JP2019193378A - Dc/dcコンバータ、及びdc/dcコンバータの制御方法 - Google Patents
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Abstract
Description
近年、例えばプラズマ応用分野において、数十Hz〜数十kHzの周期でON/OFFさせるON/OFFパルス運転や、RF電力振幅を高速に可変するHigh/Lowパルス運転により生成した高周波電力(RF出力)が使用されている。
RFジェネレータにおいて、High/Lowパルス運転をDC/DCコンバータ部の制御で行う方式がある。
2)メジャーループは、マイナーループとの干渉防止のため、マイナーループの制御応答の約1/10の周波数が最大の制御応答となる。
高い応答性を有するDC/DCコンバータの制御方式として離散制御がある。図20はPI制御と離散制御の概略を示している。図20(a)に示すPI制御では、出力と指令値とのエラー分を検出して操作量を求め、制御の応答周波数に応じて徐々に追従する。
DC/DCコンバータは、直流入力を異なる複数の電圧レベルの高周波パルス出力に変換するレベル制御により電圧レベル変換を行って高周波パルスを出力する。DC/DCコンバータはスイッチング回路を含む主回路と制御部とを備える。
各電圧レベルの間において、
・遷移前の電力レベル及び遷移後の電力レベルの間の遷移区間を定電流離散制御で行う第1のモード、
・遷移前の電力レベル及び遷移後の電力レベルの各電圧を保持する維持区間を定電圧離散制御で行う第3のモード、
・遷移区間から維持区間への緩衝区間を定電圧離散制御で行う第2のモード、
の3モードの離散制御モードを備える。
第1のモードから第2のモードへの切り替えは、検出出力電圧voが切替電圧Vcに達した時点で行う。第1のモードから第2のモードへの切り替えにおいて、切り替え時の出力電圧の切替電圧Vcは、第3のモードの切替時(第3のモードの開始時)における電圧変化がオーバーシュート又はアンダーシュートの発生限界電圧となる値である。
直流入力を異なる2つの電圧レベルの高周波パルス出力に変換するDC/DCコンバータの制御方法において、
第1の電力レベルと第2の電力レベルの間の遷移させる遷移区間を定電流離散制御で行う第1のモード、
第1の電力レベル及び第2の電力レベルの各電圧を保持する維持区間を定電圧離散制御で行う第3のモード、
及び、
前記遷移区間から前記維持区間との間の緩衝区間を定電圧離散制御で行う第2のモードの3モードを備える。
本発明のDC/DCコンバータの概略構成について図1を用いて説明する。本発明のDC/DCコンバータ1は、入力電圧Vinを入力とし、検出出力電圧vo及び負荷電流iRを出力する主回路(LCチョッパ回路)2、主回路2のスイッチングデバイスのオン/オフ動作を制御するスイッチング信号を生成するスイッチング信号生成部5、主回路2及び負荷7からの検出信号を入力してパルス幅ΔT(k)を演算し、演算したパルス幅ΔT(k)をスイッチング信号生成部5に出力する制御部6を備える。
本発明の離散制御は、現時点からnサンプル後の時点において指令値とおりの出力が得られるようにするパルス幅ΔTを制御する。なお、nは任意の整数とすることができ、nを“1”とした場合には1サンプル後の時点を制御する。
図2は1相の降圧型DC/DCコンバータの回路例を示している。DC/DCコンバータは、入力電圧Vinと負荷RLとの間に、直列接続されたスイッチングデバイスS1Aと、並列接続されたスイッチングデバイスS2Aを備えたスイッチング回路と、スイッチング回路及び負荷に対して直列接続されたインダクタンスLAと、同じくスイッチング回路及び負荷に対して並列接続されたキャパシタンスCを備えたLC回路とを備える。
次に、主回路の状態方程式を用いて離散制御式を導出する。式(2),(3)の状態方程式の一般解は、入力u1(τ)が一定である区間ごとに分割して次式(4)で表される。
以下、スイッチング動作を1相で行う場合について、遅延時間Tdを考慮した離散制御式の導出を説明する。
主回路の周期kに対する制御部(コントローラ)の制御周期ksの遅延時間Tdについて図4〜図7を用いて説明する。
図4は遅延時間Tdが無い場合である。この場合には、主回路の周期kと制御部(コントローラ)の制御周期ksは一致する。
図5は遅延がある場合であって、離散制御の操作量であるパルス幅ΔT(k)に対して遅延時間Tdを考慮しない場合を示している。遅延によって、主回路の周期kと制御部(コントローラ)の制御周期ksとの間に遅延時間Td分のずれが生じる。
図6は遅延がある場合であって、離散制御の操作量であるパルス幅ΔT(k)において遅延時間Tdを考慮した場合を示している。電圧や電流の検出値を取得する際の検出器での取得遅延、離散制御等の操作量を算出する際の計算遅延、DC/DCコンバータのスイッチングデバイスの反応遅延等の遅延によって、主回路の周期kと制御部(コントローラ)の制御周期ksとの間に遅延時間Td分のずれが生じる。
前記した遅延時間Tdを考慮した離散制御式の導出では、遅延時間Tdが主回路の周期kの1サンプリング周期Ts以内であると仮定した場合を示したが、遅延時間Tdが主回路の周期kの1サンプリング周期Tsを越える場合についても、予測時点を遅延時間Tdに応じて延ばすことによって操作量(パルス幅ΔT(k))を同様の手法で定めることができる。
前記した(1相の離散制御式)では、1相における離散制御の操作量を示した。ここでは、DC/DCコンバータの高速化の一手法である多相インターリーブ方式を適用してDC/DCコンバータを高速化する場合について、3相インターリーブ方式の降圧型DC/DCコンバータの離散制御の操作量に拡張した3相の離散制御式を説明する。
図10(b)のLCR回路の等価回路は、検出出力電圧voを検出する定電圧制御を説明するための図である。なお、ここでは、LCR回路で構成された降圧チョッパ回路を含むDC/DCコンバータの例を示している。
図10(a)の等価回路において、各相の相電流iLA、iLB、及びiLCの合成電流(iLA+iLB+iLC=iL)を電流源で表し、3つのスイッチング回路のそれぞれのインダクタンスLの合成インダクタンスを(L/3)で表している。この等価回路において、電流源から入力された入力電流(iL)による検出出力電圧voのステップ応答は、
次に、3相インターリーブ方式の双方向降圧チョッパ回路の状態方程式を導出する。図11は3相の内の一つの相の等価回路を示している。前記式(8)で表される合成電流(iL)を、定電流制御に適用した形態に変換するために、図9に示すiL1,iL2,及びiL3の合成電流であるiL(=iL1+iL2+iL3)の状態方程式を求め、パルス幅ΔTとの関係式を導出する。
前記では、スイッチング動作を1相のゲート信号で行う場合について示しているが、多相インターリーブによってスイッチング動作を多相のゲート信号で行う場合についても同様とすることができる。
遅延時間Tdを考慮した1相の離散制御式(5)、及び多相の離散制御式(12)はインダクタンス電流iL(k+1)を指令値として導出している。
インダクタ電流iLを検出値とした際の過度な遅延を解消するために、直流電流センサで検出するインダクタ電流iLに代えて、交流電流センサで検出するキャパシタ電流iCを用い、キャパシタ電流iCを検出値とする制御系による離散制御を行う。交流電流センサは高速検出が可能であるため、検出における遅延が低減される。
H/Lの2レベル制御において、定電圧制御と定電流制御とを組み合わせた制御形態について図13を用いて説明する。
離散制御において、前記した定電圧制御と定電流制御とを組み合わせて制御形態を適用した場合、遅延時間、定電流制御から定電圧制御への切替時に発生するオーバーシュートやアンダーシュートを考慮する必要がある。以下、遅延時間、オーバーシュートやアンダーシュートを考慮した離散制御のモード制御について説明する。
〈モードI:定電流離散制御〉
モードIは、High電力側とLow電力側の間の電圧遷移時に行う定電流離散制御であり、Low電力側からHigh電力側への遷移時、及びHigh電力側からLow電力側への遷移時に定電流離散制御を用いる。定電流離散制御を行うことによって遷移時におけるオーバーシュートやアンダーシュートの発生、及び過電流の発生を抑制する。
モードIは定電流離散制御を用いるのに対して、モードII及びモードIIIでは定電圧離散制御を用いる。定電圧離散制御においても、定電流離散制御と同様に、キャパシタ電流iCを検出値として用いる。インダクタンス電流iLに代えてキャパシタンス電流iCを用いた制御式を得るために、指令値iL(k+1)をゲインA1を用いて次のように定義する。
モードIIIでは、モードIIと同様に式(23)によりiL(k+1)を指令値として定義する。また、低速の検出電圧の影響を消去するため、ゲインA2を新たに次式(27)で定義する。
Low電力側からHigh電力側への遷移、及びHigh電力側から電力側への遷移をモードIの定電流離散制御により行う。モードIでは式(20)又は式(22)のパルス幅ΔT(k)を用いて検出電流iCを指令電流IC-refに維持した状態で、Low電力側の指令電圧VLからHigh電力側の指令電圧VHに向けて、あるいはHigh電力側の指令電圧VHからLow電力側の指令電圧VLに向けて移行させる。
検出出力電圧voが切替電圧Vc1又はVc2に達した時点で、モードIの定電流制御からモードIIIの定電圧制御への制御切替を行うために、定電圧離散制御を行う。このモードIIの制御区間は、定電流制御から定電圧制御に円滑な制御切替を行う緩衝区間である。この緩衝区間の時間幅は、制御回路(コントローラ)の制御周期のサンプリング周期Tsの整数倍とすることができる。緩衝区間の時間幅を1サンプリング周期Ts分とすることで、モードIからモードIIIへの切替を1サンプリング周期Tsで行い、制御を高速化することができる。緩衝区間の時間幅は1サンプリング周期Tsに限らず、nサンプリング周期(n・Ts)としても良い。なお、nは整数としている。
モードIIの後にモードIIIの定電圧離散制御を行って、検出出力電圧voを指令電圧値Vrefに制御する。図17では、Low電力側の指令電圧VrefをVLとし、High電力側の指令電圧VrefをVHとしている。
上記したモードは、モードI、モードII、モードIIIの順序で遷移を繰り返す。図18はLow電力側からHigh電力側への移行時のモード遷移の一例を示したフローチャートである。なお、この例では、モードIIを1サンプリング周期の一サイクルで行う例を示しているが、モードIIは複数のサイクルで行っても良く、また各サイクルはサンプリング周期に限らず、任意の周期としてもよい。
モードIからモードIIへの切替電圧Vc1、Vc2は以下の式(29)、式(30)で計算される。
モードIIの離散制御の操作量は式(25),(26)で示され、この式に含まれるゲインA1(AH1、AL1)によりオーバーシュートやアンダーシュートを抑制する。以下、モードIIのゲインA1(AH1、AL1)の範囲について説明する。なお、ここでは、Low電力側からHigh電力側への遷移時について説明する。
モードI:ICref
モードII:AH1(VHref−Vodet-mode2)
モードIII:A2(VHref−Vo-mode3)≒0、ただしA2=3(Ts+Td)/L
定電圧離散制御のパルス幅T(k)を表す式(24)において、検出電圧の項は{(L/3)×A1×vo(ks)/Vin}と{(Td+Ts)×vo(ks)/Vin}である。式(24)をモードIIIに適用してA1をA2とし、ゲインA2を式(27)で定義することによって、2つの検出電圧の項は互いに相殺され、出力電圧のvo(k)の項が削除される。これにより、モードIIIにおける離散制御式は検出出力電圧vo(k)を含まない式(28)で表される。
次に、図19を用いて本発明のDC/DCコンバータを直流電源装置、交流電源装置に適用した例を説明する。
2 主回路(チョッパ回路)
3 スイッチング回路
4 LC回路
5 スイッチング信号生成部
6 制御部
7 負荷
Claims (10)
- スイッチング回路を含む主回路と制御部とを備え、直流入力を異なる複数の電圧レベルの高周波パルス出力に変換するDC/DCコンバータにおいて、
前記制御部は、
各電圧レベルの間において、遷移前の電力レベル及び遷移後の電力レベルの間の遷移区間を定電流制御で行う第1のモード、
遷移前の電力レベル及び遷移後の電力レベルの各電圧を保持する維持区間を定電圧制御で行う第3のモード、
及び、
前記遷移区間から前記維持区間への緩衝区間を定電圧制御で行う第2のモード、
の3モードとし、
当該3つのモードの離散制御を繰り返すことを特徴とするDC/DCコンバータ。 - 前記第1のモードから第2のモードへの切り替えにおいて、
切り替え時の出力電圧の切替電圧Vcは、第3のモードの切替時における電圧変化がオーバーシュート又はアンダーシュートの発生限界電圧となる値であることを特徴とする請求項1に記載のDC/DCコンバータ。 - 前記電圧変化は、ジッタにより発生する最大時間Tsでの電圧変化、第1のモードの電流指令値による緩衝区間に生じる電圧変化、及び制御部と主回路間の遅延時間Tdにおける電圧変化の少なくともいずれか一つであることを特徴とする請求項2に記載のDC/DCコンバータ。
- 前記第2のモードの緩衝区間は、制御部が生成する周期であることを特徴とする請求項1から3のいずれか一つに記載のDC/DCコンバータ。
- 前記周期は、制御部の制御周期の1サンプリング周期、サンプリング周期の整数倍の複数周期、前記サンプリング周期に整数分の一の周期のいずれか一つであることを特徴とする請求項4に記載のDC/DCコンバータ。
- 前記スイッチング回路は1相構成であり、
前記制御部のスイッチング信号は1相信号であることを特徴とする請求項1から5の何れか一つに記載のDC/DCコンバータ。 - 前記スイッチング回路は多相構成であり、
前記制御部のスイッチング信号は多相信号であることを特徴とする請求項1から5の何れか一つに記載のDC/DCコンバータ。 - 前記制御部は、多相出力の各相電流の合成電流を制御電流として各相のスイッチングを制御することを特徴とする請求項7に記載のDC/DCコンバータ。
- スイッチング回路を含む主回路と制御部とを備え、直流入力を異なる複数の電圧レベルの高周波パルス出力に変換するDC/DCコンバータの制御方法において、
各電圧レベルの間において、遷移前の電力レベル及び遷移後の電力レベルの間の遷移区間を定電流制御で行う第1のモード、
遷移前の電力レベル及び遷移後の電力レベルの各電圧を保持する維持区間を定電圧制御で行う第3のモード、
及び、
前記遷移区間から前記維持区間への緩衝区間を定電圧制御で行う第2のモード、
の3モードを備え、
前記3つのモードの離散制御を繰り返して、定電流制御の電流指令から定電圧制御の電圧指令に指令を切り替えることを特徴とするDC/DCコンバータの制御方法。 - 前記第2のモードの緩衝区間は、制御部が生成する周期であり、制御部の制御周期の1サンプリング周期、サンプリング周期の整数倍の複数周期、前記サンプリング周期に整数分の一の周期のいずれか一つであることを特徴とする請求項9に記載のDC/DCコンバータの制御方法。
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