特開 2023-132293 制御装置、スイッチング電源装置、制御方法、制御プログラム、及び記録媒体

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023132293

(43)【公開日】2023-09-22

(54)【発明の名称】制御装置、スイッチング電源装置、制御方法、制御プログラム、及び記録媒体

(51)【国際特許分類】

   H02M 3/28 20060101AFI20230914BHJP

【ＦＩ】

H02M3/28 H

H02M3/28 Q

【審査請求】未請求

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022037522

(22)【出願日】2022-03-10

(71)【出願人】

【識別番号】510123839

【氏名又は名称】ニデックモビリティ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100155712

【弁理士】

【氏名又は名称】村上 尚

(72)【発明者】

【氏名】安藤 正則

(72)【発明者】

【氏名】大元 靖理

【テーマコード（参考）】

5H730

【Ｆターム（参考）】

5H730AS01

5H730BB27

5H730BB57

5H730BB61

5H730DD04

5H730EE04

5H730EE07

5H730EE13

5H730EE57

5H730EE59

5H730FD01

5H730FD11

5H730FF09

5H730FG07

(57)【要約】

【課題】電力変換回路における駆動パルスのスイッチング周波数の変化に対してゲインの応答性を向上させた制御装置を実現する。
【解決手段】制御装置（２）は、測定した出力電圧の値である電圧モニタ値と目標電圧値との偏差に基づいて出力電圧を目標電圧に追従させるための制御量を算出して、制御量を前記スイッチング周波数に換算するフィードバック制御部（６）と、スイッチング周波数で駆動パルスを生成する駆動パルス生成部（８）と、スイッチング周波数と入出力電圧比であるゲインとの対応関係を示したゲイン特性に基づいてスイッチング周波数をスキップさせるか否かを判定するスキップ判定部（７）と、を備える。
【選択図】図６

【特許請求の範囲】

【請求項1】

駆動パルスでスイッチング素子をオンオフ制御することにより、入力電圧を出力電圧に変換する電力変換回路に対して、前記駆動パルスのスイッチング周波数を変更して前記出力電圧を制御する制御装置であって、
測定した前記出力電圧の値である電圧モニタ値と目標電圧値との偏差に基づいて前記出力電圧を前記目標電圧値に追従させるための制御量を算出して、前記制御量を前記スイッチング周波数に換算するフィードバック制御部と、
前記スイッチング周波数で前記駆動パルスを生成する駆動パルス生成部と、
前記スイッチング周波数と入出力電圧比であるゲインとの対応関係を示したゲイン特性に基づいて前記スイッチング周波数をスキップさせるか否かを判定するスキップ判定部と、
を備える、制御装置。

【請求項2】

前記スキップ判定部は、前記スイッチング周波数が、前記ゲイン特性のフラットな周波数帯域内にある場合、スキップ後のスイッチング周波数まで前記スイッチング周波数をスキップさせ、
スキップ後のスイッチング周波数は、前記ゲイン特性がフラットな周波数帯域外にあるあらかじめ定められた周波数である、請求項１に記載の制御装置。

【請求項3】

前記偏差が所定値以上であるか否かを判定する偏差判定部を更に備え、
前記スキップ判定部は、前記偏差が所定値以上である場合には、前記スキップを実行し、前記偏差が所定値未満である場合には、前記スキップを実行しない、請求項１又は２に記載の制御装置。

【請求項4】

請求項１から３のいずれか１項に記載の制御装置と、
前記電力変換回路と、
を備える、スイッチング電源装置。

【請求項5】

前記電力変換回路は、共振型ＤＣ／ＤＣコンバータである、請求項４に記載のスイッチング電源装置。

【請求項6】

前記ゲイン特性を表す情報が記憶された記憶部を更に備え、
前記スキップ判定部は、前記情報に基づいて前記スキップさせるか否かを判定する、請求項４又は５に記載のスイッチング電源装置。

【請求項7】

前記電力変換回路に接続された負荷に応じて前記情報が決定される、請求項６に記載のスイッチング電源装置。

【請求項8】

駆動パルスでスイッチング素子をオンオフ制御することにより、入力電圧を出力電圧に変換する電力変換回路に対して、前記駆動パルスのスイッチング周波数を変更して前記出力電圧を制御する制御方法であって、
測定した前記出力電圧の値である電圧モニタ値と目標電圧値との偏差に基づいて前記出力電圧を前記目標電圧値に追従させるための制御量を算出して、前記制御量を前記スイッチング周波数に換算するフィードバック制御ステップと、
前記スイッチング周波数で前記駆動パルスを生成する駆動パルス生成ステップと、
前記スイッチング周波数と入出力電圧比であるゲインとの対応関係を示したゲイン特性に基づいて前記スイッチング周波数をスキップさせるか否かを判定するスキップ判定ステップと、
を含む、制御方法。

【請求項9】

請求項１に記載の制御装置としてコンピュータを機能させるための制御プログラムであって、前記フィードバック制御部及び前記スキップ判定部としてコンピュータを機能させるための制御プログラム。

【請求項10】

請求項９に記載の制御プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、制御装置、スイッチング電源装置、制御方法、制御プログラム、及び記録媒体に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、入力電圧をスイッチングして出力電圧を送出する電力変換部に対して駆動パルスを供給する制御装置が開示されている。この制御装置は、出力電圧の測定値と目標出力電圧との誤差を減少するようなデューティ比と、スイッチング周波数とを算出し、スイッチング周期を変えた駆動パルスを生成する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０２１－１５１１２１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１の電力変換装置に対して、出力電圧の測定値と目標出力電圧値との誤差を減少させるために、駆動パルスのスイッチング周波数を変えるＰＦＭ（Pulse Frequency Modulation）制御の電力変換装置がある。電力変換装置は、駆動パルスのスイッチング周波数を徐々に変更させて出力電圧を目標出力電圧値に追従させている。この電力変換装置において、スイッチング周波数と入出力電圧比であるゲイン（以下、ゲインと称す。）との対応関係を示したゲイン特性（以下、ゲイン特性と称す。）は、スイッチング周波数に対して１つ以上のピークを有する。ピーク近傍では、スイッチング周波数の変化に対してゲインは高速に応答する。しかし、スイッチング周波数がピークから遠ざかるにつれて、スイッチング周波数の変化に対してゲインは高速に応答しなくなる。ゲインが高速に応答しないスイッチング周波数帯域をゲイン特性のフラットな周波数帯域と呼ぶこととする。ゲイン特性のフラットな周波数帯域では、スイッチング周波数を変化させてもゲインはほとんど変化しない。すなわち、駆動パルスのスイッチング周波数を徐々に変化させてもゲイン特性のフラットな周波数帯域では、出力電圧はほとんど変化しない。そのため、スイッチング周波数を徐々に変化させても出力電圧が目標出力電圧値に追従するための応答に時間を要することになる。つまり、電力変換装置には、スイッチング周波数の変化に対してゲインの応答性が低下するという問題がある。

【0005】

本開示の一態様は、電力変換回路におけるゲインの応答性が向上するようにスイッチング周波数を変化させる制御装置を実現することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記の課題を解決するために、本開示の態様１に係る制御装置は、駆動パルスでスイッチング素子をオンオフ制御することにより、入力電圧を出力電圧に変換する電力変換回路に対して、前記駆動パルスのスイッチング周波数を変更して前記出力電圧を制御する制御装置であって、測定した前記出力電圧の値である電圧モニタ値と目標電圧値との偏差に基づいて前記出力電圧を前記目標電圧値に追従させるための制御量を算出して、前記制御量を前記スイッチング周波数に換算するフィードバック制御部と、前記スイッチング周波数で前記駆動パルスを生成する駆動パルス生成部と、前記スイッチング周波数と入出力電圧比であるゲインとの対応関係を示したゲイン特性に基づいて前記スイッチング周波数をスキップさせるか否かを判定するスキップ判定部と、を備える。

【0007】

上記構成によれば、フィードバック制御部は、電力変換回路の出力電圧の値を目標電圧値に追従させるために、出力電圧の値を測定して、測定した電圧モニタ値と目標電圧値との差の偏差に基づいて制御量を算出する。フィードバック制御部は、算出した制御量を駆動パルスのスイッチング周波数に換算する。スキップ判定部は、スイッチング周波数が、ゲイン特性に基づいてスキップする周波数である場合スイッチング周波数をスキップする。スキップ判定部は、当該ゲイン特性に基づいてスイッチング周波数がスキップする周波数でない場合、スイッチング周波数をスキップしない。これにより、制御装置は、電力変換回路におけるゲインの応答性が向上するようにスイッチング周波数を変化させることができる。

【0008】

本開示の態様２に係る制御装置は、態様１において、前記スキップ判定部は、前記スイッチング周波数が、前記ゲイン特性のフラットな周波数帯域内にある場合、スキップ後のスイッチング周波数まで前記スイッチング周波数をスキップさせ、スキップ後のスイッチング周波数は、前記ゲイン特性がフラットな周波数帯域外にあるあらかじめ定められた周波数である。

【0009】

上記構成によれば、スイッチング周波数に対するゲイン特性のフラットな周波数帯域内のスイッチング周波数はスキップ後のスイッチング周波数までスキップさせる。これにより、制御装置は、スイッチング周波数をスキップ後のスイッチング周波数まで変化させることで電力変換回路におけるゲインの応答性を向上させることができる。

【0010】

本開示の態様３に係る制御装置は、態様１又は２において、前記偏差が所定値以上であるか否かを判定する偏差判定部、を更に備え、前記スキップ判定部は、前記偏差が所定値以上である場合には、前記スキップを実行し、前記偏差が所定値未満である場合には、前記スキップを実行しない。

【0011】

上記構成によれば、偏差判定部は、偏差が所定値以上の場合、駆動パルスのスイッチング周波数をスキップさせ、偏差が所定値未満の場合、駆動パルスのスイッチング周波数をスキップさせない。これにより、制御装置は、偏差が所定値以上である場合には、スイッチング周波数をスキップさせることで出力電圧を高速に応答させることができる。しかし、制御装置は、偏差が所定値未満の場合に、スイッチング周波数をスキップさせると、出力電圧の変化量が大きくなるので、出力電圧の分解能が低下し、出力電圧の微調整ができなくなる。そのため、制御装置は、偏差が所定値未満の場合には、出力電圧を高速に応答させる必要がないためスイッチング周波数をスキップさせないようにした。これにより、制御装置は、スイッチング周波数のスキップによる出力電圧の分解能の低下を低減することができる。

【0012】

本開示の態様４に係るスイッチング電源装置は、態様１から態様３のいずれかの制御装置と、前記電力変換回路と、を備える。

【0013】

上記構成によれば、スイッチング電源装置は、制御装置と電力変換回路とを備える。これにより、スイッチング電源装置は、電力変換回路におけるゲインの応答性が向上するようにスイッチング周波数を変化させることができる。

【0014】

本開示の態様５に係るスイッチング電源装置は、態様４において、前記電力変換回路は、共振型ＤＣ／ＤＣコンバータである。

【0015】

上記構成によれば、電力変換回路は、共振型ＤＣ／ＤＣコンバータである。これにより、スイッチング電源装置は、共振型ＤＣ／ＤＣコンバータを用いて、電力変換回路におけるゲインの応答性が向上するようにスイッチング周波数を変化させることができる。

【0016】

本開示の態様６に係るスイッチング電源装置は、態様４又は態様５において、前記ゲイン特性を表す情報が記憶された記憶部を更に備え、前記スキップ判定部は、前記情報に基づいて前記スキップするか否かを判定する。

【0017】

上記構成によれば、スイッチング電源装置は、記憶部にあらかじめスイッチング周波数に対するゲイン特性を表す情報を記憶しておく。スキップ判定部は、ゲイン特性を表す情報からスイッチング周波数をスキップするか否かを判定する。これにより、制御装置は、記憶部からゲイン特性を表す情報に基づいて、スキップ判定するか否かを判定することができる。

【0018】

本開示の態様７に係るスイッチング電源装置は、態様６において、前記電力変換回路に接続された負荷に応じて前記情報が決定される。

【0019】

上記構成によれば、スイッチング電源装置は、電力変換回路に接続された負荷によりスイッチング周波数に対するゲイン特性を表す情報が決定される。スキップ判定部は、負荷に応じたゲイン特性を表す情報を取得して、スイッチング周波数のスキップ判定を行う。これにより、制御装置は、様々な負荷に対応することができる。

【0020】

本開示の態様８に係る制御方法は、駆動パルスでスイッチング素子をオンオフ制御することにより、入力電圧を出力電圧に変換する電力変換回路に対して、前記駆動パルスのスイッチング周波数を変更して前記出力電圧を制御する制御方法であって、測定した前記出力電圧の値である電圧モニタ値と目標電圧値との偏差に基づいて前記出力電圧を前記目標電圧値に追従させるための制御量を算出して、前記制御量を前記スイッチング周波数に換算するフィードバック制御ステップと、前記スイッチング周波数で前記駆動パルスを生成する駆動パルス生成ステップと、前記スイッチング周波数と入出力電圧比であるゲインとの対応関係を示したゲイン特性に基づいて前記スイッチング周波数をスキップさせるか否かを判定するスキップ判定ステップと、を含む。

【0021】

上記構成によれば、フィードバック制御ステップは、電力変換回路の出力電圧の値を目標電圧値に追従させるために、出力電圧の値を測定して電圧モニタ値と目標電圧値との偏差に基づいて制御量を算出する。フィードバック制御ステップは、算出した制御量を駆動パルスのスイッチング周波数に換算する。スキップ判定ステップは、スイッチング周波数が、ゲイン特性に基づいてスキップする周波数である場合、スイッチング周波数をスキップさせる。スキップ判定ステップは、スイッチング周波数が当該ゲイン特性に基づいてスキップする周波数でない場合、スイッチング周波数をスキップさせない。これにより、制御方法は、電力変換回路におけるゲインの応答性が向上するようにスイッチング周波数を変化させることができる。

【0022】

本開示の態様９に係る制御プログラムは、態様１の制御装置としてコンピュータを機能させるための制御プログラムであって、前記フィードバック制御部及び前記スキップ判定部としてコンピュータを機能させる。

【0023】

上記構成によれば、制御プログラムの実行によりコンピュータをフィードバック制御部及びスキップ判定部として機能させることができる。

【0024】

本開示の態様１０に係る記録媒体は、態様９の制御プログラムを記録し、コンピュータ読み取り可能である。

【0025】

上記構成によれば、記録媒体に制御プログラムが記録される。これにより、記録媒体により制御プログラムをコンピュータ上で実行可能となる。

【発明の効果】

【0026】

本開示の一態様によれば、制御装置は、電力変換回路におけるゲインの応答性が向上するようにスイッチング周波数を変化させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0027】

【図1】本開示の実施形態１に係るスイッチング電源装置の構成図である。

【図2】従来のスイッチング電源装置のスイッチング周波数に対するゲイン特性である。

【図3】従来のスイッチング電源装置の入力電圧、出力電圧、及びスイッチング周波数のタイムチャートである。

【図4】本開示の実施形態１に係るスイッチング電源装置のスイッチング周波数に対するゲイン特性である。

【図5】本開示の実施形態１に係るスイッチング電源装置の入力電圧、出力電圧、及びスイッチング周波数のタイムチャートである。

【図6】本開示の実施形態１に係るスイッチング電源装置のブロック図である。

【図7】本開示の実施形態１に係るスイッチング電源装置のブロック図である。

【図8】本開示の実施形態１に係るスイッチング周波数制御のフローチャートである。

【図9】本開示の実施形地１に係るスイッチング電源装置のスイッチング周波数に対するゲイン特性である。

【図10】本開示の実施形態１に係るスイッチング電源装置のスイッチング周波数に対するゲインテーブルである。

【図11】本開示の実施形態１の変形例に係るスイッチング電源装置の構成図である。

【図12】本開示の実施形態２に係るスイッチング電源装置のブロック図である。

【図13】本開示の実施形態２に係るスイッチング周波数制御のフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0028】

〔実施形態１〕
以下、本開示の一実施形態について、詳細に説明する。

【0029】

＜スイッチング電源装置１の構成＞
図１は、実施形態１に係るスイッチング電源装置１の構成図である。スイッチング電源装置１は、例えば電気自動車に搭載されるＤＣ／ＤＣコンバータである。スイッチング電源装置１は、図示しないバッテリから直流電流Ｉｉｎが供給される。スイッチング電源装置１は、入力電圧Ｖｉｎを出力電圧Ｖｏｕｔに変換して図示しない負荷に出力電流Ｉｏｕｔを供給する。スイッチング電源装置１は、制御装置２と、電力変換回路３と、モニタ回路４と、目標電圧算出部５と、記憶部９とを備える。

【0030】

モニタ回路４は、出力電圧Ｖｏｕｔを監視する回路である。モニタ回路４は、電力変換回路３の出力電圧Ｖｏｕｔを少なくとも１回以上測定する。モニタ回路４は、測定した出力電圧Ｖｏｕｔの値をデジタル値に変換して電圧モニタ値Ｖｍｏを生成する。モニタ回路４は、電圧モニタ値Ｖｍｏを制御装置２に送信する。

【0031】

目標電圧算出部５は、出力電圧Ｖｏｕｔに対する目標電圧値Ｖｄを算出する。目標電圧値Ｖｄは、出力電圧Ｖｏｕｔの目標値である。スイッチング電源装置１は、目標電圧値Ｖｄに追従するように出力電圧Ｖｏｕｔを制御する。目標電圧算出部５は、目標電圧値Ｖｄを制御装置２に送信する。

【0032】

電力変換回路３は、入力電圧Ｖｉｎを出力電圧Ｖｏｕｔに変換する回路である。電力変換回路３は、ＬＬＣ共振型ＤＣ／ＤＣコンバータである。

【0033】

電力変換回路３は、第１ＦＥＴＱ１と、第２ＦＥＴＱ２と、第３ＦＥＴＱ３と、第４ＦＥＴＱ４と、コンデンサＣｒと、コイルＬｒと、トランスＴＲと、第１ダイオードＤ１と、第２ダイオードＤ２と、第３ダイオードＤ３と、第４ダイオードＤ４と、コンデンサＣＯＵＴとを備える。なお、コイルＬｒには、トランスＴＲの漏れインダクタンスを用いてもよい。

【0034】

トランスＴＲは、１次側巻線ＬＲ１と、２次側巻線ＬＲ２とを備える。コイルＬｍは、トランスＴＲの励磁インダクタンスである。

【0035】

第１ＦＥＴＱ１、第２ＦＥＴＱ２、第３ＦＥＴＱ３、及び第４ＦＥＴＱ４は、それぞれ制御装置２から出力される第１制御信号Ｓ１、第２制御信号Ｓ２、第３制御信号Ｓ３、及び第４制御信号Ｓ４により、図示しないバッテリから供給された直流電流Ｉｉｎを交流電流に変換する。

【0036】

コンデンサＣｒと、コイルＬｒと、コイルＬｍは、共振回路を形成する。共振回路により、電力変換回路３は、コンデンサＣｒとコイルＬｒによる共振周波数を有する。更に電力変換回路３は、コイルＬｒのインダクタンスとコイルＬｍのインダクタンスの和、及びコンデンサＣｒによる共振周波数を有する。コイルＬｒのインダクタンスとコイルＬｍのインダクタンスの和は、負荷に対して変動する。

【0037】

トランスＴＲは、１次側と２次側との間の電磁誘導により交流電流から誘導起電力による電流を生成する。１次側には、１次側巻線ＬＲ１が配置されている。２次側には２次側巻線ＬＲ２が配置されている。

【0038】

第１ダイオードＤ１、第２ダイオードＤ２、第３ダイオードＤ３、及び第４ダイオードＤ４は、誘導起電力による電流を整流した電流に変換する。

【0039】

コンデンサＣＯＵＴは、整流した電流を平滑して出力電流Ｉｏｕｔを生成する。出力電流Ｉｏｕｔは、図示しない負荷に供給される。また端子Ｔｃと端子Ｔｄとの間には、出力電圧Ｖｏｕｔが発生する。

【0040】

第１ＦＥＴＱ１のゲートは、制御装置２と接続し第１制御信号Ｓ１が入力される。第１ＦＥＴＱ１のドレインは、第２ＦＥＴＱ２のソース及び１次側巻線ＬＲ１の一端に接続される。第１ＦＥＴＱ１のソースは、端子Ｔｂに接続される。第２ＦＥＴＱ２のゲートは、制御装置２と接続し第２制御信号Ｓ２が入力される。第２ＦＥＴＱ２のドレインは、端子Ｔａ及び第４ＦＥＴＱ４のドレインと接続される。第３ＦＥＴＱ３のゲートは、制御装置２と接続し第３制御信号Ｓ３が入力される。第３ＦＥＴＱ３のドレインは、第４ＦＥＴＱ４のソース及びコンデンサＣｒの一端に接続される。第３ＦＥＴＱ３のソースは、端子Ｔｂに接続される。第４ＦＥＴＱ４のゲートは、制御装置２と接続し第４制御信号Ｓ４が入力される。第４ＦＥＴＱ４のドレインは、端子Ｔａに接続される。

【0041】

コンデンサＣｒの他端は、コイルＬｒの一端と接続される。コイルＬｒの他端は、１次側巻線ＬＲ１の他端に接続される。コイルＬｍは、１次側巻線ＬＲ１と並列に接続される。

【0042】

２次側巻線ＬＲ２の一端は、第１ダイオードＤ１のカソードと第３ダイオードＤ３のアノードに接続される。２次側巻線ＬＲ２の他端は、第２ダイオードＤ２のカソードと第４ダイオードＤ４のアノードと接続される。第３ダイオードＤ３のカソードと第４ダイオードＤ４のカソードは、端子Ｔｃに接続される。第１ダイオードＤ１のアノードと第２ダイオードＤ２のアノードは、端子Ｔｄに接続される。コンデンサＣＯＵＴの一端は、端子Ｔｃに接続される。コンデンサＣＯＵＴの他端は、端子Ｔｄに接続される。

【0043】

端子Ｔｃと端子Ｔｄには、図示しない負荷が接続される。

【0044】

例えば、第１ＦＥＴＱ１、第２ＦＥＴＱ２、第３ＦＥＴＱ３、及び第４ＦＥＴＱ４は、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）であるが、スイッチング素子あれば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、又はバイポーラトランジスタであってもよい。

【0045】

以下の説明において、第１ＦＥＴＱ１、第２ＦＥＴＱ２、第３ＦＥＴＱ３、及び第４ＦＥＴＱ４のいずれか一つのみ取り上げて説明する場合、第１ＦＥＴＱ１、第２ＦＥＴＱ２、第３ＦＥＴＱ３、及び第４ＦＥＴＱ４を、スイッチング素子と称する。

【0046】

例えば、スイッチング素子のドレイン－ソース間が導通のときをスイッチング素子がオンであり、スイッチング素子のドレイン－ソース間が不導通のときをスイッチング素子がオフである。

【0047】

記憶部９は、後述するスイッチング周波数に対するゲイン特性を表す情報と、後述するスキップ後のスイッチング周波数を表す情報が記憶されている。制御装置２は、記憶部９から当該情報を取得する。

【0048】

制御装置２は、第１ＦＥＴＱ１のドレイン－ソース間の導通又は不導通を第１制御信号Ｓ１により制御し、第２ＦＥＴＱ２のドレイン－ソース間の導通又は不導通を第２制御信号Ｓ２により制御し、第３ＦＥＴＱ３のドレイン－ソース間の導通又は不導通を第３制御信号Ｓ３により制御し、第４ＦＥＴＱ４のドレイン－ソース間の導通又は不導通を第４制御信号Ｓ４により制御する。以下の説明において、第１制御信号Ｓ１、第２制御信号Ｓ２、第３制御信号Ｓ３、及び第４制御信号Ｓ４のうちのいずれか一つを取り上げて説明する場合、第１制御信号Ｓ１、第２制御信号Ｓ２、第３制御信号Ｓ３、及び第４制御信号Ｓ４を、駆動パルスと称する。

【0049】

制御装置２は、モニタ回路４から電圧モニタ値Ｖｍｏを取得する。制御装置２は、目標電圧算出部５から目標電圧値Ｖｄを取得する。制御装置２は、記憶部９から情報を取得する。制御装置２は、目標電圧値Ｖｄと、電圧モニタ値Ｖｍｏと、記憶部９から取得した情報とに基づいて駆動パルスのスイッチング周波数を制御する。

【0050】

駆動パルスは、例えば、ＰＦＭ（Pulse Frequency Modulation）信号である。

【0051】

＜スイッチング周波数制御＞
図２は、従来のスイッチング電源装置のスイッチング周波数に対するゲイン特性とスイッチング周波数制御を示した図である。図３は、従来のスイッチング電源装置の入力電圧と、従来のスイッチング電源装置の出力電圧と、従来のスイッチング電源装置の制御信号のスイッチング周波数とを比較したタイムチャートである。

【0052】

図３に示すように、従来のスイッチング電源装置の入力電圧が低下した場合、出力電圧は低下する。従来のスイッチング電源装置は、出力電圧を目標電圧値Ｖｄに追従させるために、図２に示された矢印のとおり、駆動パルスのスイッチング周波数を減少させる制御を行う。

【0053】

（１）の状態では、入力電圧が低下し、その結果出力電圧が低下する。このとき、駆動パルスのスイッチング周波数は、１９０ｋＨｚである。

【0054】

（２）の状態では、入力電圧は低下後の値を維持し、出力電圧は低下後の値を維持している。このとき、駆動パルスのスイッチング周波数は、１２０ｋＨｚである。

【0055】

（３）の状態では、入力電圧は低下後の値を維持し、出力電圧は目標電圧値Ｖｄである。このとき、駆動パルスのスイッチング周波数は、８５ｋＨｚである。

【0056】

従来のスイッチング電源装置のスイッチング周波数制御において、（１）の状態から（２）の状態まで移行する場合、すなわち時間ｔ１から時間ｔ２までの間、制御装置は、駆動パルスのスイッチング周波数を、１９０ｋＨｚから１２０ｋＨｚまで徐々に減少させる。このとき、図２に示すように、（１）の状態から（２）の状態までの間、ゲインはほぼ一定であるため、出力電圧は変動しない。これは、１２０ｋＨｚから１９０ｋＨｚまでの周波数帯域では、ゲイン特性がフラットであるためである。

【0057】

フラットな周波数帯域とは、ゲインが特定の周波数帯域でほぼ変動がないことをいう。例えば、図２においてフラットな周波数帯域は、１２０ｋＨｚから１９０ｋＨｚまでの周波数帯域である。

【0058】

従来のスイッチング周波数制御において、（２）の状態から（３）の状態まで移行する場合、すなわち時間ｔ２から時間ｔ３までの間、制御装置は、駆動パルスのスイッチング周波数を、１２０ｋＨｚから８５ｋＨｚまで徐々に減少させる。このとき、図２に示すように、（２）の状態から（３）の状態までの間、ゲインは、上昇するため、出力電圧は上昇する。出力電圧が目標電圧値Ｖｄに到達した時点からスイッチング周波数は一定となる。

【0059】

従来のスイッチング電源装置は、図２に示すゲイン特性に基づいて、出力電圧が目標電圧値Ｖｄに追従するように（１）の状態から（３）の状態までスイッチング周波数を徐々に変化させる。（１）の状態から（３）の状態までの時間を応答時間Ｒ１とする。応答時間Ｒ１の間に従来のスイッチング電源装置は、入力電圧の変動による出力電圧の変動を出力電圧の目標電圧値Ｖｄに戻るまでスイッチング周波数制御を行う。

【0060】

図４は、実施形態１に係るスイッチング電源装置１のスイッチング周波数に対するゲイン特性とスイッチング周波数制御を示した図である。図５は、実施形態１に係るスイッチング電源装置１の入力電圧Ｖｉｎと、スイッチング電源装置１の出力電圧Ｖｏｕｔと、スイッチング電源装置１の駆動パルスのスイッチング周波数とを比較したタイムチャートである。

【0061】

図５に示すように、スイッチング電源装置１の入力電圧Ｖｉｎが低下した場合、出力電圧Ｖｏｕｔは低下する。スイッチング電源装置１は、出力電圧Ｖｏｕｔを目標電圧値Ｖｄに追従させるために、図４に示される矢印のとおり、駆動パルスのスイッチング周波数を減少させる制御を行う。

【0062】

（１）の状態では、入力電圧Ｖｉｎが低下し、その結果出力電圧Ｖｏｕｔは低下する。このとき、駆動パルスのスイッチング周波数は、１９０ｋＨｚである。

【0063】

（２）の状態では、入力電圧Ｖｉｎは低下後の値を維持し、出力電圧Ｖｏｕｔは低下後の値を維持している。このとき、駆動パルスのスイッチング周波数は、１２０ｋＨｚである。

【0064】

（３）の状態では、入力電圧Ｖｉｎは低下後の値を維持し、出力電圧Ｖｏｕｔは目標電圧値Ｖｄである。このとき、駆動パルスのスイッチング周波数は、８５ｋＨｚである。

【0065】

スイッチング電源装置１のスイッチング周波数制御においては、制御装置２は、（１）の状態から（２）の状態へ、瞬時に移行する制御を行う。すなわち、時間ｔ４のとき、入力電圧Ｖｉｎは低下する。出力電圧Ｖｏｕｔは、低下する。このときのスイッチング周波数は１９０ｋＨｚであるが、スイッチング周波数を、１２０ｋＨｚまで瞬時にスキップさせる。スキップさせる範囲は、図４においては矢印が点線で示されている（１）の状態から（２）の状態までである。

【0066】

（２）の状態から（３）の状態に移行する場合、すなわち時間ｔ４から時間ｔ５までの間、制御装置２は、駆動パルスのスイッチング周波数を、１２０ｋＨｚから８５ｋＨｚまで徐々に減少させる。このとき、図４に示すように、（２）の状態から（３）の状態までの間、ゲインは、上昇するため、出力電圧Ｖｏｕｔは上昇する。出力電圧Ｖｏｕｔが目標電圧値Ｖｄに到達した時点から制御装置２は、スイッチング周波数を一定とする制御を行う。

【0067】

スイッチング電源装置１は、図４に示すスイッチング周波数に対するゲイン特性に基づいて、出力電圧Ｖｏｕｔが目標電圧値Ｖｄに追従するように、（１）の状態から（２）の状態までスイッチング周波数をスキップさせ、（２）の状態から（３）の状態までは、スイッチング周波数を徐々に減少させる制御を行う。（１）の状態のから（３）状態の時間を応答時間Ｒ２とする。従来のスイッチング電源装置のスイッチング周波数制御の応答時間Ｒ１と比較してスイッチング電源装置１のスイッチング周波数制御の応答時間Ｒ２は短くなっている。

【0068】

このように、従来のスイッチング電源装置とスイッチング電源装置１は、駆動パルスのスイッチング周波数に対してゲイン特性のフラットな周波数帯域が存在する。例えば、図２及び図４に示すゲイン特性において、（１）の状態から（２）の状態までの周波数帯域である。このゲイン特性がフラットな周波数帯域では、スイッチング周波数を変化させてもゲインはほぼ変化しない。そこで、スイッチング電源装置１は、ゲイン特性のフラットな周波数帯域では、スイッチング周波数をスキップさせて、スキップ後のスイッチング周波数から徐々にスイッチング周波数を変化させる制御を行う。

【0069】

スキップ後のスイッチング周波数とは、ゲイン特性のフラットな周波数帯域外のあらかじめ定められた周波数であり、スイッチング周波数をスキップさせた直後のスイッチング周波数をいう。例えば、スキップ後のスイッチング周波数は、図４に示される（２）の状態のときのスイッチング周波数で、１２０ｋＨｚである。

【0070】

また、従来のスイッチング電源装置の応答時間Ｒ１と比較してスイッチング電源装置１の応答時間Ｒ２は短くなる。スイッチング電源装置１は、電力変換回路における駆動パルスのスイッチング周波数の変化に対してゲインが変化するため、スイッチング周波数をスキップさせることでゲインの応答性を向上させることができる。

【0071】

＜制御装置２のブロック図＞
図６は、制御装置２のブロック図である。制御装置２は、フィードバック制御部６と、スキップ判定部７と、駆動パルス生成部８とを含む。

【0072】

フィードバック制御部６は、モニタ回路４から電圧モニタ値Ｖｍｏを取得する。フィードバック制御部６は、目標電圧算出部５から目標電圧値Ｖｄを取得する。フィードバック制御部６は、目標電圧値Ｖｄと電圧モニタ値Ｖｍｏとの偏差を算出する。そして、フィードバック制御部６は、偏差がゼロとなるような制御量を算出する。フィードバック制御部６は、算出した制御量をスイッチング周波数に換算する。
フィードバック制御部６は、制御装置２に含まれるプロセッサ（図示せず）が、制御装置２に含まれるメモリ（図示せず）に記憶されるプログラムを実行することで実現される。

【0073】

スキップ判定部７は、記憶部９からスイッチング周波数に対するゲイン特性を表す情報と、スキップ後のスイッチング周波数を表す情報を取得する。スキップ判定部７は、フィードバック制御部６からスイッチング周波数を取得する。

【0074】

スキップ判定部７は、フィードバック制御部６から取得したスイッチング周波数がゲイン特性のフラットな周波数帯域内にあった場合、スキップ判定部７が記憶部９から取得したスキップ後のスイッチング周波数にスイッチング周波数をスキップさせると判定する。そしてスキップ判定部７は、スイッチング周波数をスキップ後のスイッチング周波数に書き換えを行う。ここで、スキップ後のスイッチング周波数は、新たなスイッチング周波数として書き換えられる。スキップ判定部７は、新たなスイッチング周波数で駆動パルスを生成するよう駆動パルス生成部８に指示を行う。また、スキップ判定部７は、書き換えたスキップ後のスイッチング周波数をフィードバック制御部６に送信して、書き換えたスキップ後のスイッチング周波数を新たなスイッチング周波数として書き換えを行う。

【0075】

スキップ判定部７は、フィードバック制御部６から取得したスイッチング周波数がゲイン特性のフラットな周波数帯域内になかった場合、スイッチング周波数のスキップさせないと判定する。そして、スキップ判定部７は、駆動パルス生成部８にスイッチング周波数で駆動パルスを生成する指示を行う。
スキップ判定部７は、制御装置２に含まれる上記プロセッサが、制御装置２に含まれる上記メモリに記憶されるプログラムを実行することで実現される。

【0076】

駆動パルス生成部８は、スイッチング周波数で駆動パルスを生成する。駆動パルス生成部８は、駆動パルスを電力変換回路３に送信する。
駆動パルス生成部８は、制御装置２に含まれるマイコンによって実現される。

【0077】

図７は、制御装置２の詳細なブロック図である。

【0078】

フィードバック制御部６は、加え合せ点６１と、位相補償器６２とを含む。

【0079】

スキップ判定部７は、スイッチング周波数のスキップ判定部７１と、スキップ後のスイッチング周波数取得部７２と、切り替え部７３とを含む。第１切り替え部７３は、ポートＴ１と、ポートＴ２と、ポートＴ３とを含む。

【0080】

加え合せ点６１は、目標電圧値Ｖｄと電圧モニタ値Ｖｍｏを取得し偏差を算出して、位相補償器６２に偏差を送信する。

【0081】

位相補償器６２は、偏差に基づいて制御量を算出し、スイッチング周波数に換算する。

【0082】

スイッチング周波数のスキップ判定部７１は、記憶部９からゲイン特性を表す情報を取得する。スイッチング周波数のスキップ判定部７１はゲイン特性を表す情報に基づいてスキップ判定を行う。スキップ判定の結果スキップなしの判定の場合は、第１切り替え部７３のポートＴ１とポートＴ３が接続される。スキップ判定の結果スキップありの判定の場合は、第１切り替え部７３でポートＴ２とポートＴ３が接続される。また、スキップありの判定の場合、スキップ後のスイッチング周波数取得部７２は、記憶部９からスキップ後のスイッチング周波数を表す情報を取得する。そして、スキップ後のスイッチング周波数取得部７２は、スキップ後のスイッチング周波数で駆動パルスを生成するように駆動パルス生成部８に指示する。また、スキップ後のスイッチング周波数取得部７２は、位相補償器６２にスイッチング周波数をスキップ後のスイッチング周波数に書き換えを行うように指示する。

【0083】

フィードバック制御部６は、電力変換回路３の出力電圧Ｖｏｕｔを目標電圧値Ｖｄに追従させるために、出力電圧Ｖｏｕｔを測定して目標電圧値Ｖｄとの偏差に基づいて制御量を算出する。フィードバック制御部６は、算出した制御量を駆動パルスのスイッチング周波数に換算する。スキップ判定部７は、スイッチング周波数が、スイッチング周波数に対するゲイン特性に基づいてスキップ後のスイッチング周波数までスキップする周波数である場合スイッチング周波数をスキップする。スキップ判定部７は、スイッチング周波数が当該ゲイン特性に基づいてスキップ後のスイッチング周波数までスキップする周波数でない場合、スイッチング周波数をスキップしない。これにより、制御装置２は、電力変換回路３における駆動パルスのスイッチング周波数の変化に対してゲインが変化するため、スイッチング周波数をスキップ後のスイッチング周波数までスキップさせることでゲインの応答性を向上させることができる。

【0084】

＜スイッチング周波数制御処理＞
図８は実施形態１に係るスイッチング電源装置１のスイッチング周波数制御のフローチャートである。

【0085】

スイッチング電源装置１に負荷が接続され、バッテリから入力電圧Ｖｉｎの電力が供給されるとスイッチング周波数制御を開始する。

【0086】

ステップ１０１：制御装置２は、目標電圧算出部５から目標電圧値Ｖｄを取得する。次にステップ１０２に進む。

【0087】

ステップ１０２：制御装置２は、モニタ回路４から電圧モニタ値Ｖｍｏを取得する。次にステップ１０３に進む。

【0088】

ステップ１０３：制御装置２は、目標電圧値Ｖｄと電圧モニタ値Ｖｍｏの偏差から制御量を算出する。次にステップ１０４に進む。

【0089】

ステップ１０４：制御装置２は、制御量をスイッチング周波数に換算する。次にステップ１０５に進む。

【0090】

ステップ１０５：制御装置２は、スイッチング周波数がゲイン特性のフラットな周波数帯域内にあるかを記憶部９に記憶されているゲイン特性を表す情報に基づき判断する。スイッチング周波数がゲイン特性のフラットな周波数帯域内にある場合（ステップＳ１０５でＹｅｓ）、ステップＳ１０６に進む。それ以外の場合（ステップＳ１０５でＮｏ）、ステップＳ１０７に進む。

【0091】

ステップＳ１０６：制御装置２は、スイッチング周波数をスキップ後のスイッチング周波数に書き換えを行う。次にステップＳ１０７に進む。

【0092】

ステップＳ１０７：制御装置２は、スイッチング周波数で駆動パルスを生成する。次にステップＳ１０８に進む。

【0093】

ステップＳ１０８：制御装置２は、スイッチング素子のオンオフ制御を終了するかを判断する。オンオフ制御を終了する場合（ステップＳ１０８でＹｅｓ）、ステップＳ１０９に進む。それ以外の場合（ステップＳ１０８でＮｏ）、ステップＳ１０１に戻る。

【0094】

ステップＳ１０９：制御装置２は、駆動パルスの生成を停止する。これで処理を終了する。

【0095】

図９は、スイッチング電源装置１のスイッチング周波数に対するゲイン特性である。図９に示すように、スイッチング電源装置１に接続された負荷αから負荷γのそれぞれの場合のスイッチング周波数に対するゲイン特性を示している。負荷αは、負荷βと比較して重負荷である。負荷βは、負荷γと比較して重負荷である。重負荷であるほどゲイン特性のピーク時におけるスイッチング周波数は高くなる。従って、負荷に応じてスイッチング電源装置１のゲイン特性のフラットな周波数帯域は変わるので、スキップ後のスイッチング周波数は負荷に応じて決定される。

【0096】

図１０は、スイッチング電源装置１のスイッチング周波数に対するゲイン特性テーブルＴＢである。ゲイン特性テーブルＴＢは、負荷αから負荷γまでのスイッチング周波数に対するゲイン特性を表にしたものである。ゲイン特性テーブルＴＢａは、負荷αのスイッチング周波数に対するゲイン特性の表である。ゲイン特性テーブルＴＢｂは、負荷βのスイッチング周波数に対するゲイン特性の表である。ゲイン特性テーブルＴＢｃは、負荷γのスイッチング周波数に対するゲイン特性の表である。

【0097】

記憶部９には、スイッチング周波数に対するゲイン特性テーブルＴＢが記憶される。制御装置２は、ゲイン特性テーブルＴＢを表す情報に基づいてスキップ判定を行う。

【0098】

また、制御装置２は、下記式（１）に基づいてゲインを算出することができる。

【0099】

ｇ＝ｙ（ｆ、ｉ）・・・（１）
ｆは、スイッチング周波数である。ｉは負荷に流れる負荷電流値である。ｇはゲインである。ゲインは、スイッチング周波数と負荷電流値の関数から求められる。例えば、関数は、指数関数であってもよいし、双曲線関数であってもよい。また、関数は、指数関数と双曲線関数の合成関数であってもよいし、多項式関数などを用いてもよい。

【0100】

記憶部９には、式（１）を表す情報が記憶される。制御装置２は、式（１）を表す情報に基づいてスキップ判定を行う。

【0101】

〔実施形態１の変形例〕
本開示の他の実施形態について、以下に説明する。なお、説明の便宜上、上記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。

【0102】

図１１は、実施形態１の変形例に係るスイッチング電源装置１Ａである。スイッチング電源装置１Ａは、電力変換回路３Ａを備える。電力変換回路３Ａは、ＣＬＬＣ共振型ＤＣ／ＤＣコンバータである。また例えば、電力変換回路３Ａは、周波数制御されるコンバータであればＣＬＬＣ共振型ＤＣ／ＤＣコンバータ以外でも用いることができる。

【0103】

電力変換回路３Ａは、双方向で電圧の変換が可能である。すなわち、図示しないバッテリが端子ＴａＡと端子ＴｂＡ間に接続されている場合には、バッテリの入力電圧Ｖｉｎは、電力変換回路３Ａで電圧変換されて端子ＴｃＡと端子ＴｄＡ間に出力電圧Ｖｏｕｔを発生させる。バッテリが端子ＴｃＡと端子ＴｄＡ間に接続されている場合には、バッテリの入力電圧は、電力変換回路３Ａで電圧変換されて端子ＴａＡと端子ＴｂＡ間に出力電圧を発生させる。これにより、スイッチング電源装置１Ａは、ＣＬＬＣ共振ＤＣ／ＤＣコンバータにより、電力変換回路３Ａにおけるゲインの応答性が向上するようにスイッチング周波数を変化させることができる。

【0104】

〔実施形態２〕
本開示の他の実施形態について、以下に説明する。なお、説明の便宜上、上記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。

【0105】

図１２は、実施形態２に係るスイッチング電源装置１Ｂのブロック図である。スイッチング電源装置１Ｂの制御装置２Ｂは、偏差判定部１０Ｂを更に含む。

【0106】

偏差判定部１０Ｂは、偏差の大小判定部１０１Ｂと第２切り替え部１０２Ｂを含む。第２切り替え部１０２Ｂは、ポートＴ４Ｂと、ポートＴ５Ｂと、ポートＴ６Ｂとを含む。偏差の大小判定部１０１Ｂでは、目標電圧値Ｖｄと電圧モニタ値Ｖｍｏの偏差の大小を判定する。偏差の大小判定部１０１Ｂは、偏差が所定値以上の場合、偏差が大きいと判定する。一方、偏差の大小判定部１０１Ｂは、偏差が所定値未満の場合、偏差が小さいと判定する。

【0107】

第２切り替え部１０１Ｂは、偏差が小さいと判定したときは、ポートＴ４ＢとポートＴ６Ｂが接続される。このとき、位相補償器６２からのスイッチング周波数で駆動パルスを生成する指示が駆動パルス生成部８になされる。一方、第２切り替え９２Ｂは、偏差が大きいと判定したときは、ポートＴ５ＢとポートＴ６Ｂが接続される。このとき、位相補償器６２からのスイッチング周波数はスキップ判定部７においてスイッチング周波数のスキップ判定がなされる。

【0108】

残りの処理は、実施形態１と同じであるので、説明を省略する。

【0109】

図１３は、実施形態２に係るスイッチング電源装置１Ｂのスイッチング周波数制御処理のフローチャートを示す。

【0110】

ここで、ステップ２０１からステップＳ２０４は、実施形態１と同様であるのでここでは、説明を省略する。

【0111】

ステップＳ２０５：制御装置２Ｂは、目標電圧値Ｖｄと電圧モニタ値Ｖｍｏの偏差が所定値以上かを判定する。偏差が所定値以上であると判定した場合（ステップＳ２０５でＹｅｓ）、ステップＳ２０６に進む。それ以外の場合（ステップＳ２０５でＮｏ）、ステップＳ２０８に進む。

【0112】

ここで、ステップＳ２０６からステップＳ２１０は、実施形態１と同様であるのでここでは、説明を省略する。

【0113】

偏差判定部１０Ｂは、偏差が所定値以上である場合には、スキップ判定部７にスイッチング周波数をスキップさせるか否かを判定させるよう指示する。これにより、スイッチング電源装置１Ｂは、出力電圧を高速に応答させることができる。一方、偏差判定部１０Ｂは、偏差が所定値未満である場合には、スキップ判定部７にスキップするか否か判定させずに、駆動パルス生成部８にスイッチング周波数で駆動パルスを生成するよう指示する。スキップ判定部７がスイッチング周波数をスキップさせると出力電圧の変化量は大きくなる。これにより、出力電圧の分解能が低下するので、出力電圧の微調整ができなくなるからである。そのため、制御装置２Ｂは、偏差が所定値未満である場合には、出力電圧を高速に応答させる必要がないためスイッチング周波数をスキップさせないようにした。これにより、スイッチング電源装置１Ｂは、スイッチング周波数をスキップさせることによる出力電圧の分解能の低下を低減することができる。

【0114】

〔ソフトウェアによる実現例〕
制御装置２（以下、「装置」と呼ぶ）の機能は、当該装置としてコンピュータを機能させるためのプログラムであって、当該装置の各制御ブロック（特に、フィードバック制御部６およびスキップ判定部７）としてコンピュータを機能させるためのプログラムにより実現することができる。

【0115】

この場合、上記装置は、上記プログラムを実行するためのハードウェアとして、少なくとも１つの制御装置（例えばプロセッサ）と少なくとも１つの記憶装置（例えばメモリ）を有するコンピュータを備えている。この制御装置と記憶装置により上記プログラムを実行することにより、上記各実施形態で説明した各機能が実現される。

【0116】

上記プログラムは、一時的ではなく、コンピュータ読み取り可能な、１または複数の記録媒体に記録されていてもよい。この記録媒体は、上記装置が備えていてもよいし、備えていなくてもよい。後者の場合、上記プログラムは、有線または無線の任意の伝送媒体を介して上記装置に供給されてもよい。

【0117】

本開示は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本開示の技術的範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0118】

１、１Ａ，１Ｂ スイッチング電源装置
２、２Ａ、２Ｂ 制御装置
３ 電力変換回路
４ モニタ回路
５ 目標電圧算出部
６ フィードバック制御部
７ スキップ判定部
８ 駆動パルス生成部
９ 記憶部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】