特開 2024-100281 制御装置、スイッチング電源装置及び制御方法

(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】P2024100281

(43)【公開日】2024-07-26

(54)【発明の名称】制御装置、スイッチング電源装置及び制御方法

(51)【国際特許分類】

   H02M 3/28 20060101AFI20240719BHJP

【ＦＩ】

H02M3/28 Q

H02M3/28 H

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023004155

(22)【出願日】2023-01-13

(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】各務 明浩

(72)【発明者】

【氏名】富田 洋輔

(72)【発明者】

【氏名】山上 正寛

【テーマコード（参考）】

5H730

【Ｆターム（参考）】

5H730AA02

5H730AS17

5H730BB27

5H730BB61

5H730DD04

5H730EE04

5H730EE07

5H730EE59

5H730FD01

5H730FG07

(57)【要約】

【課題】ゲイン変化に伴う電圧振動を低減させつつ、スイッチングノイズを低減させる。
【解決手段】制御装置（２）は、スイッチング周波数を算出する周波数算出部（２３）と、スイッチング周波数の変化量に対する、ゲインの変化量の比を示す変化率を算出する変化率算出部（２４）と、変化率に基づいてスイッチング周波数を拡散させる拡散制御部（２５）と、を備える。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

スイッチング素子のオンオフ状態を切り替えることにより、入力電圧を出力電圧に変換する電力変換回路に用いられる制御装置であって、
前記スイッチング素子のオンオフ状態を切り替えるためのスイッチング周波数を算出する周波数算出部と、
前記周波数算出部によって算出された前記スイッチング周波数の変化量に対する、前記入力電圧に対する前記出力電圧の比であるゲインの変化量の比を示す変化率を算出する変化率算出部と、
前記変化率算出部によって算出された前記変化率に基づいて、前記周波数算出部によって算出された前記スイッチング周波数を拡散させる拡散制御部と、
を備える制御装置。

【請求項2】

前記変化率算出部は、前記周波数算出部によって算出された前記スイッチング周波数を所定範囲で変化させた場合の変化量に対する、前記ゲインの変化量の比を示す変化率を算出し、
前記拡散制御部は、前記変化率に基づいて、前記周波数算出部によって算出された前記スイッチング周波数を拡散させる拡散幅を変化させる、
請求項１に記載の制御装置。

【請求項3】

前記拡散制御部は、前記変化率が小さいほど前記拡散幅を大きくする、
請求項２に記載の制御装置。

【請求項4】

前記拡散制御部は、前記スイッチング周波数に基づいて前記拡散幅を変化させる、
請求項２に記載の制御装置。

【請求項5】

前記拡散制御部は、前記電力変換回路に流れる電流に基づいて前記拡散幅を変化させる、
請求項２に記載の制御装置。

【請求項6】

請求項１～５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7】

スイッチング素子のオンオフ状態を切り替えることにより、入力電圧を出力電圧に変換する電力変換回路に用いられる制御装置の制御方法であって、
前記スイッチング素子のオンオフ状態を切り替えるためのスイッチング周波数を算出し、
前記スイッチング周波数の変化量に対する、前記入力電圧に対する前記出力電圧の比であるゲインの変化量の比を示す変化率を算出し、
前記変化率に基づいて前記スイッチング周波数を拡散させる、
制御方法。

【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及び制御方法に関し、特に共振動作型のスイッチング電源装置に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、スイッチング周波数を所定範囲において拡散させてノイズエネルギーを分散化させることが記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００４－１５９４１８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、スイッチング周波数の変化量に対してゲインの変化量が大きい周波数領域においてスイッチング周波数を拡散させてしまうと、ゲイン変化に伴い出力電圧が不安定になるおそれがある。一方で、スイッチング周波数の拡散幅を小さくすると所望のスイッチングノイズ低減効果が得られないおそれがある。

【0005】

本開示の一態様は、ゲイン変化に伴う電圧振動を低減させつつ、スイッチングノイズを低減させることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

前記の課題を解決するために、本開示の一態様に係る制御装置は、スイッチング素子のオンオフ状態を切り替えることにより、入力電圧を出力電圧に変換する電力変換回路に用いられる制御装置であって、前記スイッチング素子のオンオフ状態を切り替えるためのスイッチング周波数を算出する周波数算出部と、前記周波数算出部によって算出された前記スイッチング周波数の変化量に対する、前記入力電圧に対する前記出力電圧の比であるゲインの変化量の比を示す変化率を算出する変化率算出部と、前記変化率算出部によって算出された前記変化率に基づいて、前記周波数算出部によって算出された前記スイッチング周波数を拡散させる拡散制御部と、を備える。

【0007】

前記の課題を解決するために、本開示の一態様に係る制御方法は、スイッチング素子のオンオフ状態を切り替えることにより、入力電圧を出力電圧に変換する電力変換回路に用いられる制御装置の制御方法であって、前記スイッチング素子のオンオフ状態を切り替えるためのスイッチング周波数を算出し、前記スイッチング周波数の変化量に対する、前記入力電圧に対する前記出力電圧の比であるゲインの変化量の比を示す変化率を算出し、前記変化率に基づいて前記スイッチング周波数を拡散させる。

【0008】

本開示の各態様に係る制御装置は、コンピュータによって実現してもよく、この場合には、コンピュータを前記制御装置が備える各部（ソフトウェア要素）として動作させることにより前記制御装置をコンピュータにて実現させる制御プログラム、及びそれを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体も、本開示の範疇に入る。

【発明の効果】

【0009】

本開示の一態様によれば、ゲイン変化に伴う電圧振動を低減させつつ、スイッチングノイズを低減させることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本開示の実施形態に係るスイッチング電源装置の一例を示す概略構成図である。

【図2】本開示の実施形態に係る制御装置の機能ブロック図である。

【図3】バッテリを充電する際の電圧及び電流の時間変化を示すグラフである。

【図4】スイッチング周波数とゲインとの関係を示すグラフである。

【図5】ノイズ周波数とノイズレベルとの関係を示す比較例である。

【図6】ノイズ周波数とノイズレベルとの関係を示す実施例である。

【図7】ノイズ周波数とノイズレベルとの関係を示す比較例である。

【図8】ノイズ周波数とノイズレベルとの関係を示す実施例である。

【図9】周波数拡散制御の流れの一例を説明するフローチャートである。

【図10】スイッチング周波数とゲインとの関係を示すグラフである。

【図11】スイッチング周波数とゲインとの関係を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、本開示の一実施形態について、詳細に説明する。図面の記載において同一部分には同一符号を付して説明を省略する。

【0012】

＜スイッチング電源装置１の構成＞
図１は、本実施形態に係るスイッチング電源装置１の一例を示す概略構成図である。図１に示すように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とを備えている。スイッチング電源装置１には、外部の電源３０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に変換して外部の負荷３１に出力電流Ｉｏｕｔを供給する。スイッチング電源装置１は、車両に搭載されるＬＬＣ共振型ＤＣ／ＤＣコンバータであり、車両駆動用の高圧バッテリである電源３０から補機用の低圧バッテリである負荷３１に電力を供給する。ただしスイッチング電源装置１は、ＬＬＣ共振型ＤＣ／ＤＣコンバータに限定されず、他の方式のＤＣ／ＤＣコンバータであってもよい。また、スイッチング電源装置１に接続される負荷３１はバッテリに限られない。当該負荷３１は、モータ、又は電装品であってもよい。

【0013】

また、スイッチング電源装置１は、オンボードチャージャーで用いられてもよい。オンボードチャージャーとは、一般住宅又は公共施設などから提供される交流電圧を直流電圧に変換し、電気自動車又はプラグインハイブリッド自動車などに搭載される車両駆動用の高圧バッテリを充電するためのシステムである。スイッチング電源装置１がオンボードチャージャーで用いられる場合、電源３０は交流電源であり、負荷３１は車両駆動用の高圧バッテリである。なお、スイッチング電源装置１がオンボードチャージャーで用いられる場合、交流電源と電力変換回路３との間には力率補正回路が挿入される。以下、本実施形態では、負荷３１を車両駆動用の高圧バッテリとして説明する。

【0014】

＜電力変換回路３の構成＞
図１に示すように、電力変換回路３は、第１端子Ｔａと、第２端子Ｔｂと、第１コンデンサＣＩＮと、第１スイッチング素子Ｑ１と、第２スイッチング素子Ｑ２と、第３スイッチング素子Ｑ３と、第４スイッチング素子Ｑ４と、第２コンデンサＣｒと、第１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、第３コンデンサＣＯＵＴと、電圧センサ４と、第３端子Ｔｃと、第４端子Ｔｄと、を備える。

【0015】

第１端子Ｔａは、電源３０の正端子に接続されている。第２端子Ｔｂは、電源３０の負端子に接続されている。第１コンデンサＣＩＮの一端は第１端子Ｔａに接続されており、第１コンデンサＣＩＮの他端は第２端子Ｔｂに接続されている。第１コンデンサＣＩＮは、平滑コンデンサとして機能する。本実施形態では、電力変換回路３が第１コンデンサＣＩＮを備えるものとして説明するが、これに限定されず、第１コンデンサＣＩＮは電力変換回路３の外部に設けられる構成であってもよい。

【0016】

第１～第４スイッチング素子Ｑ１～Ｑ４は、電源３０から供給された直流電流Ｉｉｎを交流電流に変換するために用いられる。以下では第１～第４スイッチング素子Ｑ１～Ｑ４を電界効果トランジスタ（ＦＥＴ：Field Effect Transistor）として説明するが、これに限定されず、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などが用いられてもよい。本実施形態では、第１～第４スイッチング素子Ｑ１～Ｑ４によってフルブリッジ型の回路が形成される。第１～第４スイッチング素子Ｑ１～Ｑ４の接続関係について説明する。

【0017】

第１スイッチング素子Ｑ１のドレインは、第２スイッチング素子Ｑ２のソース及び１次側巻線ＬＲ１の一端に接続されている。第１スイッチング素子Ｑ１のソースは、第２端子Ｔｂに接続されている。第１スイッチング素子Ｑ１のゲートには制御装置２から第１制御信号Ｓ１が入力される。

【0018】

第２スイッチング素子Ｑ２のドレインは、第１端子Ｔａ及び第４スイッチング素子Ｑ４のドレインと接続されている。第２スイッチング素子Ｑ２のゲートには制御装置２から第２制御信号Ｓ２が入力される。

【0019】

第３スイッチング素子Ｑ３のドレインは、第４スイッチング素子Ｑ４のソース及び第２コンデンサＣｒの一端に接続されている。第３スイッチング素子Ｑ３のソースは、第２端子Ｔｂに接続されている。第３スイッチング素子Ｑ３のゲートには制御装置２から第３制御信号Ｓ３が入力される。

【0020】

第４スイッチング素子Ｑ４のゲートには制御装置２から第４制御信号Ｓ４が入力される。第１～第４制御信号Ｓ１～Ｓ４の一例は、駆動パルスである。

【0021】

第１～第４スイッチング素子Ｑ１～Ｑ４のオンオフ状態について、代表として、第１スイッチング素子Ｑ１を取り上げて説明する。第１スイッチング素子Ｑ１のドレイン－ソース間が導通のときを第１スイッチング素子Ｑ１がオン状態であり、第１スイッチング素子Ｑ１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状態である。制御装置２は、第１スイッチング素子Ｑ１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によって制御する。第２～第４スイッチング素子Ｑ２～Ｑ４についても同様である。なお、導通とはドレインからソースの方向に電流が流れる状態を意味する。

【0022】

第２コンデンサＣｒの他端は、第１コイルＬｒの一端に接続されている。なお、第１コイルＬｒはトランスＴＲが具備する漏れインダクタンスで代用してもよい。第１コイルＬｒの他端は、１次側巻線ＬＲ１の他端に接続されている。第２コイルＬｍは、１次側巻線ＬＲ１と並列に接続されている。第２コイルＬｍは、トランスＴＲが具備する励磁インダクタンスであるが、トランスＴＲと別体のコイル部品を１次側巻線ＬＲ１と並列に接続してもよい。第２コンデンサＣｒと、第１コイルＬｒと、第２コイルＬｍとによって、共振回路が形成されている。共振回路により、電力変換回路３は、第２コンデンサＣｒと第１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、第１コイルＬｒのインダクタンスと第２コイルＬｍのインダクタンスの和、及び第２コンデンサＣｒによる共振周波数を有する。

【0023】

トランスＴＲは、１次側巻線ＬＲ１と２次側巻線ＬＲ２とを備え、１次側回路と２次側回路とを直流的に絶縁するとともに交流的に接続する。より詳しくは、トランス１５は、１次側回路と２次側回路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。

【0024】

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ている。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のアノードに接続されている。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、第３端子Ｔｃに接続されている。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、第４端子Ｔｄに接続されている。

【0025】

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する。

【0026】

第３コンデンサＣＯＵＴの一端は、第３端子Ｔｃに接続されている。第３コンデンサＣＯＵＴの他端は、第４端子Ｔｄに接続されている。第３コンデンサＣＯＵＴは、第１～第４ダイオードＤ１～Ｄ４によって整流された電流を平滑化して出力電流Ｉｏｕｔを生成する。生成された出力電流Ｉｏｕｔは、負荷３１に供給される。なお、出力電流Ｉｏｕｔは、不図示の電流センサで検出し、検出した電流信号は制御装置２に送信される。

【0027】

電圧センサ４は、第３端子Ｔｃと第４端子Ｔｄとの間に発生する電圧である出力電圧Ｖｏｕｔを検出するセンサである。電圧センサ４は、第３端子Ｔｃと第４端子Ｔｄとの間に接続されている。電圧センサ４は、検出した出力電圧Ｖｏｕｔを制御装置２に送信する。

【0028】

第３端子Ｔｃは、負荷３１の正端子に接続されている。第４端子Ｔｄは、負荷３１の負端子に接続されている。

【0029】

制御装置２は、各種プログラムが格納されたＲＯＭ（Read Only Memory）、各種プログラムを実行する動作回路としてのＣＰＵ（Central Processing Unit）などを備える。制御装置２は、負荷３１に対する目標電圧及び電圧センサ４から取得した出力電圧Ｖｏｕｔなどに基づいて、第１～第４スイッチング素子Ｑ１～Ｑ４の動作を制御することにより、電力変換回路３の動作を制御する。制御装置２は、各種プログラムを実行することにより、複数の信号処理回路として機能する。なお、ここでは、ソフトウェアによって制御装置２が備える複数の信号処理回路を実現する例を示すが、もちろん、以下に示す各信号処理を実行するための専用のハードウェアを用意して、信号処理回路を構成することも可能である。また、複数の信号処理回路を個別のハードウェアにより構成してもよい。

【0030】

＜制御装置２の機能＞
次に、図２を参照して、制御装置２の機能について説明する。図２は、制御装置２の機能ブロック図である。図２に示すように、制御装置２は、複数の信号処理回路として、目標電圧算出部２１と、制御量算出部２２と、周波数算出部２３と、変化率算出部２４と、拡散制御部２５と、駆動パルス生成部２６と、を備える。なお、記憶部２７は、制御装置２の機能ではなく、ＲＯＭなどによって構成されるハードウェアである。

【0031】

目標電圧算出部２１は、負荷３１に応じて目標電圧を算出する。目標電圧は、出力電圧Ｖｏｕｔの目標値である。制御装置２は、目標電圧に追従するように出力電圧Ｖｏｕｔを制御する。制御方法の一例として、フィードバック制御を取り上げて説明する。目標電圧算出部２１は、算出した目標電圧を制御量算出部２２に送信する。

【0032】

制御量算出部２２は、目標電圧算出部２１から取得した目標電圧と、電圧センサ４から取得した出力電圧Ｖｏｕｔとの偏差を算出し、算出した偏差がゼロになるようにＰＩＤ演算により制御量を算出する。制御量算出部２２は、算出した制御量を周波数算出部２３に送信する。ここでは、電圧値をフィードバック制御の対象として説明するが、フィードバック制御の対象は、電圧値に限定されず、電流値でもよく、電力値でもよい。

【0033】

周波数算出部２３は、制御量算出部２２から取得した制御量を換算して第１～第４スイッチング素子Ｑ１～Ｑ４のオンオフ状態を切り替えるためのスイッチング周波数を算出する。周波数算出部２３は、算出したスイッチング周波数を変化率算出部２４に送信する。なお、スイッチング周波数の代わりにスイッチング周波数の逆数であるスイッチング周期を算出して以降の演算を行ってもよい。スイッチング周波数及びスイッチング周期の両者は、等価な特徴量であるためどちらを用いても同じ効果が得られることは自明であり、スイッチング周期の詳細な説明は省略する。スイッチング周波数が高い場合はスイッチング周期は短く、スイッチング周波数が低い場合はスイッチング周期は長いため、適宜読み替えればよい。

【0034】

変化率算出部２４は、周波数算出部２３から取得したスイッチング周波数を所定範囲で変化させた場合の変化量に対する、ゲインの変化量の比を示す変化率を算出する。本実施形態におけるゲインとは、入力電圧Ｖｉｎに対する出力電圧Ｖｏｕｔの比である。所定範囲は予め設定されている。例えば所定範囲は、周波数算出部２３によって算出されたスイッチング周波数を基本周波数とした場合、この基本周波数を基準とした所定の周波数範囲として設定される。以下では変化率を「変化率ΔＧ／ΔＦ」と称する。記憶部２７には、スイッチング周波数とゲインとの関係を示す情報が格納されており、変化率算出部２４は、記憶部２７を参照して変化率ΔＧ／ΔＦを算出する。変化率算出部２４は、算出した変化率ΔＧ／ΔＦを拡散制御部２５に送信する。なお、スイッチング周波数とゲインとの関係を示す情報は、電力変換回路３の動作中に種々のセンサ取得値に基づいて更新されてもよく、電力変換回路３の外部の通信手段から取得してもよい。

【0035】

拡散制御部２５は、変化率算出部２４から取得した変化率ΔＧ／ΔＦに応じてスイッチング周波数を拡散させる拡散幅を変化させる。

【0036】

スイッチング動作によって生じるノイズを低減させるための方策として、スイッチング周波数を所定の範囲で拡散させることが知られている。その原理は、スイッチング周波数を所定の範囲で拡散させることにより、スイッチング動作によって生じるノイズの周波数スペクトルを拡散させ、スイッチングノイズを低減させる、というものである。以下では、「スイッチング動作によって生じるノイズ」を単にスイッチングノイズと称する。

【0037】

ここで、ＬＬＣ共振型ＤＣ／ＤＣコンバータは通常、周波数変調方式によって制御されるため、スイッチング周波数を拡散させるとゲイン変化に伴う電圧振動が大きくなり出力電圧が不安定になるおそれがある。出力電圧を可能な限り安定させるためには、スイッチング周波数を拡散させる拡散幅を狭くする方法が考えられるが、そうすると、ノイズ低減効果が限定的になってしまう。

【0038】

この問題を解決すべく、本実施形態では、変化率ΔＧ／ΔＦに応じてスイッチング周波数を拡散させる拡散幅を変化させる構成とした。詳細については後述する。

【0039】

駆動パルス生成部２６は、スイッチング周波数を用いて駆動パルスを生成し、生成した駆動パルスを第１～第４スイッチング素子Ｑ１～Ｑ４に出力する。これにより、第１～第４スイッチング素子Ｑ１～Ｑ４のオンオフ状態が切り替えられる。

【0040】

＜拡散幅を変化させる方法の一例＞
次に、図３及び図４を参照して、変化率ΔＧ／ΔＦに応じてスイッチング周波数を拡散させる拡散幅を変化させる方法の一例について説明する。

【0041】

図３は、図１の負荷３１を充電する際の電圧及び電流の時間変化を示すグラフである。図３のＴ１は、充電開始時の時間領域を示す。また、図３のＴ２は、充電完了間際の時間領域を示す。時間領域Ｔ１に示すように、充電開始時では負荷３１の電圧が低いため、充電電流が最大の状態となる。一例として、充電電流が大きくなるにつれて、スイッチングノイズが大きくなるため、充電開始時ではスイッチングノイズは大きい。一方で、一例として、充電が進むにしたがい、負荷３１の電圧は徐々に高くなり、充電電流は徐々に小さくなる。したがって、時間領域Ｔ２で示される充電完了間際のおけるスイッチングノイズは小さい。このため、充電完了間際よりは、充電開始時におけるスイッチングノイズを低減させることが求められる。

【0042】

図４は、スイッチング周波数とゲインとの関係を示すグラフであり、横軸はスイッチング周波数（ｋＨｚ）を示し、縦軸はゲインを示す。ゲインがピークとなる領域より左側の領域は、ＬＬＣ共振型ＤＣ／ＤＣコンバータの制御において通常使用されないため、説明を省略する。ゲインがピークとなる領域より右側の領域では、スイッチング周波数が高くなるにつれて、ゲインが小さくなる。ただし、この変化率ΔＧ／ΔＦは一律ではない。具体的には低周波数領域Ｆ２では、変化率ΔＧ／ΔＦは大きく、高周波数領域Ｆ１では、変化率ΔＧ／ΔＦは小さい。

【0043】

充電開始時では、制御装置２は、ゲインが小さい高周波数領域Ｆ１でスイッチング周波数を制御する。図３で説明したように、高周波数領域Ｆ１では充電電流が最大の状態であるためスイッチングノイズが大きい。なお、充電開始時にゲインが小さい理由は、入力電圧が一定で、出力電圧が低いからである。

【0044】

ＬＬＣ共振型ＤＣ／ＤＣコンバータの周波数変調方式では通常、スイッチング周波数を低くしてゲインを上げることにより、出力電圧Ｖｏｕｔを上昇させる。本実施形態においても制御装置２は、この周波数変調方式を用いて出力電圧Ｖｏｕｔを上昇させる。したがって、充電完了間際では、制御装置２は、ゲインが大きい低周波数領域Ｆ２でスイッチング周波数を制御する。図３で説明したように、低周波数領域Ｆ２では充電電流が小さいためスイッチングノイズは小さい。

【0045】

このように、高周波数領域Ｆ１ではスイッチングノイズが大きく、低周波数領域Ｆ２では小さい。また、高周波数領域Ｆ１における変化率ΔＧ／ΔＦは小さく、低周波数領域Ｆ２における変化率ΔＧ／ΔＦは大きい。そこで、制御装置２は、変化率ΔＧ／ΔＦが小さい場合は大きい場合と比較して、スイッチング周波数を拡散させる拡散幅を大きくする。換言すれば、制御装置２は、高周波数領域Ｆ１ではスイッチング周波数を拡散させる拡散幅を大きくし、低周波数領域Ｆ２ではスイッチング周波数を拡散させる拡散幅を小さくする。以下、拡散幅の大小の具体例を説明する。

【0046】

図４の符号１０は、高周波数領域Ｆ１においてスイッチング周波数を拡散させる拡散幅を示す。図４の符号１１は、低周波数領域Ｆ２においてスイッチング周波数を拡散させる拡散幅を示す。拡散幅１０＞拡散幅１１である。制御装置２は、高周波数領域Ｆ１においてスイッチング周波数を拡散させる拡散幅１０を、低周波数領域Ｆ２においてスイッチング周波数を拡散させる拡散幅１１より大きくする。

【0047】

変化率ΔＧ／ΔＦが小さい高周波数領域Ｆ１では、スイッチングノイズが大きい。このため、変化率ΔＧ／ΔＦが小さい高周波数領域Ｆ１では、制御装置２は、スイッチング周波数を拡散させる拡散幅を大きくする。これにより、スイッチングノイズの周波数スペクトルを広範囲で拡散させることができ、スイッチングノイズを低減させることが可能となる。一方で、スイッチング周波数を拡散させる拡散幅を大きくすると、ゲイン変化に伴う電圧振動が大きくなることが懸念されるが、本実施形態において、拡散幅を大きくさせた高周波数領域Ｆ１では変化率ΔＧ／ΔＦは小さい。よって、スイッチング周波数を拡散させたとしても、その拡散に起因するゲイン変化は小さく、電圧振動も小さい。すなわち、本実施形態によれば、ゲイン変化に伴う電圧振動を低減させつつ、スイッチングノイズを低減させることが可能となる。

【0048】

変化率ΔＧ／ΔＦが大きい低周波数領域Ｆ２では、スイッチングノイズは小さい。このため、変化率ΔＧ／ΔＦが大きい低周波数領域Ｆ２では、制御装置２は、スイッチング周波数を拡散させる拡散幅を小さくする。これは、スイッチングノイズ低減効果が低くなるとしても、ゲイン変化に伴う電圧振動をより低減することを目的としている。上述の通り、変化率ΔＧ／ΔＦが大きい低周波数領域Ｆ２ではスイッチングノイズは小さいため、スイッチングノイズ低減効果は低くても構わない。変化率ΔＧ／ΔＦが大きい低周波数領域Ｆ２においては、拡散幅を大きくしてしまうと、ゲイン変化に伴う電圧振動が大きくなってしまうため、この電圧振動を低減させることがスイッチングノイズ低減効果よりも求められる。

【0049】

そこで、変化率ΔＧ／ΔＦが大きい低周波数領域Ｆ２では、制御装置２は、スイッチング周波数を拡散させる拡散幅を小さくする。これにより、ゲイン変化に伴う電圧振動を低減させることできる。図３で説明したように、変化率ΔＧ／ΔＦが大きい低周波数領域Ｆ２は、充電完了間際の周波数領域である。この周波数領域では、過充電とならないように高精度な低電流の出力が求められるところ、拡散幅を小さくすることにより、電圧振動を低減させることができ、高精度な低電流の出力が実現する。

【0050】

なお、制御装置２は、任意の条件を満足する場合、例えば変化率ΔＧ／ΔＦが大きい低周波数領域Ｆ２では、スイッチング周波数を拡散させる拡散幅をゼロにしてもよい。これにより、スイッチングノイズ低減効果は得られないが、ゲイン変化に伴う電圧振動をより一層低減させることできる。繰り返しになるが、変化率ΔＧ／ΔＦが大きい低周波数領域Ｆ２では、もともとスイッチングノイズは小さいため、スイッチングノイズ低減効果が得られなくても構わない。図１の負荷３１を充電する際のスイッチングノイズを低減させることができれば足りる。

【0051】

また、上記では変化率ΔＧ／ΔＦを絶対値として説明したが、絶対値が同じでも正の変化率と負の変化率の場合で処理を区別してもよい。一例として変化率ΔＧ／ΔＦが正の場合には負の場合よりも拡散幅を狭くしたり、拡散幅をゼロにしたりしてもよいし、又は異常とみなして電流出力を制限するなどしてもよい。

【0052】

＜比較結果＞
次に、図５～８を参照して、本実施形態における周波数拡散制御を行わなかった場合と行った場合の比較結果について説明する。「周波数拡散制御」とは、本実施形態におけるスイッチング周波数の拡散幅を変化させる制御を指す。図５～８はいずれも、ノイズ周波数とノイズレベルとの関係を示すグラフであり、横軸はノイズ周波数（ＭＨｚ）を示し、縦軸はノイズレベル（ｄＢμＶ）を示す。

【0053】

図５は、本実施形態における周波数拡散制御を行わなかった場合の結果である。図６は、本実施形態における周波数拡散制御を行った場合の結果である。図５及び図６から明らかなように、本実施形態における周波数拡散制御を行うことにより、ノイズのピークが低減していることがわかる。

【0054】

図７は、図５の一部分（破線部分）の拡大図である。同様に、図８は、図６の一部分（破線部分）の拡大図である。図７ではノイズのピークである高調波が発生している一方で、図８ではこのようなピークが低減されてノイズレベルが平均化されており、ノイズのピークレベルが低減していることがわかる。

【0055】

＜制御装置２による制御の流れ＞
次に、図９のフローチャートを参照して、制御装置２による周波数拡散制御の流れの一例を説明する。このフローチャートは、例えば、図１の負荷３１の充電が完了するまで繰り返し実行される。

【0056】

ステップＳ１０１において、制御装置２は、スイッチング電源装置１に接続されている負荷３１に応じて目標電圧を算出する。

【0057】

処理はステップＳ１０２に進み、制御装置２は、電圧センサ４から出力電圧Ｖｏｕｔを取得する。

【0058】

処理はステップＳ１０３に進み、制御装置２は、ステップＳ１０１の処理で算出した目標電圧と、ステップＳ１０２の処理で取得した出力電圧Ｖｏｕｔとの偏差を算出し、算出した偏差がゼロになるようにＰＩＤ演算により制御量を算出する。

【0059】

処理はステップＳ１０４に進み、制御装置２は、ステップＳ１０３の処理で算出した制御量を換算して第１～第４スイッチング素子Ｑ１～Ｑ４のオンオフ状態を切り替えるためのスイッチング周波数を算出する。

【0060】

処理はステップＳ１０５に進み、制御装置２は、ステップＳ１０４の処理で算出したスイッチング周波数を所定範囲で変化させた場合の変化量に対する、ゲインの変化量の比を示す変化率ΔＧ／ΔＦを算出する。

【0061】

処理はステップＳ１０６に進み、制御装置２は、ステップＳ１０５の処理で算出した変化率ΔＧ／ΔＦに応じてスイッチング周波数を拡散させる拡散幅を変化させる。制御装置２は、変化させた拡散幅でスイッチング周波数を拡散させる。

【0062】

（作用効果）
以上説明したように、本実施形態に係る制御装置２によれば、以下の作用効果が得られる。

【0063】

制御装置２は、第１～第４スイッチング素子Ｑ１～Ｑ４のオンオフ状態を切り替えることにより、入力電圧Ｖｉｎを出力電圧Ｖｏｕｔに変換する電力変換回路３に用いられる。制御装置２は、第１～第４スイッチング素子Ｑ１～Ｑ４のオンオフ状態を切り替えるためのスイッチング周波数を算出する周波数算出部２３と、周波数算出部２３によって算出されたスイッチング周波数の変化量に対する、入力電圧に対する出力電圧の比であるゲインの変化量の比を示す変化率ΔＧ／ΔＦを算出する変化率算出部２４と、変化率算出部２４によって算出された変化率ΔＧ／ΔＦに基づいて、周波数算出部２３によって算出されたスイッチング周波数を拡散させる拡散制御部２５と、を備える。

【0064】

上記構成によれば、ゲイン変化に伴う電圧振動を低減させつつ、スイッチングノイズを低減させることが可能となる。

【0065】

また、制御装置２は、スイッチング周波数を所定範囲で変化させた場合の変化量に対する、ゲインの変化量の比を示す変化率ΔＧ／ΔＦを算出する。制御装置２は、変化率ΔＧ／ΔＦに基づいてスイッチング周波数を拡散させる拡散幅を変化させる。これにより、ゲイン変化に伴う電圧振動を低減させつつ、スイッチングノイズを低減させることが可能となる。

【0066】

具体的な例として、制御装置２は、変化率ΔＧ／ΔＦが小さい場合は大きい場合と比較して、拡散幅を大きくする。制御装置２は、スイッチングノイズが大きい高周波数領域Ｆ１では、拡散幅を大きくし、この拡散幅でスイッチング周波数を拡散させる。これにより、スイッチングノイズの周波数スペクトルを広範囲で拡散させることができ、スイッチングノイズを低減させることが可能となる。

【0067】

制御装置２は、変化率ΔＧ／ΔＦが小さいほど拡散幅を大きくしてもよい。変化率ΔＧ／ΔＦが小さいほど周波数拡散に起因するゲイン変化は小さく、電圧振動も小さい。したがって、この構成によれば、ゲイン変化に伴う電圧振動を低減させつつ、スイッチングノイズを低減させることが可能となる。

【0068】

上述では、制御装置２は、変化率ΔＧ／ΔＦが小さい場合は拡散幅を大きくし、変化率ΔＧ／ΔＦが大きい場合は拡散幅を小さくする、と説明したが、更にスイッチング周波数という条件を加えて拡散幅を変化させてもよい。例えば、ＣＬＬＣ共振型ＤＣ／ＤＣコンバータのように複数のゲインピークを有するコンバータの場合、複数のスイッチング周波数領域で変化率ΔＧ／ΔＦが同じになることも想定される。そこで、制御装置２は、同じ変化率ΔＧ／ΔＦであっても、スイッチング周波数によって異なる拡散幅を設定してもよい。これにより、ＣＬＬＣ共振型ＤＣ／ＤＣコンバータのように複数のゲインピークを有するコンバータを用いる場合であってもスイッチングノイズを低減させることが可能となる。

【0069】

一例として、変化率ΔＧ／ΔＦは、スイッチング周波数が高い領域では低い領域と比較して小さい。そこで、制御装置２は、スイッチング周波数が高い領域では低い領域と比較して、拡散幅を大きくしてもよい。これにより、ゲイン変化に伴う電圧振動を低減させつつ、スイッチングノイズを低減させることが可能となる。なお、制御装置２は、高周波数領域における拡散幅を、低周波数領域における拡散幅より大きくする、と言い換えられてもよい。

【0070】

＜変形例＞
次に、図１０～１１を参照して、本実施形態の変形例について説明する。

【0071】

図１０は、負荷３１が軽負荷である場合における、スイッチング周波数とゲインとの関係を示すグラフである。図１１は、負荷３１が重負荷である場合における、スイッチング周波数とゲインとの関係を示すグラフである。図１０及び図１１の横軸はスイッチング周波数（ｋＨｚ）を示し、縦軸はゲインを示す。負荷３１が軽負荷である場合、出力電流Ｉｏｕｔは小さい。一方で、負荷３１が重負荷である場合、出力電流Ｉｏｕｔは大きい。

【0072】

負荷の大小に応じて、換言すれば、出力電流Ｉｏｕｔの大小に応じて、ゲイン特性は変化する。具体的には、出力電流Ｉｏｕｔが小さい場合は、図１０のように、変化率ΔＧ／ΔＦは大きい。一方で、出力電流Ｉｏｕｔが大きい場合は、図１１のように、変化率ΔＧ／ΔＦは小さい。そこで、制御装置２は、出力電流Ｉｏｕｔが大きい場合は小さい場合と比較して、スイッチング周波数を拡散させる拡散幅を大きくしてもよい。これにより、よって同じ高周波数領域Ｆ１であっても、出力電流Ｉｏｕｔが大きい場合の拡散幅１３は、出力電流Ｉｏｕｔが小さい場合の拡散幅１２より大きくなる。出力電流Ｉｏｕｔが大きいほどスイッチングノイズは大きいため、出力電流Ｉｏｕｔが大きい場合の拡散幅１３を大きくすることにより、スイッチングノイズの周波数スペクトルを広範囲で拡散させることができ、スイッチングノイズを低減させることが可能となる。

【0073】

一例として、変化率ΔＧ／ΔＦは、電力変換回路３に流れる電流が大きい場合は小さい場合と比較して小さい。制御装置２は、電力変換回路３に流れる電流が大きい場合は小さい場合と比較して、拡散幅を大きくしてもよい。なお、電力変換回路３に流れる電流の一例は、出力電流Ｉｏｕｔ、すなわち、負荷電流である。

【0074】

なお、負荷の大小に基づくゲイン特性の変化は、上述の内容に限定されない。例えば、スイッチング周波数が直列共振周波数よりも高い領域では出力電流Ｉｏｕｔが大きい方が小さい方と比較して変化率ΔＧ／ΔＦが大きくなる場合もある。このような周波数領域では、制御装置２は、出力電流Ｉｏｕｔが大きい場合は小さい場合と比較して、スイッチング周波数を拡散する拡散幅を小さくしてもよい。

【0075】

〔ソフトウェアによる実現例〕
制御装置２（以下、「装置」と称する）としての機能は、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。

【0076】

この場合、当該装置は、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。コンピュータがプログラムを実行することにより、上述した実施形態で説明した各機能が実現される。

【0077】

プログラムは、一時的ではなく、コンピュータが読み取り可能な、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、当該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、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当該装置に供給されてもよい。

【0078】

また、各制御ブロックの機能の一部または全部は、論理回路により実現することも可能である。例えば、各制御ブロックとして機能する論理回路が形成された集積回路も本開示の範疇に含まれる。この他にも、例えば量子コンピュータにより各制御ブロックの機能を実現することも可能である。

【0079】

本開示は上述した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。

【0080】

例えば、本開示は、上述したＬＬＣ共振型ＤＣ／ＤＣコンバータ又はＣＬＬＣ共振型ＤＣ／ＤＣコンバータだけでなく、ＬＣ共振型コンバータ、Ｅ級共振型コンバータなどにも適用可能である。

【符号の説明】

【0081】

１ スイッチング電源装置
２ 制御装置
３ 電力変換回路
１０、１１、１２、１３ 拡散幅
２３ 周波数算出部
２４ 変化率算出部
２５ 拡散制御部
Ｑ１～Ｑ４ 第１～第４スイッチング素子

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】