JP2013021805A - 電源制御方法および電源制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 複雑な構成をとることなく安定してゼロクロスを検出してスイッチング素子の制御を行うことのできる電源制御方法を提供する。
【解決手段】 部分共振波形の立ち上がり部分および立ち下がり部分の位置に基づいて部分共振波形のゼロクロスポイントを推定し、推定されたゼロクロスポイントに基づいてスイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ制御を行う電源制御方法が提供される。
【選択図】図１

Description

この発明は、スイッチング電源の制御に関し、特にスイッチング電源の制御における電圧または電流のゼロポイント（ゼロクロス）の検出に関する。

スイッチング電源（スイッチングレギュレータ）は、スイッチング素子をスイッチング制御することによって電流を断続させて出力電圧を得るものである。スイッチング電源では、スイッチング素子をＯＮ／ＯＦＦさせて出力電圧を得ているので、スイッチング素子はＯＮとＯＦＦの状態が大多数であり、電力の損失が少ないという特徴がある。しかしながら、スイッチング素子のＯＮからＯＦＦ、或いはＯＦＦからＯＮの間はスイッチング素子に電流が流れ、且つ電圧も印加される状態になるので、このタイミングにおいて損失が発生することになる。

上記損失の低減のために、共振を用いて電圧波形と電流波形に位相差を与え、電流値がゼロあるいは電圧値がゼロのときにスイッチング素子をスイッチング動作させることにより、スイッチング素子での損失を大幅に低減させる手法が提案されている。なお、このような電源制御の手法には、共振を用いるものと部分共振を用いるものがある。

下記特許文献１は、部分共振を用いたスイッチング電源の回路構成の一例を開示している。本文献のスイッチング電源では、一次側入力電圧をスイッチング制御手段で検出し、ゼロクロスの検出を実現している。

特開２００７−２４４１２１号公報

上述のように、ゼロクロスの検出を実現するためには、一般に、スイッチング素子にかかる電圧或いは電流を観測し、この値がゼロとなる箇所をリアルタイムで検出し、スイッチング素子を制御する必要がある。このような制御を安定して行うためには、回路構成は比較的複雑になり、高度なアナログ信号処理を用いたり、信号検出機能等を有する高速プロセッサを用いるのが一般的である。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものである。すなわち、本発明は、複雑な構成をとることなく安定してゼロクロスを検出してスイチング素子の制御を行うことのできる電源制御方法および電源制御装置を提供することを目的とする。

本発明の一つの側面により提供されるのは、部分共振型のスイッチング電源の電源制御方法であって、部分共振波形の立ち上がり部分および立ち下がり部分の位置に基づいて部分共振波形のゼロクロスポイントを推定し、推定されたゼロクロスポイントに基づいてスイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ制御を行う電源制御方法である。

上記構成により、簡易な構成でゼロボルトポイントを検出することができると共に、検出されたゼロクロスポイントでスイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ制御を行うことが可能になる。

上記のゼロクロスポイントの推定では、部分共振波形の立ち下がり波形が所定の振幅値を通過する第１の時刻を測定し、部分共振波形の立ち上がり波形が所定の振幅値を通過する第２の時刻を測定し、第１の時刻および第２の時刻に応じてゼロクロスポイントを求めるようにしても良い。

ゼロクロスポイントは、第１の時刻および第２の時刻の真ん中の時刻として求めることができる。

本発明の別の側面により提供されるのは、部分共振型のスイッチング電源の電源制御装置であって、部分共振波形の立ち上がり部分および立ち下がり部分の位置に基づいて部分共振波形のゼロクロスポイントを推定するゼロクロス検出部と、推定されたゼロクロスポイントに基づいてスイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ制御を行う制御部と、を備える。

上記構成により、簡易な構成でゼロボルトポイントを検出することができると共に、検出されたゼロクロスポイントでスイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ制御を行うことが可能になる。

ゼロクロス検出部は、部分共振波形の立ち下がり波形が所定の振幅値を通過する第１の時刻を測定し、部分共振波形の立ち上がり波形が所定の振幅値を通過する第２の時刻を測定し、第１の時刻および第２の時刻に応じてゼロクロスポイントを求めるように構成されていても良い。

ゼロクロス検出部において、ゼロクロスポイントは、第１の時刻および第２の時刻の真ん中の時刻として求めることができる。

以上述べたように本発明によれば、簡易な構成でゼロボルトポイントを検出することができると共に、検出されたゼロクロスポイントでスイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ制御を行うことが可能になる。それによって、スイッチング電源におけるスイッチング素子での損失を低減することができる。

図１は、本発明の実施形態によるスイッチング電源の構成を表す図である。 図２は、図１のスイッチング電源の制御部の動作をフローチャートとして表した図である。 図３は、ＳＷ素子のドレイン・ソース間にかかる電圧を表すとともに、ゼロクロスポイント検出を説明する為の波形図である。

以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。図１は、本発明の実施形態によるスイッチング電源１０（以下、ＳＷ電源１０と記す）の構成を表す図である。ＳＷ電源１０は、入力商用交流信号を全波整流する整流器１、整流後の信号を平滑化する平滑コンデンサＣ１０、パワーＭＯＳＦＥＴからなるスイッチング素子７（以下、「ＳＷ素子７」と記す）、トランスＴ１、整流ダイオードＤ１、平滑コンデンサＣ１、出力電圧検出部３、および制御部５を有する。入力商用交流信号は、整流器１で全波整流され、平滑コンデンサＣ１０で平滑化され、ＳＷ素子７による高速スイッチングによってパルス状の信号としてトランスＴ１の１次側に入力される。トランスＴ１の２次側の信号は、整流ダイオードＤ１で整流され、平滑コンデンサＣ１で平滑化され出力電圧が得られる。

ＳＷ素子７に並列に配置されたコンデンサＣ３は、ＳＷ素子７がＯＮ（或いはＯＦＦ）制御される際に、共振により電圧波形を鈍らせる機能を担う。すなわち、ＳＷ電源１０は、部分共振型のスイッチング電源として構成されている。図１に示すように、制御部５は、ゼロクロス検出部５１と、ＰＷＭ制御部５３とを備える。以下で説明するように、制御部５は、ＳＷ素子７のドレイン・ソース間の電圧（或いは電流）がゼロボルトのときにＳＷ素子７がＯＮ／ＯＦＦされるように制御する。

図１に示すように、ゼロクロス検出部５１には、ＳＷ素子７のドレイン・ソース間にかかる電圧値（すなわち、部分共振用のコンデンサＣ３の両端の電圧値）が入力されている。ＰＷＭ制御部５３は、出力電圧検出部３で検出される出力電圧を監視し、ＳＷ素子７をスイッチングする為の信号をＰＷＭ（パルス幅変調）制御することによって、出力電圧が所望の値となるように制御する。図２は、制御部５１の動作をフローチャートとして表した図である。また、図３は、ＳＷ素子７のドレイン・ソース間にかかる電圧（すなわち、部分共振波形）を表す波形図である。以下、図２、および図３を参照して制御部５の動作を説明する。

ゼロクロス検出部５１において、ゼロクロスの位置の測定は次のように行われる。すなわち、本実施形態では、ゼロクロスポイントのそのものの測定では無く、電圧（あるいは電流）が減少しつつあるときに所定電圧値ｖ_０を通過した時点（図３のｔ_１）と、電圧（あるいは電流）が増加しつつあるときに所定電圧値ｖ_０を通過した時点（図３のｔ_２）の時間を計測する（ステップＳ１）。この測定は、例えば、カウンタを用いて時刻ｔ_１とｔ_２の間でクロック数をカウントすることで実現することができる。そして、ゼロクロスのポイントは時刻ｔ_１と時刻ｔ_２の真ん中にあると考え、ゼロクロスポイントを特定する（ステップＳ２）。この場合、時刻ｔ_１と時刻ｔ_２の真ん中の時刻ｔ_０がゼロクロスのポイントとして特定されることになる。なお、図３において、「所定電圧値」をｖ_０として表している。ゼロクロス検出部５１では、ゼロクロスポイントが時刻ｔ_１から何クロック目になりかという値を保持することによって、ゼロクロスポイントを特定するように構成されていても良い。なお、ゼロクロスポイントｔ_０は、ＳＷ素子７でのスイッチング時間等を考慮し、時刻ｔ_１と時刻ｔ_２の真ん中の値に、そのスイッチング時間等を加えた値としても良い。「所定電圧値」をｖ_０は、低めの値に設定しておく方が、ゼロクロスポイントを迅速に特定することができるので有効である。

このように、ゼロクロスポイントが特定されると、次に、ＰＷＭ制御部５３において、ゼロクロスポイントに相当するタイミングでＳＷ素子７のＯＮ／ＯＦＦ制御を行う（ステップＳ３）。ＰＷＭ制御部５３は、出力電圧検出部３で検出された出力電圧に基づいてＳＷ素子７のスイッチングのパルス幅をＰＷＭ制御するとともに、ＳＷ素子７のＯＮ／ＯＦＦのタイミングがゼロクロス検出部５１で検出されたゼロクロスポイントとなるように制御する。上記ステップＳ１からＳ３に至る一連の動作は、入力電圧のサイクルに対応する周期で繰り返し実行しても良い。

ＰＷＭ制御部５３は、出力電圧検出部３で検出した電圧値に基づいて制御信号のデューティ比を決定し、ゼロクロス検出部５１で検出されたゼロクロスポイントに同期して制御信号を出力するよう動作する回路である。このような回路は、矩形波生成回路および同期化回路を用いて、比較的簡単な規模の回路構成で実現することができる。

本実施形態のＳＷ電源１０の入力は、一例として商用交流電源を想定しているが、このような交流入力の電圧変動や負荷変動は実質的には少ないものとみなすことができる。したがって、上述のように、以前のサイクルで検出されたゼロクロスポイントを現サイクルでのゼロクロスポイントであるとみなして制御動作を行っても、実質的にゼロクロスポイント付近での制御を行うことができ、ＳＷ素子７での損失を減らす効果を得ることができる。特に、上述の制御をデジタル系で構成する場合に、比較的簡単な構成で実現することができる。

上述の構成によれば、ゼロクロスポイントのそのものの測定を行わなくても、実質的にゼロクロスポイントを特定することができる。なお、本実施形態による上記ゼロクロスポイント検出の方式は、スイッチング電源の動作は急激には変化しない（すなわち、入力交流信号の電圧や負荷は急激には変動しない）という知見に基づいている。

以上が、本発明の実施形態である。上述の実施形態は、本発明の範囲内で様々な変形を行うことができる。例えば、上述の実施形態では、ＳＷ素子７のドレイン・ソース間の電圧を検出してゼロクロスポイントの検出を行っているが、ＳＷ素子７に流れる電流を検出してゼロクロスポイントの検出を行う構成も考えられる。この場合には、図１の構成においてＳＷ素子７のソースに電流検出用の抵抗を挿入する。そして、この抵抗での電圧降下を測定して電流の検出を行うようにする。このように検出された電流の波形について、上述の実施形態の場合と同様のやり方で、電流のゼロポイントを検出することができる。

上述の実施形態は、部分共振型のスイッチング電源に、本発明によるゼロクロス検出を適用する場合の例であった。しかしながら、上述の本発明によるゼロクロスポイント検出の方式は、様々なタイプのスイッチング電源に適用することができることが理解されるべきである。

１ 整流器
３ 出力電圧検出部
５ 制御部
７ ＳＷ素子
５１ ゼロクロス検出部
５３ ＰＷＭ制御部
Ｃ１ 平滑コンデンサ
Ｃ３ コンデンサ
Ｃ１０ 平滑コンデンサ
Ｄ１ 整流ダイオード
Ｔ１ トランス

Claims (6)

1. 部分共振型のスイッチング電源の電源制御方法であって、
   部分共振波形の立ち上がり部分および立ち下がり部分の位置に基づいて前記部分共振波形のゼロクロスポイントを推定し、
   前記推定されたゼロクロスポイントに基づいてスイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ制御を行うこと、を特徴とする電源制御方法。
2. 前記ゼロクロスポイントの推定では、
   前記部分共振波形の立ち下がり波形が所定の振幅値を通過する第１の時刻を測定し、
   前記部分共振波形の立ち上がり波形が所定の振幅値を通過する第２の時刻を測定し、
   前記第１の時刻および第２の時刻に応じて前記ゼロクロスポイントを求めること、を特徴とする請求項１に記載に電源制御方法。
3. 前記ゼロクロスポイントは、前記第１の時刻および第２の時刻の真ん中の時刻として求められることを特徴とする請求項２に記載の電源制御方法。
4. 部分共振型のスイッチング電源の電源制御装置であって、
   部分共振波形の立ち上がり部分および立ち下がり部分の位置に基づいて前記部分共振波形のゼロクロスポイントを推定するゼロクロス検出部と、
   前記推定されたゼロクロスポイントに基づいてスイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ制御を行う制御部と、を備えることを特徴とする電源制御装置。
5. 前記ゼロクロス検出部は、
   前記部分共振波形の立ち下がり波形が所定の振幅値を通過する第１の時刻を測定し、
   前記部分共振波形の立ち上がり波形が所定の振幅値を通過する第２の時刻を測定し、
   前記第１の時刻および第２の時刻に応じて前記ゼロクロスポイントを求めること、を特徴とする請求項４に記載に電源制御装置。
6. 前記ゼロクロス検出部において、前記ゼロクロスポイントは、前記第１の時刻および第２の時刻の真ん中の時刻として求められること、を特徴とする請求項５に記載の電源制御装置。

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