JP5293155B2 - DC-DC converter - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、誘導素子と誘導素子を駆動するスイッチング素子とを有する複数の変換部が接続されて、スイッチング素子のスイッチングにより直流電圧を電圧変換して出力する変換手段を備える、ＤＣ−ＤＣコンバータに関する。 The present invention relates to a DC-DC converter including a plurality of converters each having an inductive element and a switching element that drives the inductive element, and provided with conversion means that converts a DC voltage into voltage by switching the switching element and outputs the voltage. .
従来技術として、並列に配置された複数の入力変換部を備えており、出力の検知結果に基づいて複数の入力変換部のうち実際に出力を行うものを決定し、出力がより小さいときにはより少ない数の入力変換部による出力を行い、出力がより大きいときにはより多い数の入力変換部による出力を行う、ＤＣ−ＤＣコンバータが知られている（例えば、特許文献１，２参照）。
しかしながら、上述の従来技術では、実際に出力を行う変換部の数が切り替わる際に出力電圧に変動が生じてしまうことがあった。 However, in the above-described conventional technology, the output voltage sometimes fluctuates when the number of conversion units that actually output is switched.
そこで、本発明は、実際に出力を行う変換部の数が切り替わる際の出力電圧の変動を抑制できる、ＤＣ−ＤＣコンバータの提供を目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a DC-DC converter that can suppress fluctuations in output voltage when the number of conversion units that actually perform output is switched.
上記目的を達成するため、本発明に係るＤＣ−ＤＣコンバータは、
誘導素子と前記誘導素子を駆動するスイッチング素子とを有する複数の変換部が並列に接続されて、前記スイッチング素子のスイッチングにより直流電圧を電圧変換して出力する変換手段と、
前記複数の変換部のうち電力の出力をする変換部の数と該変換部が有する前記スイッチング素子を電流不連続モードでスイッチングさせるスイッチング信号のデューティ比とを負荷の大きさに応じて制御することにより、該変換部の出力を調整し、
前記複数の変換部のうち電力の出力をしている少なくとも一つ以上の変換部の出力が負荷の増加に応じて最大出力となった時点で該最大出力の変換部の出力を固定させるとともに、前記複数の変換部のうち電力の出力を停止していた少なくとも一つ以上の変換部の出力を負荷の増加に応じて増加させ、
前記複数の変換部のうち電力の出力をしている少なくとも一つ以上の変換部の出力が負荷の減少に応じて最小出力となった時点で該最小出力の変換部の出力を停止させるとともに、前記複数の変換部のうち最大出力で固定していた少なくとも一つ以上の変換部の出力を負荷の減少に応じて減少させる、制御手段とを備え、
前記制御手段は、前記複数の変換部それぞれにおいて、負荷の変動量に対して前記デューティ比を１／２乗で変化させることを特徴とするものである。
In order to achieve the above object, a DC-DC converter according to the present invention provides:
A plurality of conversion units having an inductive element and a switching element for driving the inductive element are connected in parallel, and conversion means for converting a DC voltage into voltage by switching of the switching element and outputting the converted voltage,
Controlling the number of converters that output power among the plurality of converters and the duty ratio of a switching signal for switching the switching elements of the converters in a current discontinuous mode according to the size of the load. By adjusting the output of the conversion unit,
At the time when the output of at least one or more conversion units that are outputting power among the plurality of conversion units becomes a maximum output according to an increase in load, the output of the conversion unit of the maximum output is fixed, Increasing the output of at least one conversion unit that has stopped outputting power among the plurality of conversion units in accordance with an increase in load,
At the time when the output of at least one or more conversion units that are outputting power among the plurality of conversion units becomes the minimum output according to the decrease in load, the output of the conversion unit of the minimum output is stopped, Control means for reducing the output of at least one of the plurality of converters that has been fixed at the maximum output according to a decrease in load,
The control means is characterized in that, in each of the plurality of conversion units, the duty ratio is changed by a power of 1/2 with respect to a load fluctuation amount .
本発明によれば、実際に出力を行う変換部の数が切り替わる際の出力電圧の変動を抑制できる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the fluctuation | variation of the output voltage at the time of switching the number of the conversion parts which actually output can be suppressed.
以下、図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態の説明を行う。図１は、本発明に係るＤＣ−ＤＣコンバータの一実施形態である昇圧型スイッチング電源装置１００の全体構成を示した概略図である。昇圧型スイッチング電源装置１００は、基準電圧入力端子１７に接続された基準電源１１からの入力電圧Ｖｉｎに基づいて、出力端子１８に接続された負荷装置１２に電力を供給する電源装置であって、入力電圧Ｖｉｎの電圧変動や負荷装置１２の消費電流（負荷電流）の変動に対して、基準電源１１からの入力電圧Ｖｉｎを昇圧変換した一定の電圧Ｖｏｕｔを負荷装置１２側に出力する電源装置（いわゆる昇圧型スイッチングレギュレータ）である。昇圧型スイッチング電源装置１００が車両に搭載された場合、例えば、基準電源１１は車載バッテリに相当するものであり、負荷装置１２は車載の電気負荷（例えば、マイクロコンピュータ、ＩＣ、抵抗負荷、モータなど）に相当するものである。車両に搭載される電気負荷は多種多様であり、各電気負荷の消費電流の変動により、車載バッテリの電圧は変動しやすく、供給すべき電力も変化するので、本実施形態のような昇圧型スイッチング電源を搭載することは効果的である。また、昇圧型スイッチング電源装置１００は、複数の電圧系（例えば、１４Ｖ系と４２Ｖ系）を有する車両において、両電圧系間の電圧変換を行うＤＣ−ＤＣコンバータとして用いても、効果的である。 The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic diagram showing the overall configuration of a step-up switching power supply apparatus 100 that is an embodiment of a DC-DC converter according to the present invention. Step-up switching power supply apparatus 100, the reference voltage based on the input voltage V in from the reference power supply 11 connected to the input terminal 17, a power supply device that supplies electric power to the load device 12 connected to the output terminal 18 output with respect to the fluctuation of the current consumption of the voltage or the load device 12 of the input voltage V in (load current), the constant voltage V out boosted converts the input voltage V in from the reference power supply 11 to the load device 12 side Power supply device (so-called step-up switching regulator). When the step-up switching power supply device 100 is mounted on a vehicle, for example, the reference power supply 11 is equivalent to an in-vehicle battery, and the load device 12 is an in-vehicle electric load (for example, a microcomputer, an IC, a resistance load, a motor, etc. ). There are various types of electric loads mounted on the vehicle, and the voltage of the in-vehicle battery tends to fluctuate due to fluctuations in the current consumption of each electric load, and the power to be supplied also changes. It is effective to install a power supply. The step-up switching power supply apparatus 100 is also effective when used as a DC-DC converter that performs voltage conversion between both voltage systems in a vehicle having a plurality of voltage systems (for example, 14V system and 42V system). .
昇圧型スイッチング電源装置１００は、誘導素子（インダクタンス素子）と誘導素子を駆動するスイッチング素子とを有する複数の変換部である変換回路（ユニット）が並列に接続されて、入力される直流電圧を電圧変換した電力をスイッチング素子のスイッチングにより出力する変換手段を備える。図１には、ｎ個のユニット１〜ｎが示されている。ユニット１は、基準電圧入力端子１７に入力フィルタ１３を介して接続される誘導素子であるインダクタＬ１と、インダクタＬ１の出力端子１８側とグランド（接地基準）との間に接続されてインダクタＬ１に流れるインダクタ電流ＩＬ１を制御する出力制御用のスイッチング素子ＳＷ１と、インダクタＬ１とスイッチング素子ＳＷ１とが接続された接続点にアノード側が接続される整流素子（ダイオード）Ｄ１とを備えている。他のユニットについても同様である。 In the step-up switching power supply device 100, a conversion circuit (unit), which is a plurality of conversion units having an inductive element (inductance element) and a switching element that drives the inductive element, is connected in parallel, and an input DC voltage is converted into a voltage Conversion means for outputting the converted electric power by switching of the switching element is provided. FIG. 1 shows n units 1 to n. The unit 1 is connected between the inductor L1 which is an inductive element connected to the reference voltage input terminal 17 via the input filter 13, and between the output terminal 18 side of the inductor L1 and the ground (ground reference) and connected to the inductor L1. a switching element SW1 for output control for controlling the inductor current I L1 flowing, and a rectifying element (diode) D1 of the inductor L1 and the switching element SW1 anode is connected to connection point. The same applies to the other units.
また、各整流素子Ｄ１〜Ｄｎのカソード側に接続されて出力電圧Ｖｏｕｔを平滑化するための出力コンデンサ６が備えられている。入力フィルタ１３は、例えば、ＬＣ回路やＲＣ回路で構成される。また、スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷｎの具体例として、ＩＧＢＴ，ＭＯＳＦＥＴ，バイポーラトランジスタ等の半導体素子が挙げられる。 Further, an output capacitor 6 is provided which is connected to the cathode side of each of the rectifying elements D1 to Dn and smoothes the output voltage Vout . The input filter 13 is configured by, for example, an LC circuit or an RC circuit. Specific examples of the switching elements SW1 to SWn include semiconductor elements such as IGBTs, MOSFETs, and bipolar transistors.
つまり、昇圧型スイッチング電源装置１００は、スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷｎをオン／オフさせるスイッチング信号に従って誘導素子Ｌ１〜Ｌｎに蓄積されたエネルギーを負荷装置１２に対して供給する。 That is, the step-up switching power supply device 100 supplies the energy stored in the induction elements L1 to Ln to the load device 12 in accordance with a switching signal for turning on / off the switching elements SW1 to SWn.
さらに、昇圧型スイッチング電源装置１００は、その出力電圧Ｖｏｕｔを検出する出力電圧検出手段として、出力電圧検出部１５を備える。また、出力電圧検出部１５によって所定のサンプリング周期で検出された出力電圧Ｖｏｕｔに基づいてスイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷｎをオン／オフさせるスイッチング制御の制御手段として、制御部１６を備える。また、スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷｎの駆動手段として、スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷｎのそれぞれに対して駆動部ＤＲ（ＤＲ１〜ＤＲｎ）を備える。出力電圧検出部１５、制御部１６、駆動部ＤＲは、抵抗素子やトランジスタ等の回路素子やマイクロコンピュータなどによって構成されるとよい。また、昇圧型スイッチング電源装置１００は、その出力電流（すなわち、負荷装置１２の負荷電流）を検出する電流検出手段として、電流検出部を備えてもよい。 Further, the step-up switching power supply apparatus 100 includes an output voltage detection unit 15 as output voltage detection means for detecting the output voltage Vout . Moreover, the control part 16 is provided as a control means of the switching control which turns on / off switching element SW1-SWn based on the output voltage Vout detected by the output voltage detection part 15 with the predetermined sampling period. In addition, as a driving unit for the switching elements SW1 to SWn, a driving unit DR (DR1 to DRn) is provided for each of the switching elements SW1 to SWn. The output voltage detection unit 15, the control unit 16, and the driving unit DR may be configured by circuit elements such as resistance elements and transistors, a microcomputer, and the like. The step-up switching power supply apparatus 100 may include a current detection unit as current detection means for detecting the output current (that is, the load current of the load device 12).
出力電圧検出部１５は、出力電圧Ｖｏｕｔの検出結果を制御部１６に出力する。出力電圧検出部１５は、例えば、直列接続された抵抗素子を備える分圧回路を備え、その分圧値によって出力電圧Ｖｏｕｔを検出する。 The output voltage detector 15 outputs the detection result of the output voltage Vout to the controller 16. The output voltage detection unit 15 includes, for example, a voltage dividing circuit including resistance elements connected in series, and detects the output voltage V out based on the voltage division value.
制御部１６は、スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷｎを駆動するスイッチング信号ＶＧ１〜ＶＧｎに対応するＰＷＭ信号の基本周波数を一定にそのデューティ比を変更するＰＷＭ制御を実行する。制御部１６は、ＰＷＭ信号のデューティ比を変更するため、ＰＷＭ信号のオン時間の指令値を演算するオン時間演算部を備える。 The control unit 16 executes PWM control for changing the duty ratio to a constant basic frequency of the PWM signal corresponding to the switching signals VG1 to VGn for driving the switching elements SW1 to SWn. The control unit 16 includes an on-time calculating unit that calculates a command value for the on-time of the PWM signal in order to change the duty ratio of the PWM signal.
オン時間演算部は、出力電圧Ｖｏｕｔがその目標電圧になるように、出力電圧検出部１５によって検出された出力電圧Ｖｏｕｔに基づいて、スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷｎをオンさせるオン時からオフ時までのオン時間の指令値を演算する。つまり、オン時間演算部は、出力電圧Ｖｏｕｔとその目標電圧との差分を或る増幅率で増幅した信号として、オン時間の指令値に相当する増幅信号を生成する。オン時間演算部は、例えば、出力電圧Ｖｏｕｔがその目標電圧より大きい場合にはオン時間の指令値を短くし、出力電圧Ｖｏｕｔがその目標電圧より小さい場合にはオン時間の指令値を長くする。具体的には、オン時間演算部は、出力電圧Ｖｏｕｔの目標電圧から出力電圧検出部１５によって検出された出力電圧Ｖｏｕｔを差し引いた誤差に応じて或る変化率でオン時間の指令値の長さを調整可能な、ロジック回路やマイクロコンピュータなどの演算手段を備える回路であるとよい。 The on-time calculator is configured to turn on the switching elements SW1 to SWn based on the output voltage Vout detected by the output voltage detector 15 so that the output voltage Vout becomes the target voltage. Calculates the command value for the ON time. That is, the on-time calculator generates an amplified signal corresponding to the on-time command value as a signal obtained by amplifying the difference between the output voltage Vout and the target voltage with a certain amplification factor. For example, when the output voltage Vout is larger than the target voltage, the on-time calculator shortens the on-time command value, and when the output voltage Vout is smaller than the target voltage, the on-time command value is increased. To do. Specifically, on-time computing unit of the command value of the ON time at a certain rate of change in accordance with the minus output voltage V out from the target voltage is detected by the output voltage detection unit 15 of the output voltage V out error The circuit may be a circuit having an arithmetic means such as a logic circuit or a microcomputer that can adjust the length.
制御部１６は、オン時間演算部によって演算されたオン時間の指令値に従って、所定の周波数のＰＷＭ信号を生成する。その生成結果を各駆動部ＤＲに出力する。駆動部ＤＲは、制御部１６からのＰＷＭ信号に従って、スイッチング素子ＳＷをオン／オフさせるパルス信号であるスイッチング信号ＶＧをスイッチング素子ＳＷ（例えば、ＩＧＢＴであればそのゲート）に対して出力する。駆動部ＤＲは、ＰＷＭ信号のオン時間でスイッチング素子ＳＷをオン状態にし、ＰＷＭ信号のオフ時間でスイッチング素子ＳＷをオフ状態にする、スイッチング信号ＶＧを生成する。 The control unit 16 generates a PWM signal having a predetermined frequency in accordance with the on-time command value calculated by the on-time calculation unit. The generation result is output to each drive unit DR. The drive unit DR outputs a switching signal VG, which is a pulse signal for turning on / off the switching element SW, to the switching element SW (for example, its gate in the case of IGBT) according to the PWM signal from the control unit 16. The drive unit DR generates a switching signal VG that turns on the switching element SW when the PWM signal is on and turns off the switching element SW when the PWM signal is off.
制御部１６のオン時間演算部によって演算されるオン時間の指令値によって、図２に示されるように、オンタイミングｓ１からオフタイミングｓ２までのオン時間（期間ｓ１−ｓ２）や、オンタイミングｓ４からオフタイミングｓ５までのオン時間（期間ｓ４−ｓ５）が調整され得る。このオン時間は、いわゆるオンデューティに相当する。図２は、スイッチング素子ＳＷをスイッチングさせるスイッチング信号ＶＧと、インダクタ電流ＩＬとの関係を示す波形図である。昇圧型スイッチング電源装置１００の制御部１６は、スイッチング素子のオフにより誘導素子に流れる誘導素子電流がスイッチング素子のオンの前に一旦零に至る電流不連続モードで制御する。すなわち、図２に示されるように、スイッチング素子ＳＷがオンからオフに切り替わることにより出力方向に流れるインダクタ電流が低下し始め、スイッチング素子ＳＷが再度オフからオンに切り替わる前にインダクタ電流が一旦零まで低下する電流不連続モードで制御する。スイッチング信号ＶＧに基づきスイッチング素子ＳＷがオフされると、出力方向に流れるインダクタ電流ＩＬは、オフタイミングをピークにして減少し、零に収束する。例えば、オン時間演算部によって演算されたオン時間の指令値の経過時（図２の場合、オフタイミングｓ２，ｓ５，ｓ８など）にスイッチング素子ＳＷをオンからオフに切り替えるスイッチング信号ＶＧが出力されている。 As shown in FIG. 2, the on-time from the on-timing s1 to the off-timing s2 (period s1-s2) or the on-timing s4 is determined by the on-time command value computed by the on-time computing unit of the control unit 16. The ON time (period s4-s5) until the OFF timing s5 can be adjusted. This on-time corresponds to a so-called on-duty. 2, a switching signal VG for switching the switching element SW, a waveform diagram showing the relationship between the inductor current I L. The control unit 16 of the step-up switching power supply apparatus 100 performs control in a current discontinuous mode in which the inductive element current flowing through the inductive element is once turned to zero before the switching element is turned on by turning off the switching element. That is, as shown in FIG. 2, when the switching element SW switches from on to off, the inductor current flowing in the output direction starts to decrease, and before the switching element SW switches from off to on again, the inductor current temporarily reaches zero. Control in decreasing current discontinuous mode. When the switching element SW based on the switching signal VG is turned off, the inductor current I L flowing in the output direction, decreases in the off timing in the peak, converges to zero. For example, a switching signal VG for switching the switching element SW from on to off is output when an on-time command value calculated by the on-time calculation unit has elapsed (in the case of FIG. 2, off timings s2, s5, s8, etc.). Yes.
一方、各ユニット１〜ｎの出力電力は、以下のように計算することができる。図３は、各ユニット１〜ｎの出力電力の計算を説明するための図である。出力電圧をＶｏｕｔ、平均出力電流をＩｏｕｔとすると、平均出力電力Ｗは、式（１）で表される。また、平均出力電流Ｉｏｕｔは、最大ピーク電流をＩｍａｘ、スイッチング信号ＶＧがオンからオフに切り替わる時からインダクタ電流ＩＬがゼロになるまでの時間をｔｏｆｆ、スイッチング信号ＶＧの周期をＴとすると、式（２）で表される。さらに、最大ピーク電流Ｉｍａｘは、入力電圧Ｖｉｎ、インダクタ２のインダクタンスをＬ、スイッチング信号ＶＧがオフからオンに切り替わる時からオンからオフに切り替わる時までのオン時間をｔｏｎとすると、式（３）で表される。したがって、出力電力Ｗは、式（１）〜（３）に従って、周期Ｔとオン時間ｔｏｎとを用いて式（４）で表される。 On the other hand, the output power of each unit 1 to n can be calculated as follows. FIG. 3 is a diagram for explaining the calculation of the output power of each of the units 1 to n. When the output voltage is V out and the average output current is I out , the average output power W is expressed by Expression (1). The average output current I out has a maximum peak current I max, the switching signal VG is the inductor current from when switching from ON to OFF I L is time t off until the zero, the cycle of the switching signal VG T Then, it represents with Formula (2). Further, the maximum peak current I max can be expressed by the following equation when the input voltage V in , the inductance of the inductor 2 is L, and the on time from when the switching signal VG switches from off to on until when the switching signal VG switches from on to off is t on. 3). Therefore, the output power W is expressed by Expression (4) using the period T and the on-time t on according to Expressions (1) to (3).
ところで、ＰＷＭ制御を実行している制御部１６は、ｎ個のユニット１〜ｎのうち電力の出力を実際に行うユニットの数と電力の出力を実際に行うユニット内のスイッチング素子ＳＷを電流不連続モードでスイッチングさせるスイッチング信号ＶＧのデューティ比（Ｄｕｔｙ）とを負荷（すなわち、負荷装置１２の負荷電流又は消費電力）の大きさに応じて制御することにより、それらのユニットの出力を調整している。 By the way, the control unit 16 that performs the PWM control sets the number of units that actually output power among the n units 1 to n and the switching element SW in the unit that actually outputs power as a current non-current. By controlling the duty ratio (Duty) of the switching signal VG to be switched in the continuous mode according to the magnitude of the load (that is, the load current or power consumption of the load device 12), the output of those units is adjusted. Yes.
負荷が大きくなると出力電圧検出部１５によって検出される出力電圧Ｖｏｕｔは低下し、負荷が小さくなると出力電圧検出部１５によって検出される出力電圧Ｖｏｕｔは上昇する。すなわち、負荷の大きさは、出力電圧検出部１５の検出結果によって認識可能である。なお、負荷装置１２の負荷電流を検出する電流検出手段や負荷装置１２の消費電力を検出する電力検出手段によって、負荷の大きさの把握は可能である。 When the load increases, the output voltage Vout detected by the output voltage detector 15 decreases, and when the load decreases, the output voltage Vout detected by the output voltage detector 15 increases. That is, the magnitude of the load can be recognized from the detection result of the output voltage detector 15. Note that the magnitude of the load can be grasped by the current detection means for detecting the load current of the load device 12 and the power detection means for detecting the power consumption of the load device 12.
制御部１６は、負荷の増大に伴う負荷電流が増加することによって出力電圧Ｖｏｕｔが出力電圧Ｖｏｕｔの目標電圧より低下しすぎないように、制御部１６は、出力電圧検出部１５によって検出される出力電圧Ｖｏｕｔをフィードバックするフィードバック制御を行うことによって、一つ又は複数のユニットのスイッチング素子ＳＷのオン時間ｔｏｎを長くするために各ユニットのスイッチング素子のデューティ比を大きく制御する。デューティ比を大きく制御することによって、負荷の増大に対応して、各ユニットの出力電力を増やすことができる。 The control unit 16 is detected by the output voltage detection unit 15 so that the output voltage Vout does not drop below the target voltage of the output voltage Vout due to an increase in load current accompanying an increase in load. By performing feedback control that feeds back the output voltage Vout , the duty ratio of the switching element of each unit is largely controlled in order to increase the on-time t on of the switching element SW of one or a plurality of units. By controlling the duty ratio to be large, the output power of each unit can be increased in response to an increase in load.
逆に、制御部１６は、負荷の減少に伴う負荷電流が増加することによって出力電圧Ｖｏｕｔが出力電圧Ｖｏｕｔの目標電圧より上昇しすぎないように、制御部１６は、出力電圧検出部１５によって検出される出力電圧Ｖｏｕｔをフィードバックするフィードバック制御を行うことによって、一つ又は複数のユニットのスイッチング素子ＳＷのオン時間ｔｏｎを短くするために各ユニットのスイッチング素子のデューティ比を小さく制御する。デューティ比を小さく制御することによって、負荷の減少に対応して、各ユニットの出力電力を減らすことができる。 Conversely, the control unit 16, so that the output voltage V out is not too higher than the target voltage of the output voltage V out by a load current caused by the decrease of the load increases, the control unit 16, the output voltage detecting section 15 In order to shorten the ON time t on of the switching element SW of one or a plurality of units, the duty ratio of the switching element of each unit is controlled to be small by performing feedback control that feeds back the output voltage V out detected by . By controlling the duty ratio to be small, the output power of each unit can be reduced in response to a decrease in load.
図４は、負荷の大きさに応じて各ユニットに入力されるスイッチング信号ＶＧのデューティ比を変化させる第１の制御例を示した図である。 FIG. 4 is a diagram illustrating a first control example in which the duty ratio of the switching signal VG input to each unit is changed according to the magnitude of the load.
負荷の増加時には、制御部１６は、ｎ個のユニット１〜ｎのうち電力の出力をしている少なくとも一つ以上のユニットの出力を負荷の増加に応じてデューティ比を大きくし、デューティ比が所定の最大値（厳密には、電流不連続モードを達成できる範囲内の最大値）になることによりそのユニットの出力が最大出力となった時点で該最大出力のユニットの出力を固定させる。固定させるのとほぼ同時に、制御部１６は、ｎ個のユニットのうち電力の出力を停止していた少なくとも一つ以上のユニットの出力を、負荷の増加に応じてデューティ比を所定の最小値から大きくすることにより、増加させる。このように、電力を実際に出力するユニットの数とそのユニットのデューティ比とを増加させる制御を行うことによって、負荷が増加しても、その増加に対応して、総出力電力Ｗｏｕｔを大きくすることができる。 When the load increases, the control unit 16 increases the duty ratio of the output of at least one unit that outputs power among the n units 1 to n according to the increase of the load. By reaching a predetermined maximum value (strictly, a maximum value within a range in which the current discontinuous mode can be achieved), when the output of the unit reaches the maximum output, the output of the unit with the maximum output is fixed. At substantially the same time as fixing, the control unit 16 changes the duty ratio from a predetermined minimum value according to an increase in the load of at least one unit that has stopped outputting power among the n units. Increase by increasing. In this way, by performing control to increase the number of units that actually output power and the duty ratio of the units, the total output power W out is increased corresponding to the increase even if the load increases. can do.
例えば、制御部１６は、ユニット１のスイッチング素子ＳＷ１のデューティ比を所定の最大値まで制御しても、出力電圧検出部１５によって検出される出力電圧Ｖｏｕｔがその目標電圧に一致しなければ、それまで出力を停止していたユニット２のスイッチング素子ＳＷ２のデューティ比を所定の最小値から大きく制御する。そして、出力電圧検出部１５によって検出される出力電圧Ｖｏｕｔがその目標電圧に一致するまで、デューティ比が所定の最大値に達する毎に電力を出力させるユニットの数を追加して、その追加したユニットのデューティ比を大きくする。 For example, even if the control unit 16 controls the duty ratio of the switching element SW1 of the unit 1 to a predetermined maximum value, the output voltage V out detected by the output voltage detection unit 15 does not match the target voltage, The duty ratio of the switching element SW2 of the unit 2 whose output has been stopped until then is largely controlled from a predetermined minimum value. Then, until the output voltage V out detected by the output voltage detection unit 15 matches the target voltage, the number of units that output power each time the duty ratio reaches a predetermined maximum value is added, and the addition is performed. Increase the duty ratio of the unit.
一方、負荷の減少時には、制御部１６は、ｎ個のユニット１〜ｎのうち電力の出力をしている少なくとも一つ以上のユニットの出力を負荷の減少に応じてデューティ比を小さくし、デューティ比が所定の最小値になることによりそのユニットの出力が最小出力となった時点で該最小出力のユニットの出力を停止させる。停止させるのとほぼ同時に、制御部１６は、ｎ個のユニットのうち最大出力で固定していた少なくとも一つ以上のユニットの出力を、負荷の減少に応じてデューティ比をその最大出力を得るための最大値から小さくすることにより、減少させる。このように、電力を実際に出力するユニットの数とそのユニットのデューティ比とを減少させる制御を行うことによって、負荷が減少しても、その減少に対応して、総出力電力Ｗｏｕｔを小さくすることができる。 On the other hand, when the load decreases, the control unit 16 reduces the duty ratio of the outputs of at least one unit that outputs power among the n units 1 to n according to the decrease in the load. When the output of the unit becomes the minimum output due to the ratio becoming the predetermined minimum value, the output of the unit of the minimum output is stopped. Almost simultaneously with stopping, the control unit 16 obtains the maximum output of the output of at least one unit, which has been fixed at the maximum output among the n units, and the duty ratio according to the decrease in the load. Decrease by decreasing from the maximum value of. In this way, by controlling the number of units that actually output power and the duty ratio of the units, even if the load decreases, the total output power W out is reduced corresponding to the decrease. can do.
例えば、制御部１６は、ユニット３のスイッチング素子ＳＷ３のデューティ比を所定の最小値まで制御しても、出力電圧検出部１５によって検出される出力電圧Ｖｏｕｔがその目標電圧に一致しなければ、それまで出力を最大出力で固定していたユニット２のスイッチング素子ＳＷ２のデューティ比を最大値から小さく制御する。そして、出力電圧検出部１５によって検出される出力電圧Ｖｏｕｔがその目標電圧に一致するまで、デューティ比が所定の最小値に達する毎に電力を出力させるユニットの数を削減して、残りのユニットのデューティ比を小さくする。 For example, even if the control unit 16 controls the duty ratio of the switching element SW3 of the unit 3 to a predetermined minimum value, if the output voltage Vout detected by the output voltage detection unit 15 does not match the target voltage, The duty ratio of the switching element SW2 of the unit 2 that has been fixed at the maximum output until then is controlled to be smaller than the maximum value. Then, until the output voltage Vout detected by the output voltage detection unit 15 matches the target voltage, the number of units that output power each time the duty ratio reaches a predetermined minimum value is reduced, and the remaining units Reduce the duty ratio.
ところが、電流不連続モードで制御されるユニットにおいて、そのユニットのスイッチング素子ＳＷのデューティ比Ｄｕｔｙと出力電力Ｗとの関係は、上記の式（４）で表される。式（４）によれば、出力電力Ｗはデューティ比Ｄｕｔｙの２乗に比例し、或る値のＤｕｔｙからの一定のＤｕｔｙ変化量（Δｄｕｔｙ）に対する出力電力Ｗの出力電力変化量（ΔＷ）は、Ｄｕｔｙ自体の値によって変化することになる。すなわち、Ｄｕｔｙが小さい時にはＤｕｔｙ変化量Δｄｕｔｙに対する出力電力変化量ΔＷは小さく、Ｄｕｔｙが大きい時にはＤｕｔｙ変化量Δｄｕｔｙに対する出力電力変化量ΔＷは大きくなる。 However, in a unit controlled in the current discontinuous mode, the relationship between the duty ratio Duty of the switching element SW of the unit and the output power W is expressed by the above equation (4). According to the equation (4), the output power W is proportional to the square of the duty ratio Duty, and the output power change amount (ΔW) of the output power W with respect to a constant duty change amount (Δduty) from a certain value Duty is , And changes depending on the value of Duty itself. That is, when the duty is small, the output power change amount ΔW with respect to the duty change amount Δduty is small, and when the duty is large, the output power change amount ΔW with respect to the duty change amount Δduty is large.
したがって、電力を実際に出力するユニットの数が切り替わる際、デューティ比Ｄｕｔｙを可変させるフィードバック制御が行われるユニットのＤｕｔｙは、負荷増大時には大きい値から小さい値（すなわち、切り替え前の最大値から切り替え後の最小値）に変化し、負荷減少時には小さい値から大きい値（すなわち、切り替え前の最小値から切り替え後の最大値）に変化する。そのため、Ｄｕｔｙ（周期Ｔは一定なので、ＰＷＭ信号のオン時間の指令値と等価）を、出力電圧Ｖｏｕｔの目標電圧と出力電圧検出部１５によって検出される出力電圧Ｖｏｕｔとの誤差に比例して変化させると、Ｄｕｔｙ変化量Δｄｕｔｙに対する出力電力変化量ΔＷが急激に変動してしまう。この急激なフィードバックゲインの変化により、図５に示されるように、電力を実際に出力するユニットの数（「並列数」という）が切り替わる時に、出力電圧Ｖｏｕｔに変動が生じてしまう。 Therefore, when the number of units that actually output power is switched, the duty of a unit that performs feedback control to vary the duty ratio Duty is changed from a large value to a small value when the load increases (that is, after switching from the maximum value before switching). When the load decreases, the value changes from a small value to a large value (that is, from a minimum value before switching to a maximum value after switching). Therefore, (since the period T is constant, on command value equivalent to the time of the PWM signal) Duty and proportional to the error between the output voltage V out detected target voltage of the output voltage V out and the output voltage detection unit 15 The output power change amount ΔW with respect to the duty change amount Δduty changes rapidly. Due to this sudden change in feedback gain, as shown in FIG. 5, when the number of units that actually output power (referred to as “parallel number”) is switched, the output voltage V out varies.
図６は、出力電圧Ｖｏｕｔとその目標電圧との誤差に比例してＤｕｔｙを変化させた場合の、３つのユニットのそれぞれの制御状態及びＤｕｔｙと総出力電力Ｗｏｕｔとの関係図である。ｄ１は、ユニット１のＤｕｔｙの最小値（例えば、０．１）を示し、ｄ２は、ユニット１のＤｕｔｙの最大値（例えば、０．９）及びユニット２のＤｕｔｙの最小値（例えば、０．１）を示し、ｄ３は、ユニット２のＤｕｔｙの最大値（例えば、０．９）及びユニット３のＤｕｔｙの最小値（例えば、０．１）を示し、ｄ４は、ユニット３のＤｕｔｙの最大値（例えば、０．９）を示す。図６中、「ＰＷＭ制御」とは、デューティ比を変化させる制御状態を示し、「停止」とは、電力が出力されていない状態を示し、「最大出力駆動」とは、電力が最大出力で出力されている状態を示す。 6, when changing the Duty in proportion to the error of the output voltage V out and the target voltage, a relationship diagram of the respective control state and Duty total output power W out of the three units. d 1 indicates the minimum value of the duty of unit 1 (for example, 0.1), and d 2 indicates the maximum value of the duty of unit 1 (for example, 0.9) and the minimum value of the duty of unit 2 (for example, for example, 0.1). 0.1), d 3 indicates the maximum value of the duty of unit 2 (for example, 0.9) and the minimum value of the duty of unit 3 (for example, 0.1), and d 4 indicates that of unit 3 The maximum value of Duty (for example, 0.9) is shown. In FIG. 6, “PWM control” indicates a control state in which the duty ratio is changed, “stop” indicates a state in which no power is output, and “maximum output drive” indicates that the power is at the maximum output. Indicates the output status.
図６に示されるように、出力電圧Ｖｏｕｔとその目標電圧との誤差に比例してＤｕｔｙを変化させると、Ｄｕｔｙ自体の値にかかわらずＤｕｔｙ変化量Δｄｕｔｙは一定のため、電力を実際に出力するユニットの数（並列数）が切り替わる前後での総出力電力Ｗｏｕｔの変化量が急激に変わる。負荷増大によって並列数を追加した場合には出力電力変化量ΔＷが小さいことにより、必要とされる総出力電力Ｗｏｕｔが不足してしまう。一方、負荷減少によって並列数を削減した場合には出力電力変化量ΔＷが大きいことにより、必要とされる総出力電力Ｗｏｕｔが過剰に削減されてしまう。したがって、どちらの場合であっても、出力電圧Ｖｏｕｔの低下が発生することになる。 As shown in FIG. 6, when the duty is changed in proportion to the error between the output voltage V out and the target voltage, the duty change amount Δduty is constant regardless of the value of the duty itself, so that the power is actually output. the amount of change in total output power W out before and after the number (number of parallel) transition of units is changed abruptly. When the number of parallels is added due to an increase in load, the required total output power W out is insufficient because the output power change ΔW is small. On the other hand, when the number of parallels is reduced by reducing the load, the total output power W out required is excessively reduced due to the large output power change amount ΔW. Therefore, in either case, the output voltage Vout is reduced.
そこで、このような出力電圧Ｖｏｕｔの低下を防ぐため、制御部１６は、個々のユニットにおいて、Ｄｕｔｙ自体の値に応じて、負荷の変動量に対するＤｕｔｙ変化量Δｄｕｔｙを変化させることによって、出力電力変化量ΔＷが一定になるように制御する。制御部１６は、Ｄｕｔｙが大きい値の場合は小さい場合に比べ、負荷の変動量に対するΔｄｕｔｙを小さくする。負荷の変動量を表す値として、出力電圧Ｖｏｕｔとその目標電圧との誤差が挙げられる。負荷の変動量を表す値は、出力電圧や出力電流や出力電力の単位時間当たりの変化量でもよい。 Therefore, in order to prevent such a decrease in the output voltage V out , the control unit 16 changes the output power by changing the duty change amount Δduty with respect to the load fluctuation amount in each unit according to the value of the duty itself. Control is performed so that the amount of change ΔW is constant. The control unit 16 reduces Δduty with respect to the load fluctuation amount when the duty is a large value as compared to when the duty is small. An error between the output voltage Vout and the target voltage can be cited as a value representing the load fluctuation amount. The value representing the load fluctuation amount may be a change amount per unit time of the output voltage, output current, or output power.
図７は、出力電圧Ｖｏｕｔとその目標電圧との誤差の２分の１乗に比例してＤｕｔｙを変化させた場合の、３つのユニットのそれぞれの制御状態及びＤｕｔｙと総出力電力Ｗｏｕｔとの関係図である。つまり、式（４）によれば、制御部１６は負荷の変動量に対してＤｕｔｙを１／２乗で変化させることによって、（Ｄｕｔｙ）２が線形的に変化するため、並列数の切り替えに関係なく、総出力電力Ｗｏｕｔを線形的に変化させることができる。 FIG. 7 shows the control state and duty of each of the three units and the total output power W out when the duty is changed in proportion to the half power of the error between the output voltage V out and the target voltage. FIG. That is, according to the equation (4), the control unit 16 changes the duty by a power of ½ with respect to the load fluctuation amount, so that (Duty) 2 changes linearly. Regardless, the total output power W out can be varied linearly.
このように変化させることで、一定のフィードバックゲイン（Ｄｕｔｙ変化量Δｄｕｔｙに対する出力電力変化量ΔＷ）になる。そのため、並列数を切り替えた場合でも、切り替え前後でのフィードバックゲインは変わらず、急激なゲイン変動が無くなる。その結果、並列数を切り替える際の出力電圧Ｖｏｕｔの変動を抑制できる。また、切り替え時の出力電圧Ｖｏｕｔの変動を考慮して、図１に例示した入力フィルタ１３や出力コンデンサ１４などの入出力フィルタを設定する必要がないため、それらのフィルタの小型化を図ることができる。 By changing in this way, it becomes a constant feedback gain (output power change amount ΔW with respect to Duty change amount Δduty). Therefore, even when the parallel number is switched, the feedback gain before and after the switching does not change, and there is no sudden gain fluctuation. As a result, fluctuations in the output voltage Vout when switching the parallel number can be suppressed. Further, since it is not necessary to set input / output filters such as the input filter 13 and the output capacitor 14 illustrated in FIG. 1 in consideration of fluctuations in the output voltage Vout at the time of switching, the size of these filters can be reduced. Can do.
図８は、負荷の大きさに応じて各ユニットに入力されるスイッチング信号ＶＧのデューティ比を変化させる第２の制御例を示した図である。図９は、デューティ比の遷移状態Ｓ１とＳ２の場合の、インダクタ電流ＩＬの変化を示した図である。図８（ａ）に示されるように、Ｄｕｔｙを１／２乗で変化させるため、図８（ｂ）に示されるように、全体として、負荷の変動に対して各ユニットの出力電力がリニアに変化している。したがって、並列数の切り替えを行っても、昇圧型スイッチング電源装置１００全体としての急激なゲイン変動がなく、その出力電圧の変動を抑えることができる。 FIG. 8 is a diagram illustrating a second control example in which the duty ratio of the switching signal VG input to each unit is changed according to the magnitude of the load. 9, when the transition state S1 and S2 of the duty ratio is a view showing a change in inductor current I L. As shown in FIG. 8 (a), the duty is changed by a power of 1/2. Therefore, as shown in FIG. 8 (b), as a whole, the output power of each unit is linear with respect to the load variation. It has changed. Therefore, even if the number of parallel switching is performed, there is no abrupt gain fluctuation as the whole step-up switching power supply apparatus 100, and the fluctuation of the output voltage can be suppressed.
以上、本発明の好ましい実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。 The preferred embodiments of the present invention have been described in detail above. However, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications and substitutions can be made to the above-described embodiments without departing from the scope of the present invention. Can be added.
例えば、昇圧型スイッチング電源装置を例に挙げて説明したが、デューティ比が決まれば出力電力が一意に決まり、電流不連続モードの制御をするものであれば、他の構成のスイッチング電源装置でもよい。例えば、図１のユニット１〜ｎを図１０（ａ）の降圧回路に置き換えた降圧型のスイッチング電源装置の場合でも（０＜Ｖｏｕｔ＜Ｖｉｎ）、図１のユニット１〜ｎを図１０（ｂ）の負電圧生成回路に置き換えた反転型のスイッチング電源装置の場合でも（Ｖｏｕｔ＜０）、Ｄｕｔｙを１／２乗で変化させることによって、出力電圧を切替前後で一定にすることができる。また、例えば、インダクタとスイッチング素子とから構成される変圧回路を、スイッチング素子で駆動されるトランスで構成された変圧回路に置き換えたものでもよい。 For example, the step-up type switching power supply device has been described as an example. However, as long as the duty ratio is determined, the output power is uniquely determined, and the switching power supply device having another configuration may be used as long as it controls the current discontinuous mode. . For example, even in the case of a step-down switching power supply in which the units 1 to n in FIG. 1 are replaced with the step-down circuit in FIG. 10A (0 <Vout <Vin), the units 1 to n in FIG. In the case of the inverting type switching power supply replaced with the negative voltage generation circuit (Vout <0), the output voltage can be made constant before and after the switching by changing the Duty by 1/2 power. Further, for example, a transformer circuit composed of an inductor and a switching element may be replaced with a transformer circuit composed of a transformer driven by the switching element.
また、例えば、整流素子Ｄを、整流用スイッチング素子（それに並列接続されたダイオードを含む）に置き換えてもよい。出力電流が流れるときに整流用スイッチング素子をオンさせることによって、整流素子Ｄの場合に比べ発熱を抑えることができる。 Further, for example, the rectifying element D may be replaced with a rectifying switching element (including a diode connected in parallel thereto). By turning on the rectifying switching element when the output current flows, heat generation can be suppressed as compared with the rectifying element D.
１〜ｎ ユニット
１１ 基準電源
１２ 負荷装置
１５ 出力電圧検出部
１６ 制御部
１００ 昇圧型スイッチング電源装置
Ｄ（Ｄ１〜Ｄｎ） 整流素子
ＤＲ（ＤＲ１〜ＤＲｎ） 駆動部
Ｌ（Ｌ１〜Ｌｎ） 誘導素子
ＳＷ（ＳＷ１〜ＳＷｎ） スイッチング素子
ＶＧ（ＶＧ１〜ＶＧｎ） スイッチング信号
1 to n unit 11 reference power supply 12 load device 15 output voltage detection unit 16 control unit 100 step-up switching power supply device D (D1 to Dn) rectifier element DR (DR1 to DRn) drive unit L (L1 to Ln) inductive element SW ( SW1 to SWn) Switching element VG (VG1 to VGn) Switching signal
Claims (1)
前記複数の変換部のうち電力の出力をする変換部の数と該変換部が有する前記スイッチング素子を電流不連続モードでスイッチングさせるスイッチング信号のデューティ比とを負荷の大きさに応じて制御することにより、該変換部の出力を調整し、
前記複数の変換部のうち電力の出力をしている少なくとも一つ以上の変換部の出力が負荷の増加に応じて最大出力となった時点で該最大出力の変換部の出力を固定させるとともに、前記複数の変換部のうち電力の出力を停止していた少なくとも一つ以上の変換部の出力を負荷の増加に応じて増加させ、
前記複数の変換部のうち電力の出力をしている少なくとも一つ以上の変換部の出力が負荷の減少に応じて最小出力となった時点で該最小出力の変換部の出力を停止させるとともに、前記複数の変換部のうち最大出力で固定していた少なくとも一つ以上の変換部の出力を負荷の減少に応じて減少させる、制御手段とを備え、
前記制御手段は、前記複数の変換部それぞれにおいて、負荷の変動量に対して前記デューティ比を１／２乗で変化させることを特徴とする、ＤＣ−ＤＣコンバータ。 A plurality of conversion units having an inductive element and a switching element for driving the inductive element are connected in parallel, and conversion means for converting a DC voltage into voltage by switching of the switching element and outputting the converted voltage,
Controlling the number of converters that output power among the plurality of converters and the duty ratio of a switching signal for switching the switching elements of the converters in a current discontinuous mode according to the size of the load. By adjusting the output of the conversion unit,
At the time when the output of at least one or more conversion units that are outputting power among the plurality of conversion units becomes a maximum output according to an increase in load, the output of the conversion unit of the maximum output is fixed, Increasing the output of at least one conversion unit that has stopped outputting power among the plurality of conversion units in accordance with an increase in load,
At the time when the output of at least one or more conversion units that are outputting power among the plurality of conversion units becomes the minimum output according to the decrease in load, the output of the conversion unit of the minimum output is stopped, Control means for reducing the output of at least one of the plurality of converters that has been fixed at the maximum output according to a decrease in load,
The DC-DC converter according to claim 1 , wherein the control means changes the duty ratio by a ½ power with respect to a load fluctuation amount in each of the plurality of conversion units .
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