ値を算出し(S14)、動作個数が1であるか否かを判定する(S15)。
動作個数が1でない場合(S15でNO)、制御部30は、算出したデューティ値で出力電圧(出力電流)を調整し(S16)、後述のステップS21の処理を行う。動作個数が1である場合(S15でYES)、制御部30は、(出力電圧−目標電圧)が電圧閾値より大きいか否かを判定する(S17)。
(出力電圧−目標電圧)が電圧閾値より大きい場合(S17でYES)、制御部30は、出力電圧(出力電流)の周波数を下げ(S18)、後述のステップS21の処理を行う。(出力電圧−目標電圧)が電圧閾値より大きくない場合(S17でNO)、制御部30は、デューティ値が最高値であるか否かを判定する(S19)。最高値は、例えば、1(100%)とすることができる。
デューティ値が最高値である場合(S19でYES)、制御部30は、出力電圧(出力電流)の周波数を上げ(S20)、後述のステップS21の処理を行う。デューティ値が最高値でない場合(S19でNO)、制御部30は、ステップS20の処理を行うことなく後述のステップS21の処理を行う。
制御部30は、電源オフか否かを判定し(S21)、電源オフでない場合(S21でNO)、ステップS11以降の処理を続け、電源オフである場合(S21でYES)、処理を終了する。
本実施の形態では、負荷側が要求する電力が減少した場合、動作をさせる電圧変換回路の個数を少なくし、1個の電圧変換回路が負担する出力電流が減少することを抑制して、コイルに流れる電流が流れない期間(休止期間)が発生して電流が不連続となることを防止するので、効率の低下を防止することができ、低出力電力から高出力電力までの広い範囲に亘って安定した出力電力を効率良く供給することができる。また、コイルに流れる電流に休止期間が発生して電流が不連続になることにより出力電圧の異常上昇も回避することができる。
10 電圧変換回路
12、18 FET
13、17 コイル
14、19 ダイオード
30 制御部
31 変更部
32 選択部
33 記憶部
34 周波数変更部
35 位相制御部(制御部)
36 出力電圧検出部
42 電流検出部
12、18 FET
13、17 コイル
14、19 ダイオード
30 制御部
31 変更部
32 選択部
33 記憶部
34 周波数変更部
35 位相制御部(制御部)
36 出力電圧検出部
42 電流検出部
Claims (4)
- コイルに流れる電流をスイッチングして電圧を変換する電圧変換回路を複数備え、各電圧変換回路の出力の位相を制御する電圧変換装置において、
前記電圧変換回路の出力電流の合計値を検出する電流検出部と、
該電流検出部で検出した合計値に応じて、前記電圧変換回路のうち動作をさせる電圧変換回路の数を変更する変更部と、
該変更部で変更した結果、動作をさせる電圧変換回路の出力の位相を制御する制御部と
を備えることを特徴とする電圧変換装置。 - 各電圧変換回路が有するコイルのインダクタンス値を記憶する記憶部と、
前記変更部で動作をさせる電圧変換回路の数を変更する場合、記憶部に記憶したインダクタンス値に応じて動作をさせる電圧変換回路を選択する選択部と
を備えることを特徴とする請求項1に記載の電圧変換装置。 - 前記選択部は、
前記電流検出部で検出した合計値の多/少に応じて、インダクタンス値が小/大である電圧変換回路を選択するように構成してあることを特徴とする請求項2に記載の電圧変換装置。 - 前記変更部で変更した結果、一の電圧変換回路のみ動作をさせる場合、前記電流検出部で検出した合計値に応じて、前記一の電圧変換回路の出力周波数を変更する周波数変更部を備えることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の電圧変換装置。
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