JP6048323B2

JP6048323B2 - Ｄｃｄｃコンバータ及びこのｄｃｄｃコンバータを備えた電源装置

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Publication number: JP6048323B2
Application number: JP2013124704A
Authority: JP
Inventors: 竹上　栄治; 栄治竹上
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2013-06-13
Filing date: 2013-06-13
Publication date: 2016-12-21
Anticipated expiration: 2033-06-13
Also published as: JP2015002579A

Description

本発明は、ＰＩ（Proportional Integral）制御又はＰＩＤ（Proportional Integral Derivative）制御を用いたＤＣＤＣコンバータに関する。

電源装置では、出力電圧を目標電圧に近づける制御として、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御又はＰＦＭ（Pulse Frequency Modulation）制御が行われている。ＰＷＭ制御では、直流電圧変換回路の一次側回路のスイッチング素子をオンオフさせる時比率の制御が行われ、ＰＦＭ制御では、スイッチング素子をオンオフさせる周波数の制御が行われる。

この時比率と周波数は、通常、ＰＩ制御又はＰＩＤ制御を行う制御器から出力される操作量に基づいて決定される。この制御器は、出力電圧と目標電圧の誤差又は出力電流と目標電流の誤差に基づいて操作量を生成する。この操作量には、比例要素と積分要素又はこれらに加えて微分要素が含まれている。また、応答性を良くするために、これらの要素に関するゲインが調整されることがある。

例えば。特許文献１では、出力電流の目標値が小さくなるに従い、積分要素のゲインを大きくする調整を行っている。また、特許文献２では、インダクタンス係数が大きくなると比例要素、積分要素及び微分要素のゲインを大きくする調整を行っている。

特開２０１２−１５２０５３特開２０１２−９５４４２

しかしながら、特許文献１に開示されたゲイン調整は、ＬＥＤ（発光ダイオード）用の電源装置を想定したものであり、特許文献２に開示されたゲイン調整は、溶接用の電源装置を想定したものである。従って、これらのゲイン調整を一般的な電源装置に適用しても良好な応答特性を得ることができない。つまり、これらのゲイン調整は、一般的な電源装置に広く用いることができない。

そこで、本発明は、一般的な電源装置に広く用いることができるゲイン調整方法を提供するものであり、このゲイン調整方法を用いることにより、応答性が良く広範囲な用途に対応可能な電源装置を提供することを目的とする。

本発明に係る第１のＤＣＤＣコンバータは、ＰＷＭ制御によりスイッチング動作の時比率が制御されるＤＣＤＣコンバータであって、前記ＤＣＤＣコンバータの出力電圧と当該出力電圧の目標値に基づいて、又は前記ＤＣＤＣコンバータの出力電流と当該出力電流の目標値に基づいて操作量を生成する操作量生成手段と、前記操作量生成手段により生成された前記操作量に基づいて前記時比率を決定する時比率生成手段とを備え、前記操作量生成手段は、比例要素、積分要素及び微分要素のうちの１つ又は複数の要素を含んだ前記操作量を生成し、当該操作量に含まれる要素のうちの少なくとも１つの要素に関するゲインを直前に生成した前記操作量に基づいて調整する。

本発明に係る第２のＤＣＤＣコンバータは、ＰＦＭ制御によりスイッチング動作のスイッチング周波数が制御されるＤＣＤＣコンバータであって、前記ＤＣＤＣコンバータの出力電圧と当該出力電圧の目標値に基づいて、又は前記ＤＣＤＣコンバータの出力電流と当該出力電流の目標値に基づいて操作量を生成する操作量生成手段と、前記操作量生成手段により生成された前記操作量に基づいて前記スイッチング周波数を決定する時比率生成手段とを備え、前記操作量生成手段は、比例要素、積分要素及び微分要素のうちの１つ又は複数の要素を含んだ前記操作量を生成し、当該操作量に含まれる要素のうちの少なくとも１つの要素に関するゲインを直前に生成した前記操作量に基づいて調整する。

また、本発明に係る電源装置は、上記の第1のＤＣＤＣコンバータ又は第２のＤＣＤＣコンバータを備える。

本発明に係るＤＣＤＣコンバータによれば、操作量を生成する際のゲインが直前に生成された操作量に基づいて調整されるように構成されているため、負荷変動、目標値の変更等への応答性が向上する。また、本発明に係る操作量生成手段によれば、自身が生成した操作量に基づいて、その次に操作量を生成するときのゲインが調整されるように構成されているので、簡素な構成で良好なゲイン調整を行うことができる。更に、このゲイン調整は広範囲な電源装置に適用することができる。

本発明に係るＤＣＤＣコンバータの制御システム（制御系）を示したブロック線図である。本発明に係るＤＣＤＣコンバータの回路図である。本発明に係るＤＣＤＣコンバータの制御システム（制御系）を示したブロック線図である。ＰＩＤ制御器で生成される操作量を説明するための説明図である。ゲイン制御器の構成を示したブロック線図である。ゲインと操作量の関係を示したグラフである。ゲイン制御器の構成を示したブロック線図である。

以下、本発明のＤＣＤＣコンバータを実施するための形態を、図面を参照して説明する。

本発明に係るＰＩＤ制御を、ＰＦＭ制御を採用した共振型コンバータを例として説明する。図１は、ＰＦＭ制御を採用した共振型コンバータに於ける制御システム（制御系）を示したブロック線図であり、図２は、ＰＦＭ制御を採用した共振型コンバータの回路図である。

図１に示した制御システム（制御系）は、減算器１１、ＰＩＤ制御器１２、乗算器１３、加算器１４及びゲイン制御器１５により構成されている。この制御システム（制御系）は、図２の制御回路３１に組み込まれている。制御回路３１は、指令電圧生成回路３２から与えられる目標電圧Ｖｔｇｔと出力電圧Ｖｏに基づいて、トランジスタ（ＦＥＴ）Ｑ３、Ｑ４のスイッチング周波数ｆｓｗ（スイッチング周期Ｔｓｗ＝１／ｆｓｗ）を制御する。次に、このスイッチング周波数ｆｓｗ（スイッチング周期Ｔｓｗ＝１／ｆｓｗ）の制御を詳細に説明する。

減算器１１には、目標電圧Ｖｔｇｔと出力電圧Ｖｏが入力される。そして、減算器１１は、目標電圧Ｖｔｇｔから出力電圧Ｖｏを減算した値であるＶｄ（＝Ｖｔｇｔ−Ｖｏ）を出力する。

ＰＩＤ制御器１２には、減算器１１から出力されるＶｄ（＝Ｖｔｇｔ−Ｖｏ）が入力される。そして、ＰＩＤ制御器１２は、Ｖｄ（＝Ｖｔｇｔ−Ｖｏ）に基づいて操作量Ｕを生成する。ＰＩＤ制御器１２により生成された操作量Ｕは、乗算器１３とゲイン制御器１５に入力される。ゲイン制御器１５は、入力された操作量Ｕに応じたゲイン定数を出力する。このゲイン定数はＰＩＤ制御器１２に入力され、次にＰＩＤ制御器１２が操作量Ｕをするときには、このゲイン定数を用いて操作量Ｕが生成される。つまり、ＰＩＤ制御器１２が操作量Ｕ生成するときに用いるゲイン定数は、新たな操作量Ｕが生成される毎に再設定される。本発明に係る操作量生成手段は、このようなＰＩＤ制御器１２とゲイン制御器１５により構成されていることを特徴とする。

一方、乗算器１３に入力された操作量Ｕには、定数Ｋａが乗算される。そして、この演算（乗算）により得られた値（Ｋａ・Ｕ）が乗算器１３から出力され、この値（Ｋａ・Ｕ）が加算器１４に入力される。加算器１４には、更に、最小周期Ｔｍｉｎが入力される。加算器１４では、乗算器１３から出力された値（Ｋａ・Ｕ）に最小周期Ｔｍｉｎが加算される。そして、この演算（加算）により得られた値（Ｋａ・Ｕ＋Ｔｍｉｎ）が加算器１４から出力される。

図２に示した共振型コンバータのトランジスタ（ＦＥＴ）Ｑ３、Ｑ４は、加算器１４から出力される値（Ｋａ・Ｕ＋Ｔｍｉｎ）のスイッチング周期Ｔｓｗでオンオフする。

次に、ＰＷＭ制御を採用した場合の制御システム（制御系）を説明する。図３は、ＰＷＭ制御を採用したコンバータに於ける制御システム（制御系）を示したブロック線図である。

図３に示した制御システム（制御系）は、減算器１１、ＰＩＤ制御器１２、ゲイン制御器１５及び乗算器１６により構成されている。この制御システム（制御系）おいて、減算器１１、ＰＩＤ制御器１２及びゲイン制御器１５は、図１に示したＰＦＭ制御を採用した場合の制御システム（制御系）と同じ処理を行う。つまり、減算器１１は、目標電圧Ｖｔｇｔから出力電圧Ｖｏを減算した値であるＶｄ（＝Ｖｔｇｔ−Ｖｏ）を出力する。ＰＩＤ制御器１２は、Ｖｄ（＝Ｖｔｇｔ−Ｖｏ）に基づいて操作量Ｕを生成する。そして、ゲイン制御器１５は、入力された操作量Ｕに応じたゲイン定数を出力する。

乗算器１６は、ＰＩＤ制御器１２により生成された操作量Ｕに定数Ｋｂを乗算し、この演算（乗算）により得られた値（Ｋａ・Ｕ）を出力する。そして、この値（Ｋａ・Ｕ）がＰＷＭ制御における時比率Ｄとして用いられる。

次に、ＰＩＤ制御器１２により生成される操作量Ｕを、図４を参照して説明する。操作量Ｕは、所定の時間間隔で生成される。図４に示した例では、操作量Ｕ（ｎ）の生成から所定の期間が経過した後に、操作量Ｕ（ｎ＋１）が生成される。尚、図４には示されていないが、操作量Ｕ（ｎ）が生成される前に操作量Ｕ（ｎ−１）が生成されている。つまり、操作量Ｕ（ｎ）は、操作量Ｕ（ｎ−１）の生成から所定の期間が経過した後に生成される。

この例では、操作量Ｕ（ｎ）は、比例要素Ｐ（ｎ）、積分要素Ｉ（ｎ）及び微分要素Ｄ（ｎ）の総和に対応する。比例要素Ｐ（ｎ）は、目標電圧Ｖｔｇｔと出力電圧Ｖｏの誤差であるＶｄ（ｎ）に比例ゲインＫｐを乗算することにより求められる。積分要素Ｉ（ｎ）は、前回の積分要素の値Ｉ（ｎ−１）に、誤差Ｖｄ（ｎ）と積分ゲインＫｉを乗算して得られた値（Ｋｉ・Ｖｄ（ｎ））を加算することにより求められる。微分要素Ｄ（ｎ）は、誤差Ｖｄ（ｎ）から前回の誤差の値Ｖｄ（ｎ−１）を減算して得られた値（Ｖｄ（ｎ）−Ｖｄ（ｎ−１））に、微分ゲインＫｄを乗算することにより求められる。従って、操作量Ｕ（ｎ）を生成するときには、まず、比例要素Ｐ（ｎ）、積分要素Ｉ（ｎ）及び微分要素Ｄ（ｎ）を求める演算が行われ、その後、これらの総和が求められる。

次に操作量を求めるときには、つまり、操作量Ｕ（ｎ＋１）を求めるときには、そのときの誤差であるＶｄ（ｎ＋１）に基づいて、比例要素Ｐ（ｎ＋１）、積分要素Ｉ（ｎ＋１）及び微分要素Ｄ（ｎ＋１）が求められる。つまり、比例要素Ｐ（ｎ＋１）は、誤差Ｖｄ（ｎ＋１）に比例ゲインＫｐを乗算することにより求められる。積分要素Ｉ（ｎ＋１）は、積分要素Ｉ（ｎ）に、誤差Ｖｄ（ｎ＋１）と積分ゲインＫｉを乗算して得られた値（Ｋｉ・Ｖｄ（ｎ＋１））を加算することにより求められる。微分要素Ｄ（ｎ＋１）は、誤差Ｖｄ（ｎ＋１）から誤差Ｖｄ（ｎ）を減算して得られた値（Ｖｄ（ｎ＋１）−Ｖｄ（ｎ））に、微分ゲインＫｄを乗算することにより求められる。

尚、比例要素Ｐ（ｎ＋１）、積分要素Ｉ（ｎ＋１）及び微分要素Ｄ（ｎ＋１）を求めるときに使用される比例ゲインＫｐ、積分ゲインＫｉ及び微分ゲインＫｄは、操作量Ｕ（ｎ）に基づいて決定される。つまり、操作量Ｕ（ｎ）を求めるときに用いられる比例ゲインＫｐ、積分ゲインＫｉ及び微分ゲインＫｄは、操作量Ｕ（ｎ−１）に基づいて決定され、操作量Ｕ（ｎ＋１）を求めるときに用いられる比例ゲインＫｐ、積分ゲインＫｉ及び微分ゲインＫｄは、操作量Ｕ（ｎ）に基づいて決定される。

次に、比例ゲインＫｐ、積分ゲインＫｉ及び微分ゲインＫｄを決定するゲイン制御器１５の構成を、図５を参照して説明する。この例では、ゲイン制御器１５は、比例ゲイン生成器２１、積分ゲイン生成器２２及び微分ゲイン生成器２３により構成されている。比例ゲイン生成器２１は、入力された操作量Ｕに基づいて比例ゲインＫｐを生成する。積分ゲイン生成器２２は、入力された操作量Ｕに基づいて積分ゲインＫｉを生成する。微分ゲイン生成器２３は、入力された操作量Ｕに基づいて微分ゲインＫｄを生成する。

この例では、２次関数を用いて比例ゲインＫｐ、積分ゲインＫｉ及び微分ゲインＫｄが生成される。比例ゲインＫｐは、２次関数Ｋｐ＝Ａｐ・Ｕ^２＋Ｂｐ・Ｕ＋Ｃｐを用いて生成される。係数Ａｐ、Ｂｐ及びＣｐは、所望の応答性が得られるように設定される。同様に、積分ゲインＫｉは、２次関数Ｋｉ＝Ａｉ・Ｕ^２＋Ｂｉ・Ｕ＋Ｃｉを用いて生成され、微分ゲインＫｄは、２次関数Ｋｄ＝Ａｄ・Ｕ^２＋Ｂｄ・Ｕ＋Ｃｄを用いて生成される。係数Ａｉ、Ｂｉ及びＣｉ並びに係数Ａｄ、Ｂｄ及びＣｄは、所望の応答性が得られるように設定される。尚、この例示では、比例ゲインＫｐ、積分ゲインＫｉ及び微分ゲインＫｄのそれぞれの値と操作量Ｕとの関係を、２次関数を用いて設定したが、２次関数より高次の関数、例えば、３次関数や４次関数を用いて設定してもよい。また、１次関数を用いて設定してもよい。

次に、この２次関数の設定方法を、図６を参照して説明する。例えば、操作量Ｕが０のとき比例ゲインＫｐがＫ１になり、操作量ＵがＵｍｉｄのとき比例ゲインＫｐがＫ２になり、操作量ＵがＵｍａｘのとき比例ゲインＫｐがＫ３になるように比例ゲインＫｐ用の２次関数を設定する場合について説明する。この場合、次の３つの式を満足する係数Ａｐ、Ｂｐ及びＣｐを求め、これらを係数とした２次関数Ｋｐ＝Ａｐ・Ｕ^２＋Ｂｐ・Ｕ＋Ｃｐを用いて、比例ゲインＫｐと操作量Ｕの関係を設定する。
Ｋ１＝Ｃｐ
Ｋ２＝Ａｐ・Ｕｍｉｄ^２＋Ｂｐ・Ｕｍｉｄ＋Ｃｐ
Ｋ３＝Ａｐ・Ｕｍａｘ^２＋Ｂｐ・Ｕｍａｘ＋Ｃｐ
ここで、Ｕｍａｘは、操作量Ｕの最大値であり、Ｕｍｉｄは中間値（Ｕｍｉｄ＝Ｕｍａｘ／２）である。積分ゲインＫｉ用の２次関数及び微分ゲインＫｄ用の２次関数についても同様に設定することができる。

尚、比例ゲインＫｐ、積分ゲインＫｉ及び微分ゲインＫｄは、全て、同じ次数の関数でなくてもよい。例えば、積分ゲインＫｉ用の関数だけを３次関数としてもよい。また、比例ゲインＫｐ、積分ゲインＫｉ及び微分ゲインＫｄのちのいずれか１つだけを、操作量Ｕに基づいて変化するように設定し、他の２つは操作量Ｕに関わらず一定の値になるように設定してもよい。

また、図５に示した例では、比例ゲイン生成器２１、積分ゲイン生成器２２及び微分ゲイン生成器２３に、ＰＩＤ制御器１２により生成された操作量Ｕを直接入力しているが、図７に示したように、操作量Ｕをローパスフィルタ２４に入力し、ローパスフィルタ２４から出力されるＵ’を比例ゲイン生成器２１、積分ゲイン生成器２２及び微分ゲイン生成器２３に入力するようにしてもよい。このようにすれば、ノイズ等による操作量Ｕの変動がゲイン制御器に及ぼす影響を小さくすることができる。

また、図５に示した例では、関数を用いて比例ゲインＫｐ、積分ゲインＫｉ及び微分ゲインＫｄが生成されるが、これらがルックアップテーブルにより生成されるようにしてもよい。つまり、比例ゲイン生成器２１、積分ゲイン生成器２２及び微分ゲイン生成器２３がルックアップテーブルをそれぞれ備え、操作量Ｕの値に応じて、それらのテーブルから比例ゲインＫｐ、積分ゲインＫｉ及び微分ゲインＫｄが取り出されるようにしてもよい。

上述のように、本発明に係るＤＣＤＣコンバータは、出力電圧と当該出力電圧の目標値に基づいて、又は出力電流と当該出力電流の目標値に基づいて操作量を生成する操作量生成手段を備えている。つまり、操作量は、出力電圧と当該出力電圧の目標値に基づいて、又は出力電流と当該出力電流の目標値に基づいて生成される。この操作量に基づいて行われるスイッチング制御は、特に限定されることはなく、ＰＦＭ制御であってもＰＷＭ制御であってもよい。

操作量生成手段により生成される操作量には、比例要素、積分要素及び微分要素のうちの１つ又は複数の要素が含まれる。つまり、この操作量に含まれる要素は、特に限定されることはなく、比例要素、積分要素及び微分要素から適宜選択することができる。そして、この操作量に含まれる要素のうちの少なくとも１つの要素に関するゲイン調整が行われる。このゲイン調整が行われる要素は、特に限定されることはなく、操作量に含まれる全ての要素であっても一部の要素であってもよい。例えば、操作量に比例要素と積分要素が含まれている場合には、比例要素と積分要素の双方のゲイン調整を行っても、又は、いずれか一方のゲイン調整を行ってもよい。

本発明に係るゲイン調整は、直前に生成された操作量に基づいて行われる。つまり、操作量が新たに生成されると、その操作量に応じて操作量を生成する際に用いられるゲインが調整される。そして、次に操作量を生成するときには、このゲイン調整が行われた後のゲインを用いて操作量が生成される。このゲイン調整における操作量とゲインとの対応関係は、例えば、関数やルックアップテーブル等により規定される。但し、これらに限定されることはなく、他の方法で規定されるようにしてもよい。

１１減算器
１２ＰＩＤ制御器
１３乗算器
１４加算器
１５ゲイン制御器
１６乗算器

Claims

ＰＷＭ制御によりスイッチング動作の時比率が制御されるＤＣＤＣコンバータであって、
前記ＤＣＤＣコンバータの出力電圧と当該出力電圧の目標値に基づいて、又は前記ＤＣＤＣコンバータの出力電流と当該出力電流の目標値に基づいて操作量を生成する操作量生成手段と、
前記操作量生成手段により生成された前記操作量に基づいて前記時比率を決定する時比率生成手段とを備え、
前記操作量生成手段は、比例要素、積分要素及び微分要素のうちの１つ又は複数の要素を含んだ前記操作量を生成し、当該操作量に含まれる要素のうちの少なくとも１つの要素に関するゲインを直前に生成した前記操作量のみに基づいて調整するＤＣＤＣコンバータ。
ＰＦＭ制御によりスイッチング動作のスイッチング周波数が制御されるＤＣＤＣコンバータであって、
前記ＤＣＤＣコンバータの出力電圧と当該出力電圧の目標値に基づいて、又は前記ＤＣＤＣコンバータの出力電流と当該出力電流の目標値に基づいて操作量を生成する操作量生成手段と、
前記操作量生成手段により生成された前記操作量に基づいて前記スイッチング周波数を決定する時比率生成手段とを備え、
前記操作量生成手段は、比例要素、積分要素及び微分要素のうちの１つ又は複数の要素を含んだ前記操作量を生成し、当該操作量に含まれる要素のうちの少なくとも１つの要素に関するゲインを直前に生成した前記操作量のみに基づいて調整するＤＣＤＣコンバータ。
請求項１又は２に記載のＤＣＤＣコンバータを備えた電源装置。