WO2017217249A1 - パワーコンバータ - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a power converter having a capacitive power converter that switches a plurality of switch elements and charges and discharges a plurality of capacitors to step up and down a voltage.
- Patent Document 1 discloses a capacitive power converter such as a switched capacitor (also referred to as a charge pump circuit). So far, capacitive power converters have not been used in systems where high power is required. However, in recent years, there has been an attempt to use a capacitive power converter for large current applications from the viewpoint of power conversion efficiency.
- a capacitive power converter such as a switched capacitor (also referred to as a charge pump circuit). So far, capacitive power converters have not been used in systems where high power is required. However, in recent years, there has been an attempt to use a capacitive power converter for large current applications from the viewpoint of power conversion efficiency.
- the capacitive power converter described in Patent Document 1 charges and discharges the capacitor by turning on and off the switch element.
- the load connected to the capacitive power converter is overloaded and the load current becomes large, the capacitor is overdischarged.
- an inrush current is generated. Inrush current can cause element destruction and the like.
- an object of the present invention is to provide a power converter that determines the state of a load without causing a loss for current detection.
- the power converter according to the present invention includes a plurality of capacitors, a plurality of switch elements, and a control unit that performs switching control of the plurality of switch elements, and charges and discharges the plurality of capacitors by switching the plurality of switch elements.
- the capacitive power converter that boosts and lowers the voltage and outputs it to the load, the input voltage detector that detects the input voltage to the capacitive power converter, and the output voltage from the capacitive power converter
- An output voltage detection unit a detection unit that compares the input detection value detected by the input voltage detection unit with the output detection value detected by the output voltage detection unit, and determines the state of the load,
- the control unit is switching-controlled so that the value of the output detection value decreases linearly with an increase in load.
- the state of the load (whether the load is overloaded, etc.) is determined by detecting the input voltage and the output voltage of the capacitive power converter.
- loss can be suppressed and a decrease in power conversion efficiency by the capacitive power conversion unit can be avoided.
- the output voltage has a characteristic that linearly decreases as the load current increases in the entire load region, it is possible to easily determine the load state.
- the determination unit is a specified value based on a predetermined voltage conversion ratio, calculates at least one of the input detection value and the output detection value, compares the input detection value after the calculation and the output detection value, A configuration for determining the state of the load may be employed.
- the determination unit may calculate an estimated current from the input detection value, the output detection value, and a predetermined equivalent resistance value, and determine the state of the load based on the estimated current.
- the power converter may include a failure prevention control unit that performs failure prevention control based on a determination result by the determination unit.
- a transmission unit that transmits the determination result by the determination unit may be further provided.
- An inductive power conversion unit that is cascade-connected to the capacitive power conversion unit, includes an inductor and a switching element, and switches the state of the switching element to discharge and discharge the energy to the inductor. Furthermore, the structure provided may be sufficient.
- This configuration can prevent the inrush current from being generated due to the element destruction of the first stage converter, so that the chain element destruction of the latter stage converter can be prevented.
- the loss is suppressed, and a decrease in power conversion efficiency by the capacitive power conversion unit is avoided, thereby reducing the load.
- the state can be determined.
- FIG. 1 is a circuit diagram of a power converter according to the first embodiment.
- 2A and 2B are diagrams for explaining switching control in the capacitive power converter.
- FIG. 3 is a diagram for explaining a method for determining whether or not the load is overloaded.
- FIG. 4 is a diagram illustrating the relationship between the output voltage of the capacitive power converter and the load current.
- FIG. 5 is a diagram illustrating another example of an overload determination method.
- FIG. 6 is a diagram illustrating another example of an overload determination method.
- FIG. 7 is a circuit diagram of a power converter according to the second embodiment.
- FIG. 8 is a circuit diagram of a power converter in which a capacitive power converter and an inductive power converter are connected in cascade.
- FIG. 1 is a circuit diagram of a power converter 1 according to the first embodiment.
- the power converter 1 includes a pair of input terminals In1 and In2, and a pair of output terminals Out1 and Output terminals Out2.
- a direct current power source is connected to the input terminal In1 and the input terminal In2.
- a load is connected to the output terminal Out1 and the output terminal Out2.
- the power converter 1 steps down the DC voltage input from the input terminal In1 and the input terminal In2, and outputs it from the output terminal Out1 and the output terminal Out2. In the present embodiment, description will be made assuming that the input terminal In2 and the output terminal Out2 are circuit grounds.
- the power converter 1 includes a capacitive power conversion unit 10, an input voltage detection circuit 11, an output voltage detection circuit 12, a comparator 13, and a control unit 14.
- the capacitive power conversion unit 10 is connected between the input terminal In1 and the input terminal In2, and the output terminal Out1 and the output terminal Out2.
- the capacitive power converter 10 is, for example, a switched capacitor, and steps down the input voltage by switching the state of the switch element to charge / discharge the capacitor.
- the capacitive power converter 10 includes a switch element S11, a switch element S12, a switch element S13, a switch element S14, a switch element S15, a switch element S16, a switch element S17, a capacitor C11, and a capacitor C12. And a capacitor C13.
- the switching elements S11 to S17 are subjected to switching control by the control unit 14.
- the switch element S11 and the switch element S12 are connected between the input terminal In1 and the output terminal Out1.
- a series circuit of the capacitor C11 and the switch element S14 is connected between the connection point of the switch element S11 and the switch element S12 and the ground.
- a series circuit of a switch element S16, a capacitor C12, and a switch element S15 is connected between the output terminal Out1 and the ground.
- a switch element S13 is connected between a connection point between the capacitor C11 and the switch element S14 and a connection point between the switch element S16 and the capacitor C12. Further, the switch element S17 is connected between the connection point between the capacitor C12 and the switch element S15 and the output terminal Out1.
- the capacitor C13 is connected between the output terminal Out1 and the output terminal Out2.
- Capacitor C11, capacitor C12, and capacitor C13 each have the same capacitance. Note that the capacitor C11, the capacitor C12, and the capacitor C13 may have different capacitances.
- FIG. 2 (A) and 2 (B) are diagrams for explaining the switching control in the capacitive power conversion unit 10.
- FIG. 1 example consider a case where the capacitive power conversion unit 10 steps down an input voltage of 3.0 V to an output voltage of 1.0 V.
- the control unit 14 turns on the switch element S11, the switch element S13, and the switch element S17 as shown in FIG. S14, switch element S15, and switch element S16 are turned off.
- a series circuit of a capacitor C11, a capacitor C12, and a capacitor C13 is connected between the input terminal In1 and the ground.
- the capacitor C11, the capacitor C12, and the capacitor C13 are each charged with a voltage of 1.0V.
- the control unit 14 turns off the switch element S11, the switch element S13, and the switch element S17, and switches the switch element S12, the switch element S14, The switch element S15 and the switch element S16 are turned on.
- a capacitor C11, a capacitor C12, and a capacitor C13 are connected in parallel between the output terminal Out1 and the ground. Therefore, a voltage of 1.0 V is output from the output terminal Out1 and the output terminal Out2.
- the input voltage is stepped down to 1/3 by alternately switching between the first state in FIG. 2A and the second state in FIG. 2B. .
- the input voltage detection circuit 11 is connected to the input terminal In1 and the input terminal In2.
- the input voltage detection circuit 11 is a voltage dividing circuit including a resistor R11 and a resistor R12.
- the input voltage detection circuit 11 divides and outputs the input voltage from the input terminal In1 and the input terminal In2.
- the input voltage detection circuit 11 is an example of the “input voltage detection unit” according to the present invention.
- the output voltage detection circuit 12 is connected to the output terminal Out1 and the output terminal Out2.
- the output voltage detection circuit 12 is a voltage dividing circuit including a resistor R21 and a resistor R22.
- the output voltage detection circuit 12 divides and outputs the output voltage from the output terminal Out1 and the output terminal Out2.
- the output voltage detection circuit 12 is an example of the “output voltage detection unit” according to the present invention.
- the output voltage of the input voltage detection circuit 11 and the output voltage of the output voltage detection circuit 12 are input to the comparator 13.
- the comparator 13 compares the output voltages of the input voltage detection circuit 11 and the output voltage detection circuit 12 and outputs an H level or L level signal to the control unit 14 according to the comparison result.
- the control unit 14 determines the state of the load side connected to the output terminal Out1 and the output terminal Out2 according to whether the output signal of the comparator 13 is at the H level or the L level.
- the state on the load side means, for example, a state where the load is overloaded or a state where the load side is short-circuited. In the following description, the control unit 14 is described as determining whether or not the load is an overload.
- the control unit 14 determines whether or not the load is overloaded. If the load is overloaded, for example, the operation of the power converter 1 is limited or stopped. This avoids failure of the switch element or capacitor due to inrush current.
- the control unit 14 transmits the determination result to the outside, for example, another circuit.
- the control unit 14 is an example of a “determination unit”, “failure prevention control unit”, and “transmission unit” according to the present invention.
- FIG. 3 is a diagram for explaining a method for determining whether or not the load is overloaded.
- FIG. 3 is a simplified diagram of FIG.
- the voltage conversion ratio 1 / K of the capacitive power conversion unit 10 the input voltage of the capacitive power conversion unit 10 is Vi, the output voltage is Vo, the load current is Ic, and the equivalent resistance of the capacitive power conversion unit 10 is Represented by Rsc.
- V IDEAL Vi / K.
- the ideal state refers to a state where no loss occurs in the capacitive power conversion unit 10.
- a voltage drop Rsc * Ic
- the input voltage detection circuit 11 and the output voltage detection circuit 12 are set so that the output voltage of the output voltage detection circuit 12 is higher than the output voltage of the input voltage detection circuit 11.
- the capacitive power conversion unit 10 steps down the input voltage of 12.0V to 4.0V.
- the input voltage detection circuit 11 sets a constant so that the voltage division ratio becomes 1/12.
- the output voltage detection circuit 12 sets a constant so that the voltage division ratio becomes 1/2.
- the output voltage of the input voltage detection circuit 11 is 1.0V, and the output voltage of the output voltage detection circuit 12 is 2.0V. That is, the output voltage of the output voltage detection circuit 12 is higher than the output voltage of the input voltage detection circuit 11.
- the comparator 13 outputs an L level signal when the output voltage of the output voltage detection circuit 12 is higher than the output voltage of the input voltage detection circuit 11. When the output signal of the comparator 13 is at the L level, the control unit 14 determines that the load is not overloaded.
- FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the output voltage Vo of the capacitive power converter 10 and the load current Ic.
- the control unit 14 detects the input voltage Vi and the output voltage Vo of the capacitive power conversion unit 10 to monitor the voltage drop of the output voltage Vo, and whether or not the load is overloaded. Determine whether.
- the control part 14 avoids generation
- the determination level of overload by the control unit 14 can be adjusted by the voltage division ratio between the input voltage detection circuit 11 and the output voltage detection circuit 12. Specifically, the overload determination level is adjusted by adjusting the voltage value condition in which the load current Ic increases and the output voltage of the output voltage detection circuit 12 becomes lower than the output voltage of the input voltage detection circuit 11. Can be adjusted. In the ideal state, if the difference between the output voltage of the input voltage detection circuit 11 and the output voltage of the output voltage detection circuit 12 is reduced, the threshold for overload current detection is lowered. On the other hand, in the ideal state, if the difference between the output voltage of the input voltage detection circuit 11 and the output voltage of the output voltage detection circuit 12 is increased, the threshold value is increased.
- the overload can be determined by the configuration of FIG.
- an example of an overload determination method that can be performed even when the power supply voltage varies greatly will be described.
- FIG. 5 is a diagram showing another example of an overload determination method.
- the output voltage detection circuit 12 is not provided.
- the input voltage detection circuit 11 sets a constant such that the voltage division ratio is the same as the voltage conversion ratio 1 / K of the capacitive power conversion unit 10.
- the output of the input voltage detection circuit 11 is input to the non-inverting input unit of the comparator 18.
- the output of the comparator 18 is fed back to the inverting input section of the comparator 18.
- the output of the comparator 18 is input to the non-inverting input part of the comparator 18 through the resistor 17.
- a constant current circuit 19 is connected to the output side (comparator 18 side) of the resistor 17.
- the output voltage Vo of the capacitive power conversion unit 10 is input to the inverting input unit of the comparator 18.
- the resistance value of the resistor 17 is represented by R LIM
- the comparator 18 outputs an L level signal when the output voltage Vo is higher than the input voltage V LIM .
- the control unit 14 determines that the load is not an overload when the output signal of the comparator 18 is at the L level.
- the comparator 18 outputs an H level signal when the output voltage Vo becomes lower than the input voltage V LIM .
- the control unit 14 determines that the load is an overload.
- the input voltage V LIM can be changed as appropriate by arbitrarily setting the parameters, R LIM and I LIM .
- the overload determination level can be adjusted by arbitrarily setting the above parameters depending on the dependency of the power source or the temperature.
- the control unit 14 can detect the continuous load current Ic.
- FIG. 6 is a diagram illustrating another example of an overload determination method.
- the output of the input voltage detection circuit 11 is input to an amplifier circuit composed of resistors 21, 22, 23, and 24 and a comparator 25.
- This amplifier circuit outputs a voltage Vdif obtained by amplifying an error between the output voltage V IDEAL of the input voltage detection circuit 11 and the output voltage Vo.
- the comparator 26 compares the output voltage Vdif of the amplifier circuit with the reference voltage Vref.
- the comparator 26 outputs an H level signal when the voltage Vdif is higher than the voltage Vref.
- the control unit 14 determines that the load is an overload.
- the comparator 26 outputs an L level signal when the voltage Vdif becomes lower than the voltage Vref.
- the output signal of the comparator 26 is at L level, it is determined that the load is not overloaded. As described above, in the example illustrated in FIG. 6, the overload of the load is determined by looking at the drop of the voltage Vdif.
- the voltage Vdif can be changed as appropriate by arbitrarily setting the parameters R 23 , R 24 , and Vref.
- the overload determination level can be adjusted by arbitrarily setting the above parameters depending on the dependency of the power source or the temperature.
- FIG. 7 is a circuit diagram of the power converter 2 according to the second embodiment.
- the configuration (method) for determining the state on the load side is different from that of the first embodiment.
- the difference will be described. Since the configurations of the capacitive power conversion unit 10, the input voltage detection circuit 11, and the output voltage detection circuit 12 are the same as those in the first embodiment, description thereof is omitted.
- the power converter 2 includes an AD converter 15A and an AD converter 15B.
- the AD converter 15 ⁇ / b> A receives the output voltage of the input voltage detection circuit 11, converts it to a digital value, and outputs it to the control unit 16.
- the AD converter 15B receives the output voltage of the output voltage detection circuit 12, converts it to a digital value, and outputs it to the control unit 16.
- the control unit 16 calculates the load current Ic based on the two input digital values, the voltage conversion ratio 1 / K of the capacitive power conversion unit 10 and the equivalent resistance Rsc.
- This calculated load current Ic is an example of the “estimated current” according to the present invention.
- the control unit 16 stores a threshold value in, for example, a storage unit (not shown), compares the calculated load current Ic with the threshold value, and determines that the load is overloaded if the threshold value is greater than the threshold value.
- the power converter 2 can determine the state of the load without generating a loss and reducing the power conversion efficiency.
- the control unit 16 may calculate the load current Ic in consideration of temperature information or variation of each element due to the manufacturing process.
- the equivalent resistance Rsc of the capacitive power conversion unit 10 or the threshold value stored in the storage unit may be a fixed value or a variable value that changes according to temperature or voltage.
- values calculated in advance may be written as a table (lookup table), and the values may be referred to as necessary. Furthermore, correction may be made from the outside.
- the step-down power converter 1 has been described.
- the “power converter” according to the present invention can also step up. Specifically, the output terminal Out1 and the output terminal Out2 shown in FIG. 1 are set as the input side, and the input terminal In1 and the input terminal IN2 are set as the output side. Thereby, the input voltage from the output terminal Out1 and the output terminal Out2 can be boosted and output from the input terminal In1 and the input terminal IN2.
- the capacitive power conversion unit 10 performs a boost operation, it can be similarly determined whether or not it is in an overload state.
- the voltage conversion ratio 1 / K of the capacitive power conversion unit 10 may be a fixed magnification, and may not be regulated.
- the regulation refers to control for keeping the output voltage constant even when the input voltage or load current of the power converter fluctuates. Since the capacitive power conversion unit 10 does not perform the regulation, the output voltage linearly decreases as the load current increases in the entire load region, so that the determination of the load state can be facilitated.
- FIG. 8 is a circuit diagram of the power converter 3 in which the capacitive power converter 10 and the inductive power converter 30 are connected in cascade.
- the capacitive power conversion unit 10 and the inductive power converter 30 are cascade-connected between the terminal In1 and the terminal In2 and the terminal Out1 and the terminal Out2 so that the capacitive power conversion unit 10 is on the input side. .
- the inductive power converter 30 is a step-down converter.
- Inductive power converter 20 includes switch element Q11, switch element Q12, inductor L1, capacitor C2, and driver 31.
- the switch element Q11 is a p-type MOS-FET.
- the switch element Q12 is an n-type MOS-FET.
- the driver 31 performs switching control of the switch element Q11 and the switch element Q12.
- the inductive power converter 20 turns on and off the switch element Q11 and the switch element Q12 to step down the output voltage of the capacitive power conversion unit 10 and supplies it to the load connected to the terminal Out1 and the terminal Out2.
- the first-stage capacitive power conversion unit 10 as a non-regulation stage and allowing the subsequent-stage inductive power converter 30 to have a regulation function, it is possible to output stable power and improve power conversion efficiency.
- Capacitor Ic Load current In1, In2 ... Input terminal Out1, Out2 ... Output terminals R11, R12, R21, R22 ... Resistors S11, S12, S13, S14, S15, S16, S17 ... Switch element 1, 2, 3 ... Power converter 10 ... Capacitive power converter 11 ... Input voltage detection circuit (input voltage detection unit) 12 ... Output voltage detection circuit (output voltage detection unit) 13: Comparator 14: Control unit (determination unit, failure prevention control unit) 15A, 15B ... AD converter 16 ... control unit (determination unit, failure prevention control unit)
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Abstract
パワーコンバータ(1)は、複数のスイッチ素子(S11~S17)を切り替えて複数のキャパシタ(C11~C13)を充放電することで電圧を昇降圧し、負荷へ出力する容量性電力変換部(10)と、入力電圧を検出する入力電圧検出回路(11)と、出力電圧を検出する出力電圧検出回路(12)と、入力電圧検出回路(11)が検出する入力検出値と、出力電圧検出回路(12)が検出する出力検出値とを比較して、負荷の状態を判定する制御部(14)とを備える。この構成により、電流検出のための損失を生じさせることなく負荷の状態を判定する。
Description
本発明は、複数のスイッチ素子を切り替えて、複数のキャパシタを充放電することで電圧を昇降圧する容量性電力変換部を有するパワーコンバータに関する。
特許文献1には、スイッチトキャパシタ(チャージポンプ回路とも言う)等の容量性電力変換器が開示されている。これまで、容量性電力変換器は大電力が要求される系には用いられてこなかった。しかしながら、近年、電力変換効率の観点から、容量性電力変換器を大電流用途に用いる試みがある。
特許文献1に記載の容量性電力変換器は、スイッチ素子をオンオフして、キャパシタを充放電している。容量性電力変換器に接続される負荷が過負荷となり、負荷電流が大電流となると、キャパシタが過放電する。この状態で、スイッチ素子がオンされてキャパシタへの充電が開始されると、突入電流が発生する。突入電流は素子破壊等を引き起こす原因となりうる。
一方、容量性変換器を大電力用途に用いる場合、電力変換効率を高めるため、容量性電力変換器のスイッチ素子のオン抵抗を小さくして、オン抵抗での損失を抑えることが重要である。しかし、スイッチ素子のオン抵抗を小さくすると、発生する突入電流はより大きくなり、素子破壊等が引き起こされる可能性が高まる。したがって、容量性変換器を大電力用途に用いる場合には、負荷の状態を監視して、キャパシタの過放電が引き起こされない範囲で動作させることが要求される。
一般的に、負荷の状態を監視するために、負荷電流が流れる経路中に電流検出用の抵抗を設ける手法がある。しかしながら、負荷電流が増大するに従い、電流検出用抵抗での損失が増え、その結果、容量性電力変換器による電力変換効率が低下するといった問題がある。さらに、突入電流のような瞬間的に大きなピークを持つ電流を検出するのは困難である。
そこで、本発明の目的は、電流検出のための損失を生じさせることなく負荷の状態を判定するパワーコンバータを提供することである。
本発明に係るパワーコンバータは、複数のキャパシタと、複数のスイッチ素子と、前記複数のスイッチ素子をスイッチング制御する制御部とを有し、前記複数のスイッチ素子を切り替えて前記複数のキャパシタを充放電することで電圧を昇降圧し、負荷へ出力する容量性電力変換部と、前記容量性電力変換部への入力電圧を検出する入力電圧検出部と、前記容量性電力変換部からの出力電圧を検出する出力電圧検出部と、前記入力電圧検出部が検出する入力検出値と、前記出力電圧検出部が検出する出力検出値とを比較して、前記負荷の状態を判定する判定部とを備え、前記制御部は、負荷の増大に伴い前記出力検出値の値が線形的に低下するようにスイッチング制御されることを特徴とする。
この構成では、容量性電力変換部の入力電圧と出力電圧とを検出することで、負荷の状態(負荷が過負荷であるか否か等)を判定する。この場合、負荷電流の流れる経路に抵抗を設けて負荷電流を検出する一般的な手法と比べて、損失を抑制でき、容量性電力変換部による電力変換効率の低下を回避できる。また、全負荷領域において負荷電流の増大に伴い出力電圧が線形的に下降する特性を持つため、負荷状態の判定を容易にすることができる。
前記判定部は、既定の電圧変換比に基づく規定値で、前記入力検出値及び前記出力検出値の少なくとも一方を演算し、演算後の前記入力検出値と前記出力検出値とを比較して、前記負荷の状態を判定する構成でもよい。
この構成では、損失を抑制し、容量性電力変換部による電力変換効率の低下を回避して、負荷の状態を判定できる。
前記判定部は、前記入力検出値と、前記出力検出値と、既定の等価抵抗値とから、推定電流を演算し、前記推定電流に基づいて前記負荷の状態を判定する構成でもよい。
この構成では、損失を抑制し、容量性電力変換部による電力変換効率の低下を回避して、負荷の状態を判定できる。
前記パワーコンバータは、前記判定部による判定結果に基づいて、故障防止制御を行う故障防止制御部、を備えてもよい。
この構成では、過負荷である場合に、パワーコンバータの動作を制限又は停止させることで、突入電流の発生を抑制して、突入電流によるスイッチ素子又はキャパシタの故障等を回避できる。
前記判定部による判定結果を送信する送信部をさらに備えてもよい。
前記容量性電力変換部に縦続接続され、インダクタと、スイッチング素子とを有し、前記スイッチング素子の状態を切り替えて前記インダクタへのエネルギーを畜放電することで電圧を昇降圧する誘導性電力変換部をさらに備える構成でもよい。
この構成では、初段コンバータの素子破壊による突入電流の発生を防止することができるため、後段のコンバータの連鎖的な素子破壊を防ぐことができる。
本発明によれば、負荷の直前に抵抗を設けて負荷電流を検出する一般的な手法と比べて、損失を抑制し、容量性電力変換部による電力変換効率の低下を回避して、負荷の状態を判定できる。
(実施形態1)
図1は、実施形態1に係るパワーコンバータ1の回路図である。
図1は、実施形態1に係るパワーコンバータ1の回路図である。
パワーコンバータ1は、一対の入力端子In1及び入力端子In2と、一対の出力端子Out1及び出力端子Out2とを備える。入力端子In1及び入力端子In2には直流電源が接続される。出力端子Out1及び出力端子Out2には負荷が接続される。パワーコンバータ1は、入力端子In1及び入力端子In2から入力される直流電圧を降圧して、出力端子Out1及び出力端子Out2から出力する。本実施形態では、入力端子In2及び出力端子Out2は回路グランドであるものとして説明する。
パワーコンバータ1は、容量性電力変換部10と、入力電圧検出回路11と、出力電圧検出回路12と、比較器13と、制御部14とを備える。
容量性電力変換部10は、入力端子In1及び入力端子In2と、出力端子Out1及び出力端子Out2との間に接続される。容量性電力変換部10は、例えばスイッチトキャパシタであり、スイッチ素子の状態を切り替えてキャパシタを充放電させることで、入力電圧を降圧する。
容量性電力変換部10は、スイッチ素子S11と、スイッチ素子S12と、スイッチ素子S13と、スイッチ素子S14と、スイッチ素子S15と、スイッチ素子S16と、スイッチ素子S17と、キャパシタC11と、キャパシタC12と、キャパシタC13とを有する。スイッチ素子S11~S17は制御部14によりスイッチング制御される。
スイッチ素子S11とスイッチ素子S12とは、入力端子In1と出力端子Out1との間に接続される。スイッチ素子S11とスイッチ素子S12との接続点とグランドとの間には、キャパシタC11とスイッチ素子S14の直列回路が接続される。出力端子Out1とグランドとの間には、スイッチ素子S16と、キャパシタC12と、スイッチ素子S15との直列回路が接続される。キャパシタC11とスイッチ素子S14との接続点と、スイッチ素子S16とキャパシタC12との接続点との間には、スイッチ素子S13が接続される。また、キャパシタC12とスイッチ素子S15との接続点と、出力端子Out1との間には、スイッチ素子S17が接続される。キャパシタC13は、出力端子Out1と出力端子Out2との間に接続される。キャパシタC11と、キャパシタC12と、キャパシタC13は、それぞれ同じキャパシタンスを有する。なお、キャパシタC11と、キャパシタC12と、キャパシタC13は、異なるキャパシタンスであってもよい。
以下に、容量性電力変換部10での降圧動作について説明する。
図2(A)及び図2(B)は、容量性電力変換部10でのスイッチング制御を説明するための図である。この例では、容量性電力変換部10は、3.0Vの入力電圧を、1.0Vの出力電圧に降圧する場合について考える。
制御部14(図1参照)は、第1状態では、図2(A)に示すように、スイッチ素子S11と、スイッチ素子S13と、スイッチ素子S17とをオンにし、スイッチ素子S12と、スイッチ素子S14と、スイッチ素子S15と、スイッチ素子S16とをオフにする。この場合、図2(A)の矢印で示すように、入力端子In1とグランドとの間には、キャパシタC11と、キャパシタC12と、キャパシタC13との直列回路が接続される構成となる。この場合には、入力電圧は3.0Vであるため、キャパシタC11と、キャパシタC12と、キャパシタC13とに、それぞれ1.0Vの電圧が充電される。
次に、制御部14は、第2状態で、図2(B)に示すように、スイッチ素子S11と、スイッチ素子S13と、スイッチ素子S17とをオフにし、スイッチ素子S12と、スイッチ素子S14と、スイッチ素子S15と、スイッチ素子S16とをオンにする。この場合、図2(B)に示すように、出力端子Out1とグランドとの間には、キャパシタC11と、キャパシタC12と、キャパシタC13とがそれぞれ並列に接続される構成となる。そのため、出力端子Out1と出力端子Out2とから1.0Vの電圧が出力される。
このように、容量性電力変換部10において、図2(A)の第1状態と、図2(B)の第2状態とを交互に切り替えることによって、入力電圧は1/3に降圧される。
図1に戻り、入力端子In1及び入力端子In2には、入力電圧検出回路11が接続される。入力電圧検出回路11は、抵抗R11と抵抗R12とを含む分圧回路である。入力電圧検出回路11は、入力端子In1及び入力端子In2からの入力電圧を分圧して出力する。入力電圧検出回路11は、本発明に係る「入力電圧検出部」の一例である。
出力端子Out1及び出力端子Out2には、出力電圧検出回路12が接続される。出力電圧検出回路12は、抵抗R21と抵抗R22とを含む分圧回路である。出力電圧検出回路12は、出力端子Out1及び出力端子Out2からの出力電圧を分圧して出力する。出力電圧検出回路12は、本発明に係る「出力電圧検出部」の一例である。
入力電圧検出回路11の出力電圧と、出力電圧検出回路12の出力電圧は、比較器13に入力される。比較器13は、入力電圧検出回路11及び出力電圧検出回路12それぞれの出力電圧を比較し、比較した結果により、Hレベル又はLレベルの信号を制御部14へ出力する。
制御部14は、比較器13の出力信号がHレベルであるか、Lレベルであるかに従い、出力端子Out1及び出力端子Out2に接続される負荷側の状態を判定する。負荷側の状態とは、例えば、負荷が過負荷状態、又は、負荷側がショートした状態等を言う。以下では、制御部14は、負荷が過負荷であるか否かを判定するものとして説明する。
負荷が過負荷であると、容量性電力変換部10の出力電流(負荷電流)は大きくなる。出力電流が大きくなると、容量性電力変換部10のキャパシタが過放電する。その結果、キャパシタを充電する際に突入電流が発生し、スイッチ素子又はキャパシタの故障の原因となる。そこで、制御部14は、負荷が過負荷であるか否かを判定して、過負荷である場合には、例えば、パワーコンバータ1の動作を制限又は停止させる。これにより、突入電流によるスイッチ素子又はキャパシタの故障等を回避する。
制御部14は、判定結果を、外部、例えば他の回路へ送信する。
制御部14は、本発明に係る「判定部」、「故障防止制御部」及び「送信部」の一例である。
以下、負荷が過負荷であるか否かの判定方法について詳述する。
図3は、負荷が過負荷であるか否かの判定方法を説明するための図である。図3は、図1を簡略化した図である。
図3において、容量性電力変換部10の電圧変換比1/K、容量性電力変換部10の入力電圧をVi、出力電圧をVo、負荷電流をIc、容量性電力変換部10の等価抵抗をRscで表す。
理想状態での容量性電力変換部10の出力電圧をVIDEALで表した場合、VIDEAL=Vi/Kで表せる。理想状態とは、容量性電力変換部10において損失が発生しない状態を言う。負荷電流Icが流れると、容量性電力変換部10での電圧降下(Rsc*Ic)が生じる。理想状態において、入力電圧検出回路11及び出力電圧検出回路12は、出力電圧検出回路12の出力電圧が、入力電圧検出回路11の出力電圧よりも高くなるよう、定数設定される。
例えば、容量性電力変換部10は、12.0Vの入力電圧を4.0Vに降圧するものとする。この場合に、入力電圧検出回路11は、分圧比が1/12となるように定数設定する。出力電圧検出回路12は、分圧比が1/2となるように定数設定する。そうすると、入力電圧検出回路11の出力電圧は1.0V、出力電圧検出回路12の出力電圧は2.0Vである。つまり、出力電圧検出回路12の出力電圧は、入力電圧検出回路11の出力電圧よりも高い。
比較器13は、出力電圧検出回路12の出力電圧が入力電圧検出回路11の出力電圧よりも高い場合、Lレベルの信号を出力する。制御部14は、比較器13の出力信号がLレベルである場合には、負荷は過負荷でないと判定する。
負荷電流が流れると、前記のように、容量性電力変換部10において電圧降下が生じる。このときの出力電圧Voは、Vo=VIDEAL-Rsc*Ic=Vi/K-Rsc*Icで表せる。
図4は、容量性電力変換部10の出力電圧Voと負荷電流Icとの関係を示す図である。
図4に示すように、負荷電流Icが大きくなるに従い、容量性電力変換部10の出力電圧Voには線形的な電圧降下が発生する。この電圧降下は、出力電圧Voと理想電圧VIDEAL(=Vi/K)との乖離度合いである。すなわち、出力電圧Voは、Vi/Kよりも電圧(Rsc*Ic)分低くなる。この結果、出力電圧検出回路12の出力電圧は、理想状態での出力電圧検出回路12の出力電圧よりも低くなる。出力電圧検出回路12の出力電圧が、入力電圧検出回路11の出力電圧よりも低くなると、比較器13は、Hレベルの信号を出力する。制御部14は、比較器13の出力信号がHレベルである場合には、負荷は過負荷であると判定する。
このように、制御部14は、容量性電力変換部10の入力電圧Viと、出力電圧Voとを検出することで、出力電圧Voの電圧降下を監視して、負荷が過負荷であるか否かを判定する。本実施形態では、入力電圧と出力電圧との電圧差を計測して、負荷の状態を判定するため、負荷電流検出用抵抗を設ける場合と異なり、その抵抗での損失は生じない。そして、過負荷である場合に、制御部14は、容量性電力変換部10の動作を制限又は停止させることで、突入電流の発生を回避する。具体的には、制御部14は、全部又は一部のスイッチ素子をオフにする。
なお、制御部14による過負荷の判定レベルは、入力電圧検出回路11と出力電圧検出回路12との分圧比により調整できる。具体的には、負荷電流Icが大きくなり、出力電圧検出回路12の出力電圧が、入力電圧検出回路11の出力電圧よりも低くなる電圧値の条件を調整することで、過負荷の判定レベルを調整できる。理想状態において、入力電圧検出回路11の出力電圧と出力電圧検出回路12の出力電圧との差分を小さくすれば、過負荷電流検出の閾値が低くなる。一方で、理想状態において、入力電圧検出回路11の出力電圧と出力電圧検出回路12の出力電圧との差分を大きくすれば、前記閾値は高くなる。
電源電圧の変動が小さい場合、つまり、電源電圧変動の影響を受けない場合には、図3の構成により、過負荷の判定を行える。以下では、電源電圧の変動が大きい場合でも行える過負荷の判定方法の例を示す。
図5は、別の例の過負荷の判定方法を示す図である。
この例では、出力電圧検出回路12は設けられない。入力電圧検出回路11は、分圧比が、容量性電力変換部10の電圧変換比1/Kと同じとなるように定数設定する。入力電圧検出回路11の出力は、比較器18の非反転入力部に入力される。比較器18の反転入力部には、比較器18の出力がフィードバック入力される。比較器18の出力は抵抗17を介して、比較器18の非反転入力部に入力される。また、抵抗17の出力側(比較器18側)には、定電流回路19が接続される。
比較器18の反転入力部には、容量性電力変換部10の出力電圧Voが入力される。ここで、抵抗17の抵抗値をRLIM、抵抗17を流れる電流をILIMで表す。入力電圧検出回路11の分圧比は容量性電力変換部10と同じであるため、入力電圧検出回路11の出力電圧は、理想状態での容量性電力変換部10の出力電圧VIDEAL=Vi/Kで表せる。
比較器18の非反転入力部への入力電圧VLIMは、VLIM=VIDEAL-RLIM*ILIM=Vi/K-RLIM*ILIMで表せる。また、前記のように、容量性電力変換部10の出力電圧Voは、Vo=VIDEAL-Rsc*Ic=Vi/K-Rsc*Icで表せる。
比較器18は、出力電圧Voが入力電圧VLIMよりも高い場合、Lレベルの信号を出力する。制御部14は、比較器18の出力信号がLレベルである場合には、負荷は過負荷でないと判定する。また、比較器18は、出力電圧Voが入力電圧VLIMよりも低くなると、Hレベルの信号を出力する。制御部14は、比較器18の出力信号がHレベルである場合には、負荷は過負荷であると判定する。
なお、入力電圧VLIMは、前記のパラメータ、RLIM、ILIMを任意に設定することで、適宜変更可能である。つまり、過負荷の判定レベルは、電源の依存性、又は温度等によって、前記のパラメータを任意に設定することで、調整可能である。
また、比較器18がVoと電圧VLIMとの誤差増幅を出力する誤差増幅回路である場合には、制御部14は、連続的な負荷電流Icを検出できる。
図6は、別の例の過負荷の判定方法を示す図である。
この例では、入力電圧検出回路11の出力が、抵抗21,22,23,24と、比較器25とからなる増幅回路に入力される。この増幅回路は、入力電圧検出回路11の出力電圧VIDEALと、出力電圧Voとの誤差を増幅した電圧Vdifを出力する。ここで、抵抗21,22、23,24のインピーダンスをそれぞれR21,R22,R23,R24で表し、R21=R23,R22,=R24とすると、増幅回路の出力電圧Vdifは、Vdif=(VIDEAL-Vo)*(R24/R23)で表せる。出力電圧Voは、Vo=VIDEAL-Rsc*Ic=Vi/K-Rsc*Icで表せるため、Vdif=Rsc*Ic*(R24/R23)で表せる。
比較器26は、増幅回路の出力電圧Vdifと、基準電圧Vrefとを比較する。比較器26は、電圧Vdifが電圧Vrefよりも高い場合、Hレベルの信号を出力する。制御部14は、比較器26の出力信号がHレベルである場合には、負荷は過負荷であると判定する。また、比較器26は、電圧Vdifが電圧Vrefよりも低くなると、Lレベルの信号を出力する。比較器26の出力信号がLレベルである場合には、負荷は過負荷でないと判定する。このように、図6に示す例では、電圧Vdifのドロップを視ることで、負荷の過負荷を判定する。
なお、電圧Vdifは、前記のパラメータ、R23、R24、Vrefを任意に設定することで、適宜変更可能である。つまり、過負荷の判定レベルは、電源の依存性、又は温度等によって、前記のパラメータを任意に設定することで、調整可能である。
(実施形態2)
図7は、実施形態2に係るパワーコンバータ2の回路図である。この例では、負荷側の状態を判定する構成(方法)が実施形態1と相違する。以下、その相違点について説明する。容量性電力変換部10と、入力電圧検出回路11と、出力電圧検出回路12との構成は、実施形態1と同じであるため、説明は省略する。
図7は、実施形態2に係るパワーコンバータ2の回路図である。この例では、負荷側の状態を判定する構成(方法)が実施形態1と相違する。以下、その相違点について説明する。容量性電力変換部10と、入力電圧検出回路11と、出力電圧検出回路12との構成は、実施形態1と同じであるため、説明は省略する。
パワーコンバータ2は、ADコンバータ15Aと、ADコンバータ15Bとを備える。ADコンバータ15Aは、入力電圧検出回路11の出力電圧が入力され、デジタル値に変換し、制御部16へ出力する。ADコンバータ15Bは、出力電圧検出回路12の出力電圧が入力され、デジタル値に変換し、制御部16へ出力する。
制御部16は、入力された2つのデジタル値と、容量性電力変換部10の電圧変換比1/K及び等価抵抗Rscとに基づいて、負荷電流Icを算出する。この算出される負荷電流Icは、本発明に係る「推定電流」の一例である。実施形態1で説明したように、出力電圧Voは、Vo=Vi/K-Rsc*Icで表せる。Rsc、Kは既知であり、VoとViとは、ADコンバータ15AとADコンバータ15Bとから得られる。その結果、制御部16は負荷電流Icを算出できる。
制御部16は、例えば不図示の記憶部に閾値を記憶しておき、算出した負荷電流Icと閾値とを比較して、閾値よりも大きいと、負荷が過負荷であると判定する。このように、実施形態1と同様、パワーコンバータ2は、損失を発生させて、電力変換効率を低下させることなく、負荷の状態を判定することができる。
なお、制御部16は、温度情報、又は、製造プロセスによる各素子のばらつきを考慮して、負荷電流Icの算出を行ってもよい。例えば、容量性電力変換部10の等価抵抗Rsc、又は、記憶部に記憶する閾値は、固定値であってもよいし、温度又は電圧に応じて変わる変数値としてもよい。また、予め計算した値をテーブル(ルックアップテーブル)として書き込んでおき,その値を必要に応じて参照するようにしてもよい。さらには、外部から補正可能としてもよい。
また、実施形態1,2では、降圧用のパワーコンバータ1について説明したが、本発明に係る「パワーコンバータ」は、昇圧することも可能である。詳しくは、図1に示す出力端子Out1と出力端子Out2を入力側とし、入力端子In1と入力端子IN2を出力側とする。これにより、出力端子Out1及び出力端子Out2からの入力電圧を、昇圧して、入力端子In1及び入力端子IN2から出力できる。このように、容量性電力変換部10が昇圧動作するパワーコンバータにおいても、同様に過負荷状態であるか否かを判定することができる。
また、容量性電力変換部10の電圧変換比1/Kは固定倍率とし、レギュレーションを行なわない構成としてもよい。ここで、レギュレーションとは、電力変換器の入力電圧や負荷電流などが変動した場合であっても、出力電圧を一定に保とうとする制御のことを指す。容量性電力変換部10でレギュレーションを行なわないことで、全負荷領域において負荷電流の増大に伴い出力電圧が線形的に下降する特性を持つため、負荷状態の判定を容易にすることができる。
また、容量性電力変換部10に誘導性電力変換器を縦続接続することも可能である。
図8は、容量性電力変換部10と、誘導性電力変換器30とを縦続接続したパワーコンバータ3の回路図である。
容量性電力変換部10と誘導性電力変換器30とは、容量性電力変換部10が入力側となるように、端子In1及び端子In2と、端子Out1及び端子Out2との間で縦続接続される。
誘導性電力変換器30は降圧コンバータである。誘導性電力変換器20は、スイッチ素子Q11と、スイッチ素子Q12と、インダクタL1と、キャパシタC2と、ドライバ31とを有する。スイッチ素子Q11はp型MOS-FETである。スイッチ素子Q12はn型MOS-FETである。ドライバ31は、スイッチ素子Q11とスイッチ素子Q12とをスイッチング制御する。誘導性電力変換器20は、スイッチ素子Q11と、スイッチ素子Q12とをオンオフして、容量性電力変換部10の出力電圧を降圧し、端子Out1及び端子Out2に接続される負荷へ供給する。
この構成とすることで、初段コンバータの素子破壊による突入電流の発生を防止することができるため、後段のコンバータの連鎖的な素子破壊を防ぐことができる。さらに、初段の容量性電力変換部10を非レギュレーション段とし、後段の誘導性電力変換器30にレギュレーション機能を担わせることで、安定した電力を出力することができ、電力変換効率が向上する。
C11,C12,C13…キャパシタ
Ic…負荷電流
In1,In2…入力端子
Out1,Out2…出力端子
R11,R12,R21,R22…抵抗
S11,S12,S13,S14,S15,S16,S17…スイッチ素子
1,2,3…パワーコンバータ
10…容量性電力変換部
11…入力電圧検出回路(入力電圧検出部)
12…出力電圧検出回路(出力電圧検出部)
13…比較器
14…制御部(判定部、故障防止制御部)
15A,15B…ADコンバータ
16…制御部(判定部、故障防止制御部)
Ic…負荷電流
In1,In2…入力端子
Out1,Out2…出力端子
R11,R12,R21,R22…抵抗
S11,S12,S13,S14,S15,S16,S17…スイッチ素子
1,2,3…パワーコンバータ
10…容量性電力変換部
11…入力電圧検出回路(入力電圧検出部)
12…出力電圧検出回路(出力電圧検出部)
13…比較器
14…制御部(判定部、故障防止制御部)
15A,15B…ADコンバータ
16…制御部(判定部、故障防止制御部)
Claims (6)
- 複数のキャパシタと、複数のスイッチ素子と、前記複数のスイッチ素子をスイッチング制御する制御部とを有し、前記複数のスイッチ素子を切り替えて前記複数のキャパシタを充放電することで電圧を昇降圧し、負荷へ出力する容量性電力変換部と、
前記容量性電力変換部への入力電圧を検出する入力電圧検出部と、
前記容量性電力変換部からの出力電圧を検出する出力電圧検出部と、
前記入力電圧検出部が検出する入力検出値と、前記出力電圧検出部が検出する出力検出値とを比較して、前記負荷の状態を判定する判定部と、
を備え、
前記制御部は、負荷の増大に伴い前記出力検出値の値が線形的に低下するようにスイッチング制御されるパワーコンバータ。 - 前記判定部は、
既定の電圧変換比に基づく規定値で、前記入力検出値及び前記出力検出値の少なくとも一方を演算し、演算後の前記入力検出値と前記出力検出値とを比較して、前記負荷の状態を判定する、
請求項1に記載のパワーコンバータ。 - 前記判定部は、
前記入力検出値と、前記出力検出値と、既定の等価抵抗値とから、推定電流を演算し、前記推定電流に基づいて前記負荷の状態を判定する、
請求項1又は2に記載のパワーコンバータ。 - 前記判定部による判定結果に基づいて、故障防止制御を行う故障防止制御部、
を備える、請求項1から請求項3の何れか1項に記載のパワーコンバータ。 - 前記判定部による判定結果を送信する送信部をさらに備える、請求項1から請求項4の何れか1項に記載のパワーコンバータ。
- 前記容量性電力変換部に縦続接続され、インダクタと、スイッチング素子とを有し、前記スイッチング素子の状態を切り替えて前記インダクタへのエネルギーを畜放電することで電圧を昇降圧する誘導性電力変換部をさらに備える、
請求項1から請求項5の何れか1項に記載のパワーコンバータ。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
Ref document number: 17813151 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |
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NENP | Non-entry into the national phase |
Ref country code: DE |
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122 | Ep: pct application non-entry in european phase |
Ref document number: 17813151 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |
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NENP | Non-entry into the national phase |
Ref country code: JP |