JPH05176549A - 電力変換器のための適応制御の方法および装置 - Google Patents

電力変換器のための適応制御の方法および装置

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JPH05176549A
JPH05176549A JP4056186A JP5618692A JPH05176549A JP H05176549 A JPH05176549 A JP H05176549A JP 4056186 A JP4056186 A JP 4056186A JP 5618692 A JP5618692 A JP 5618692A JP H05176549 A JPH05176549 A JP H05176549A
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コーヘン イツァック
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 電力変換器の適応性を高めることである。 【構成】 変換器３５の適応制御が一形態においては出
力電圧ｖo 対出力電流ｉo の比の関数として入力電力Ｐ
inを制御することにより達成され、別の回路型式におい
ては変換器への入力電流ｉi が出力電圧ｖo ／出力電流
ｉo の比（それはまた入力電流ｉi または入力電圧ｖi
により変調されうる。）に応答して適応制御回路構成の
もとに制御される。この適応制御は低周波負帰還ループ
により拡張される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、電力変換器、そし
て、特に電力変換器等を制御するための適応制御技術に
関するものである。
【０００２】
【従来の技術】本発明と同一の出願人による先願米国特
許第４，６００，９８４号には、旧式の閉ループ技術に
対する依存性を少なくした適応制御を採用した電源調整
技術が開示されている。この適応制御装置は電力変換器
への入力電力を出力側の瞬時電力要求に従わせるように
強制するものである。
【０００３】したがって、この米国特許の技術は、常套
的に用いられていた時間変化基準‐誤差増幅器、及び補
償回路網（さらには、時間変化電圧を発生するための関
連ダイナミック要素）に対する依存性を減じるものであ
る。それは要求される正確な電力量を供給するための電
位を有する回路に代えて、負荷の両端に負荷特性とは独
立した低ひずみの予備プログラム波形を発生するもので
ある。この技術は出力動特性インピーダンスを極小化す
るとともに、入力電圧のふらつき効果を減少させる。
【０００４】これらの特徴は重要であるが、それ以上に
動作力学、応答時間、回路複合性及び変化したトポロジ
ー及び利用分野に対する適応性の改良も重要である。
【０００５】したがって、本発明の目的は、上記のよう
な改良を提供することである。
【０００６】
【発明の要約】本発明は次のような発見、すなわち所望
の電力供給を可能にする上での重要な改良は出力電流及
び電圧パラメータを監視し、それらのパラメータ（ある
種の利用形態においては、他のパラメータも含む）の関
数として入力を制御する適応制御技術を用いることによ
り達成できる、という発見に基づくものである。
【０００７】本発明によれば、入力電流を定数Ｋと制御
信号ｖc の関数となるように制御する技術が提供され
る。後者の関数は出力パワー変数の関数、すなわち出力
電流対電圧の比率、又はその逆数あるいは出力電流であ
り、その選択は所望の特性に応じて決定されるものであ
る。ある種の適用例において、ｖc は入力変数の関数、
例えばｖi 又はｉi であることができる。
【０００８】本発明に従って構成された電力変換器の出
力調整方法は、（１） 出力電圧及び電流パラメータを
監視し、（２） 前記出力電流及び出力電圧を含む因子
の関数として制御信号を発生することにより制御関数Ｆ
を引出し、（３）定数Ｋ及び前記制御関数Ｆの関数とし
て入力電流を制御すること、からなっている。
【０００９】本発明の別の具体化によれば、再び適応制
御システムの概念において入力電力を、ある定数及び出
力電圧対出力電流の比率の関数として制御することによ
り、一定の電流特性が達せられる。
【００１０】本発明のさらに別の具体化によれば、入力
電流を、適応制御システムの概念において定数及び出力
電流の関数として制御することにより、実質上一定の電
圧出力特性が達せられる。
【００１１】本発明は、これらの特徴を有する結果とし
て、ａ） 改良された動特性：制御回路は微分方程式で
なく代数式を実行すること、ｂ） エネルギー蓄積要素
により厳密に決定される極めて高速のライン／負荷過渡
応答性を有すること、ｃ） 変換器トポロジー及び動作
順序（連続又は不連続）に関して実質上不変の制御回路
を構成すること、を可能にするものである。
【００１２】
【本発明の概念】図１は予備知識として前述した米国特
許第４，６００，９８４号において論述された関係を示
すものである。図において、ブロック１０で概括された
変換器１０は入力電圧ｖi を印加されて入力電流ｉi を
受入れ、入力電力Ｐinに等しい出力電流Ｐo （したがっ
て、効率１００％とする）を発生するものである。
【００１３】変換器は次のような関係を有するものとす
る。 Ｐi ＝Ｋｖc （１） ここに、ｖc c 制御信号であり、Ｋは定数である。
【００１４】図に示す通り、制御電圧ｖc は出力電流対
出力電圧の比の関数として引き出される。すなわち、 ｖc ＝ｉo ／ｖo （２） この場合、変換器１０への入力電力は、 Ｐi ＝Ｋｖc ＝Ｋ（ｉo ／ｖo ） （３） また、 Ｐi ＝Ｐo ＝ｉo ｖo （４）
【００１５】第（３）及び（４）式を結合したｖo の解
法は次のように与えられる。 Ｋ（ｉo ／ｖo ）＝ｉo ｖo （５） ｖo ＝√Ｋ （６）
【００１６】第（６）式は前記米国特許における適応制
御法が変換器の入力電圧又は出力電流の変化に感応しな
い変換器出力電圧を発生し得るものであることを示して
いる。
【００１７】本発明の実施化 本発明の重要な改良点は、前述した関係を打ち破ること
によって達成されたものと認識することができる。
【００１８】変換器は単純な方法において電流源として
動作することが発見された。これは図２に示す通り、変
換器３５に加えられるｖc 信号を次のように制御するこ
とにより達せられる。 ｖc ＝ｖo ／ｉo （７） その結果、 ｉo ＝√Ｋ （８）
【００１９】かくして、ｖo 及びｉo を検出し、例えば
割り算器３６ｖo ／ｉo を形成し、さらに、その値をｖ
c 信号の制御に用いることにより一定の電流特性が達せ
られる。
【００２０】さらに、重要な改良は、入力電力の代わり
に、入力電流に対して制御を行うとき達せられるという
ことが発見された。その結果、図３に示された適応制御
の形態は入力電流ｉi がＫ及びｖc に従って制御される
場合に採用され得る。
【００２１】ｉi の制御においてｖc を発生するために
は、いくつかの方法が存在する。そこで、これらの方法
について次に述べる。
【００２２】方法ａ 信号ｖc は次式により生成される。 ｖc ＝ｉo ／（ｖi ｖo ） （９） したがって、 ｉi ＝Ｋｖc ＝Ｋｉo ／（ｖi ｖo ） （１０） 第（１０）式よりＰinを計算すれば、 Ｐi ＝ｉi ｖi ＝｛Ｋｉo ／（ｖi ｖo ）｝ｖi （１１） Ｐi ＝Ｋｉo ／ｖo （１２） これらの式においては、図１の回路についての第（３）
式と同様、図３の回路の性能も理想化されたものとして
示している。
【００２３】方法ｂ 制御信号は次式により生成される。 ｖc ＝ｉo ／ｖo （１３） 適当な代数演算が実施される。 ｖo ＝√（ｖi Ｋ） （１４）
【００２４】この方法は入力電圧変化の減衰に関する√
２の係数を提供し、かつ出力負荷過渡特性を完全に拒否
するものである。
【００２５】方法ｃ 制御信号は次式により生成される。 ｖc ＝ｉo （１５） 適当な代数演算が実行される。 ｖo ＝Ｋｖi （１６）
【００２６】この方法は入力電圧変化の減衰をもたらさ
ない。しかしながら、それは出力負荷の過渡特性の完全
な拒否を行うものである。その結果、この方法により制
御回路は単純化される。
【００２７】これらの制御回路の具体化については、典
型的に種々のパラメータの温度ドリフトやオフセットな
どの補償を行うことが必要である。
【００２８】加えて、効率１００％の仮定は信頼性がな
く、出力側における電力損失により不正確な出力電圧／
電流値をもたらすことになる。
【００２９】これらの誤差のすべては掛け算的又は加算
的なものとして次のように分類することができる。 Ｐi ＝Ｐo ＋Ｐloss （１７） Ｐi ＝（ＫＫe ）ｉo ／ｖo （１８） ＫＫe （ｉo ／ｖo ）＝ｖo ｉo ＋Ｐloss （１９） ｖo ＝√｛ＫＫe −Ｐloss（ｖo ／ｉo ）｝（２０）
【００３０】我々は、Ｋe を掛け算誤差とし、Ｐ
loss（ｖo ／ｉo ）を加算誤差と定義する。これらの誤
差の大半は時間的に変化しないか、又は時間的に極めて
緩やかな変化しか生じないものであり、入力電圧及び出
力負荷（Ｐloss）からは大きく独立したものであること
に留意し、ここで、これらの誤差を補正し、かつ高精度
な定常値を与える“出力ＤＣ”（超低速）ループを得る
ことができる。一つの可能な実施回路は図４に示す通り
である。
【００３１】図４の回路において、変換器４０は入力電
力Ｐinを受入れ、要素としての出力電圧ｖo 及び出力電
流ｉo を有する出力電流Ｐo を発生する。
【００３２】入力電流ｉi は定数Ｋ及び制御電圧ｖc の
関数として制御される。
【００３３】ｖc を発生するため、出力電流ｉo と出力
電圧ｖo 及び入力電圧ｖi が掛け算器／割り算器４１に
加えられ、出力ｉo ／（ｖo ｖi ）が生成される。この
信号は増幅器Ａ１から引き出されたＶ+ 信号とともに、
掛け算器４２に加えられる。出力電圧ｖo 及び基準電圧
ｖref は増幅器Ａ１への入力である。
【００３４】掛け算器４２からの出力は減算器４３に加
えられる。この減算器４３は入力ｖo ｖref を受け入れ
る増幅器Ａ２から引き出された信号Ｖ* をも受け取るも
のである。
【００３５】二つの誤差増幅器Ａ１６及びＡ２はそれぞ
れ加算補正係数Ｖ+ 及び掛け算補正係数Ｖ* を発生す
る。すなわち、 ＫＫe Ｖ* ＝Ｋ （２１） Ｐloss＝ＫＫe Ｖ+ （２２） その結果、 ｖo ＝√Ｋ （２３）
【００３６】増幅器Ａ１又はＡ２は掛け算誤差及び加算
誤差の両方について完全に定常的な補正を提供し得る
が、大きな掛け算の積が加算増幅器により補正される場
合（又はその逆の場合）には、適応制御回路が機能しな
くなり、システムは常套的な帰還制御システムに後戻り
することになる。実際上は、一つの誤差型式のみが支配
的であり、したがって、一つの増幅器のみが必要とさ
れ、他の補正型式は無視されるか、又は定数により補正
することができる。
【００３７】この明細書において、誤差の記述は限られ
た方法において行うことに注意すべきである。他の誤差
は回路中に存在する電圧及び電流検知誤差や種々のオフ
セット（ずれ）などである。しかしながら、これらの誤
差のすべては、掛け算型又は加算型であり、回路中の妥
当な点に加えられる適当な項により補正することがであ
る。
【００３８】内部制御ループ型入力電流制御の実施 前述した通り、本発明の適応制御法は、その入力エネル
ギー源から制御電圧に比例した電流を導出することを要
点するものである。これらの特徴は、多数の制御法によ
り具体化することができる。
【００３９】 （１）入力電力‐パルス入力電流変換器の制御 この方法は図５に示す通り、パルス入力電流を有する変
換器、例えばバック‐バックブースト（buck and buck-
boost ）変換器などに適用される。変換器５０はそのパ
ワースイッチの導通時間中においてのみ入力電源から電
力を受け入れる。この場合、スイッチ電流としての入力
電流が検出され、その電流を表す信号が積分器５１に供
給されて積分される。積分値が制御電圧ｖc の値に等し
くなれば、ＰＷＭ比較器５２がフリップフロップ５３を
介して変換器５０のスイッチを“オン”に転じる。
【００４０】クロックパルスは積分器の出力をゼロにリ
セットするとともに、スイッチを一定周波数ｆにおいて
“オン”に転じる。上記の動作は数学的には次のように
記述される。
【数１】 そして
【数２】 であるから、 ｉi （ａｖｅ）＝ｆｖc （２６） を要求通り正確に得ることができる。
【００４１】回路がサイクル毎の補正を行うものである
ため、小信号の伝達関数はほとんどスイッチング周波数
までフラットになることが直観的に期待される。これは
興味深いことであり、実際の回路における測定はこの期
待を証明するものであった。
【００４２】 （２）非パルス型入力電流を有する変換器の制御 これらの変換器はその入力電源より連続的に電力を受け
入れるものであり、それらの入力電流は各スイッチ電流
と同一ではない。上記（１）における回路は積分器入力
として実際の入力電流ｉi を用いるものであった。
【００４３】しかしながら、この場合、積分器はスイッ
チの“ターンオフ”の直後にリセットされ、リセット期
間はスイッチング周期に関して無視され、その積分処理
はその後直ちに実行されるはずである。
【００４４】他の応用 上述した適応制御は種々のトポロジーに適用されること
により、それらの電力変換列パラメータによってのみ制
限される大きい信号過渡応答と、それらのスッチング周
波数に近接した小さい信号バンド幅を有するスイッチン
グ変換器の合成を可能にするものである。これらの特性
はＡＣ波形の発生などにおいて出力の迅速なプログラミ
ングが要求される場合に極めて有利に作用するものであ
る。
【００４５】一般に力率／高調波の補正、及びＤＣ／Ａ
Ｃインバータという二つの状況を考慮することができ
る。これらの適用において、制御回路の帯域幅は概して
低いものであり、負荷がステップ切換され、又は非直線
的に切り換えられる場合における波形のサブサイクル補
正は一般には不可能である。これらの制限は本発明の回
路をその制御のために用いることにより容易に克服する
ことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の理解に供するために描かれた入出力信
号の関係を示すブロック線図である。
【図２】本発明の一実施例における制御回路のブロック
線図である。
【図３】本発明の別の実施例における制御回路のブロッ
ク線図である。
【図４】本発明の補償技術を含む回路実施例を示す比較
的詳細なブロック線図である。
【図５】入力電流検知及び処理技術を採用した実施例を
示すブロック線図である。

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 電力変換器の出力を調整する方法であっ
    て、 （１） 出力電圧及び出力電流を出力パラメータとして
    監視し、 （２） 前記出力電流及び出力電圧の比率を含む因子の
    関数として制御信号を発生することにより制御関数Ｆを
    導出し、 （３） 前記入力電流を定数Ｋ及び前記制御関数Ｆの関
    数として制御する、 ことを特徴とする電力変換器の出力調整方法。
  2. 【請求項２】 前記制御関数の導出において入力パラメ
    ータをさらに用いることを特徴とする請求項１記載の方
    法。
  3. 【請求項３】 前記因子が出力電流対出力電圧の比を含
    むことを特徴とする請求項１又は２記載の方法。
  4. 【請求項４】 前記因子が出力電圧対出力電流の比を含
    むことを特徴とする請求項１又は２記載の方法。
  5. 【請求項５】 前記方法がさらに、長い時定数を有する
    制御ループを用いて非理想回路条件を補償する段階を含
    むことを特徴とする請求項１又は２記載の方法。
  6. 【請求項６】 前記入力パラメータが入力電圧又は入力
    電流であることを特徴とする請求項２記載の方法。
  7. 【請求項７】 適応制御法を採用した電力変換器であっ
    て、 （１） 入力電流を検出するための手段を含む入力回路
    と、 （２） 出力電流を検出するための手段を含む出力負荷
    供給回路と、 （３） 前記入力電流を制御するための手段を含み、前
    記出力電流に応答する回路構成を含む適応制御回路を備
    え、 前記変換器が実質上一定の出力特性を具備したことを特
    徴とする電力変換器。
  8. 【請求項８】 前記システムがさらに、前記出力電圧及
    び基準電圧に応答するように前記制御回路に結合された
    ことにより、ドリフト損失、電力損失及びその他の非理
    想条件を補償するための低周波負帰還制御ループを含む
    ことを特徴とする請求項７記載の電力変換器。
  9. 【請求項９】 電力変換器の出力を調整する方法であっ
    て、 （１） 出力電流のパラメータを監視し、 （２） 出力電流を含む因子の関数として制御信号を発
    生することにより制御関数Ｆを導出し、 （３） 定数Ｋ及び前記制御関数Ｆの関数として入力電
    流と入力電圧の積を制御する、 ことを特徴とする電力変換器の出力調整方法。
  10. 【請求項１０】 前記方法がさらに、長い時定数を有す
    る制御ループを用いて非理想回路条件を補償する段階を
    含むことを特徴とする請求項９記載の方法。
  11. 【請求項１１】 適応制御技術を用いた電力変換器であ
    って、 （１） 入力電力を検出するための手段を含む入力電力
    供給回路と、 （２） 出力電流を検出するための手段を含む出力負荷
    供給回路と、 （３） 前記入力電力を制御するための手段及び前記出
    力電流に応答する回路構成を含む適応制御回路を備え、 前記変換器が実質上一定の出力特性を具備したものであ
    ることを特徴とする電力変換器。
  12. 【請求項１２】 電力変換器の出力を調整する方法であ
    って、 （１） 出力電流を監視し、 （２） 前記出力電流の関数としての制御信号を発生す
    ることにより制御関数Ｆを導出し、 （３） 定数Ｋ及び前記制御関数Ｆの関数として入力電
    流を制御する、 ことを特徴とする電力変換器の出力調整方法。
JP4056186A 1991-02-05 1992-02-05 電力変換器のための適応制御の方法および装置 Pending JPH05176549A (ja)

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