JP4669502B2 - 共振型スイッチング電源装置の異常検出方法及び共振型スイッチング電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、直流電源からの出力をスイッチングする１又は複数のスイッチング素子が、共振回路が共振するようにスイッチングして、電源を供給する共振型スイッチング電源装置の異常検出方法及び共振型スイッチング電源装置に関するものである。

共振型スイッチング電源装置は、例えば、図１に示すように、二次電池Ｂ等の直流電源からの出力を、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２が、変圧器Ｔの一次巻線Ｌ１を含む共振回路４が共振するようにスイッチングし、変圧器Ｔの二次側から電源を供給するように構成されている。
スイッチング電源装置は、通常、電流波形及び電圧波形共に方形波に近いスイッチング動作を行うが、共振型スイッチング電源装置では、電流波形及び電圧波形の何れか又は両方を、共振回路で全共振又は部分共振させて、正弦波状のスイッチング動作を行う。これにより、スイッチング時の電圧及び電流が同時にオンになるときに発生するスイッチング損失を低減させることができ、単位時間当たりの電流変化率が小さくなって、ノイズの発生量を低減させることができる。

特許文献１には、直列に接続された２つのスイッチング素子を備え、一方のスイッチング素子の両端電圧（他方のスイッチング素子のソース電圧）を検出し、その検出信号により他方のスイッチング素子をオンにすることで、両スイッチング素子が同時にオンになることを防止する共振型のスイッチング電源装置が開示されている。
特許文献２には、直流電源装置の出力電圧の波形をウェーブレット変換し、ウェーブレット変換した波形の代表値を参照値と比較することにより、直流電源装置の劣化検出を行う劣化診断装置が開示されている。
特開２００７−００６６１４号公報 特開２００５−２８７１０８号公報

共振型スイッチング電源装置では、従来、負荷電流及びスイッチング電流の異常増大（共振はずれ）を検出する為に、複数の抵抗を使用した分流器、又はシャント抵抗等を用いているが、抵抗による損失が発生するという問題がある。
本発明は、上述したような事情に鑑みてなされたものであり、第１，３発明では、抵抗を使用することなく、負荷電流及びスイッチング電流の異常増大（共振はずれ）を検出することができる共振型スイッチング電源装置の異常検出方法を提供することを目的とする。
第２，４，５発明では、抵抗を使用することなく、負荷電流及びスイッチング電流の異常増大（共振はずれ）を検出することができる共振型スイッチング電源装置を提供することを目的とする。

第１発明に係る共振型スイッチング電源装置の異常検出方法は、直流電源からの出力をスイッチングする１又は複数のスイッチング素子と、共振回路とを備え、前記スイッチング素子が、該共振回路が共振するようにスイッチングして、電源を供給する共振型スイッチング電源装置の異常検出方法において、前記スイッチング素子の両端電圧値を検出し、検出した電圧値を時系列的に複数サンプリングし、複数サンプリングしたデータをウェーブレット変換し、ウェーブレット変換した結果の極大値及び所定値を比較し、比較した結果に基づき、前記スイッチング素子に流れる電流の異常増加を予測することを特徴とする。

第２発明に係る共振型スイッチング電源装置は、直流電源からの出力をスイッチングする１又は複数のスイッチング素子と、共振回路とを備え、前記スイッチング素子が、該共振回路が共振するようにスイッチングして、電源を供給するように構成してある共振型スイッチング電源装置において、前記スイッチング素子の両端電圧値を検出する手段と、該手段が検出した電圧値を時系列的に複数サンプリングする手段と、該手段が複数サンプリングしたデータをウェーブレット変換する手段と、該手段がウェーブレット変換した結果の極大値及び所定値を比較する手段と、該手段の比較結果に基づき、前記スイッチング素子に流れる電流の異常増加を予測する予測手段とを備えることを特徴とする。

第１発明に係る共振型スイッチング電源装置の異常検出方法、及び第２発明に係る共振型スイッチング電源装置では、１又は複数のスイッチング素子が、直流電源からの出力を、共振回路が共振するようにスイッチングして、電源を供給する。スイッチング素子の両端電圧値を検出し、検出した電圧値を時系列的に複数サンプリングする。複数サンプリングしたデータをウェーブレット変換し、ウェーブレット変換した結果の極大値及び所定値を比較する。その比較した結果に基づき、スイッチング素子に流れる電流の異常増加を予測する。

第３発明に係る共振型スイッチング電源装置の異常検出方法は、変圧器と、直流電源からの出力をスイッチングする１又は複数のスイッチング素子と、共振回路とを備え、前記スイッチング素子が、該共振回路が共振するようにスイッチングして、前記変圧器の二次側から電源を供給する共振型スイッチング電源装置の異常検出方法において、前記スイッチング素子の両端電圧値を検出し、検出した電圧値を時系列的に複数サンプリングし、複数サンプリングしたデータをウェーブレット変換し、ウェーブレット変換した結果の極大値及び所定値を比較し、比較した結果に基づき、前記スイッチング素子に流れる電流の異常増加を予測することを特徴とする。

第４発明に係る共振型スイッチング電源装置は、変圧器と、直流電源からの出力をスイッチングする１又は複数のスイッチング素子と、共振回路とを備え、前記スイッチング素子が、該共振回路が共振するようにスイッチングして、前記変圧器の二次側から電源を供給するように構成してある共振型スイッチング電源装置において、前記スイッチング素子の両端電圧値を検出する手段と、該手段が検出した電圧値を時系列的に複数サンプリングする手段と、該手段が複数サンプリングしたデータをウェーブレット変換する手段と、該手段がウェーブレット変換した結果の極大値及び所定値を比較する手段と、該手段の比較結果に基づき、前記スイッチング素子に流れる電流の異常増加を予測する予測手段とを備えることを特徴とする。

第３発明に係る共振型スイッチング電源装置の異常検出方法、及び第４発明に係る共振型スイッチング電源装置では、１又は複数のスイッチング素子が、直流電源からの出力を、共振回路が共振するようにスイッチングして、変圧器の二次側から電源を供給する。スイッチング素子の両端電圧値を検出し、検出した電圧値を時系列的に複数サンプリングする。複数サンプリングしたデータをウェーブレット変換し、ウェーブレット変換した結果の極大値及び所定値を比較する。その比較した結果に基づき、スイッチング素子に流れる電流の異常増加を予測する。

第５発明に係る共振型スイッチング電源装置は、前記予測手段は、前記比較結果が、前記極大値が所定値より大きいときに、前記スイッチング素子に流れる電流の異常増加を予測するように構成してあることを特徴とする。

この共振型スイッチング電源装置では、比較した結果が、ウェーブレット変換した結果の極大値が所定値より大きいときに、予測手段が、スイッチング素子に流れる電流の異常増加を予測する。

第１，３発明に係る共振型スイッチング電源装置の異常検出方法によれば、抵抗を使用することなく、負荷電流及びスイッチング電流の異常増大（共振はずれ）を検出することができ、抵抗による損失を低減させることができる。

第２，４，５発明に係る共振型スイッチング電源装置によれば、抵抗を使用することなく、負荷電流及びスイッチング電流の異常増大（共振はずれ）を検出することができ、抵抗による損失を低減させることができる。

以下に、本発明をその実施の形態を示す図面に基づき説明する。
図１は、本発明に係る共振型スイッチング電源装置の異常検出方法及び共振型スイッチング電源装置の実施の形態の要部構成を示すブロック図である。
この共振型スイッチング電源装置は、直流電源であるバッテリＢに、２つのＮチャンネル型ＦＥＴＱ１，Ｑ２が直列接続されており、バッテリＢの陽極にＦＥＴＱ１のドレインが、バッテリＢの陰極にＦＥＴＱ２のソースがそれぞれ接続されている。

ＦＥＴＱ２には、電圧共振コンデンサＣrvと、変圧器Ｔの一次巻線Ｌ１及び電流共振コンデンサＣriからなる直列共振回路とが、並列に接続され、共振回路４を構成している。一次巻線Ｌ１の巻始め端は、ＦＥＴＱ２のドレインに接続されている。
Ｎチャンネル型ＦＥＴＱ１，Ｑ２の各ゲートは、それぞれＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御部１に接続され、ＰＷＭ制御部１により交互にオン／オフ制御される。ＰＷＭ制御部１は、マイクロコンピュータにより構成されており、ＦＥＴＱ１のソース及びＦＥＴＱ２のドレインの接続節点の電圧値を、電圧検出手段（両端電圧値を検出する手段）２で検出しサンプリングする。

変圧器Ｔの直列接続された二次巻線Ｌ２，Ｌ３は、一次巻線Ｌ１と巻方向を揃えられ、二次巻線Ｌ２の巻始め端がダイオードＤ１のアノードに、二次巻線Ｌ３の巻終り端がダイオードＤ２のアノードに接続され、ダイオードＤ１，Ｄ２の各カソードは、電解コンデンサＣの陽極端子に接続されている。電解コンデンサＣの陰極端子は、二次巻線Ｌ２，Ｌ３の接続節点に接続されている。
平滑コンデンサである電解コンデンサＣには、負荷機器の抵抗ＲＬが並列に接続されている。

以下に、このような構成の共振型スイッチング電源装置の動作を説明する。
ＰＷＭ制御部１は、電流共振回路Ｌ１，Ｃri及び電圧共振回路Ｌ１，Ｃrvの共振周波数で、ＦＥＴＱ１，Ｑ２の各ゲートを交互にオン／オフ制御する。
ＦＥＴＱ１がオン、ＦＥＴＱ２がオフであるとき、一次巻線Ｌ１に電流が流れて電流共振コンデンサＣriが充電され、変圧器Ｔの二次側で起電力が誘導される。そのとき、バッテリＢの出力電圧と、一次巻線Ｌ１及び二次巻線Ｌ３の巻線比とに応じた電圧が、変圧器Ｔの二次側に誘導される。

次の、ＦＥＴＱ１がオフ、ＦＥＴＱ２がオンであるとき、電流共振コンデンサＣriに充電された電荷が、一次巻線Ｌ１を通じて放電されて、充電時とは逆方向に電流が流れ、変圧器Ｔの二次側で起電力が誘導される。そのとき、電流共振コンデンサＣriの両端電圧と、一次巻線Ｌ１及び二次巻線Ｌ２の巻線比とに応じた電圧が、変圧器Ｔの二次側に誘導される。
変圧器Ｔの二次側に誘導される電力量は、ＦＥＴＱ１のオン期間、つまり電流共振コンデンサＣriへの充電期間を変化させ、電流共振コンデンサＣriの両端電圧を変化させることにより、設定制御される。

ＦＥＴＱ１がオフになった直後に、一次巻線Ｌ１の励磁インダクタンスによる励磁電流が、ＦＥＴＱ２の図示しないボディダイオードを通じて流れるが、この間にＦＥＴＱ２をオンにする。これにより、ＦＥＴＱ２は、ゼロ電圧／ゼロ電流スイッチングすることになり、スイッチング損失は極めて小さくなる。
ＦＥＴＱ２がオフになるとき、電流共振コンデンサＣriからの放電は殆ど終了しており、流れている電流は小さく、また、電圧共振コンデンサＣrvにより電圧擬似共振状態になっているので、スイッチング損失は極めて小さい。

ＦＥＴＱ２がオフになった直後に、循環電流はＦＥＴＱ１の図示しないボディダイオードを通じて流れるが、この間にＦＥＴＱ１をオンにする。これにより、ＦＥＴＱ１は、ゼロ電圧／ゼロ電流スイッチングすることになり、スイッチング損失は極めて小さくなる。
ＦＥＴＱ１がオフになるとき、電流共振コンデンサＣriへの充電は殆ど終了しており、流れている電流は小さく、また、電圧共振コンデンサＣrvにより電圧擬似共振状態になっているので、スイッチング損失は極めて小さい。
以上により、ＦＥＴＱ１，Ｑ２のスイッチング損失は極めて小さくなっている。

以下に、本発明に係る共振型スイッチング電源装置の異常検出動作を、それを示す図２のフローチャートを参照しながら説明する。
ＰＷＭ制御部１は、抵抗ＲＬを有する負荷機器が起動してから、所定時間が経過した（Ｓ１）後、パラメータＫを０にする（Ｓ３）。次いで、負荷機器が操作されているか否かを判定し（Ｓ５）、操作されていなければ、電圧検出手段２で検出したＦＥＴＱ１，Ｑ２の接続節点の電圧値をサンプリングする（Ｓ７）。

ＰＷＭ制御部１は、次に、パラメータＫに１を加算した（Ｓ９）後、パラメータＫが、ウェーブレット変換の演算に必要なデータ数であるＮ（Ｎは自然数）以上であるか否かを判定し（Ｓ１１）、パラメータＫがＮ以上であれば、パラメータＫをＮにする（Ｓ１３）。
ＰＷＭ制御部１は、負荷機器が操作されていれば（Ｓ５）、それ迄にサンプリングしたデータを削除した（Ｓ２３）後、パラメータＫを０にして（Ｓ３）、サンプリングし直す。
ＰＷＭ制御部１は、パラメータＫがＮ以上でなければ（Ｓ１１）、負荷機器が操作されているか否かを判定する（Ｓ５）。

ＰＷＭ制御部１は、パラメータＫをＮにした（Ｓ１３）後、直近に時系列的にサンプリングしたＮ個のデータを使用してウェーブレット変換の演算を行い（Ｓ１５）、その演算結果のピーク値が基準値（所定値）より大きいか否かを判定する（Ｓ１７）。
ＰＷＭ制御部１は、ピーク値が基準値より大きければ（Ｓ１７）、変圧器Ｔの一次巻線Ｌ１に流れる電流量の異常増加を予測し（Ｓ１９）、その電流量の異常増加を防止するように、ＦＥＴＱ１，Ｑ２の各ゲートをＰＷＭ制御する（Ｓ２１）。次いで、負荷機器が操作されているか否かを判定する（Ｓ５）。
ＰＷＭ制御部１は、ピーク値が基準値より大きくなければ（Ｓ１７）、負荷機器が操作されているか否かを判定する（Ｓ５）。

ウェーブレット変換は、フーリエ変換と同様に、周波数解析に用いられる公知の手法の１つである。フーリエ変換では、サイン波及びコサイン波を拡大縮小し足し合わせることにより、波形を表現するのに対して、ウェーブレット変換では、小さい波（ウェーブレット）を拡大縮小、平行移動し足し合わせることで波形を表現する。また、フーリエ変換では、周波数成分のみを局在化する為、時系列情報が失われるが、ウェーブレット変換では、時間成分及び周波数成分の両方を局在化し、周波数に合わせて小さい波（基底関数；メキシカンハット関数、フレンチハット関数等）の幅が変化するので、周波数の解像度が良い。

コンピュータでは、連続量を扱うのが難しく、信号を無理に連続ウェーブレット変換の式に当てはめて演算すると、かなりの情報が失われ、逆変換ができなくなるので、逆変換を考慮した離散ウェーブレット変換が行われる。離散ウェーブレット変換は、元信号を高周波成分と低周波成分とに分解し、分解した高周波成分を更に高周波成分と低周波成分とに分解するという処理を繰り返し行うので、多重解像度解析とも呼称される。

例えば、定格値２．６Ａの図１に示すような共振型スイッチング電源装置では、負荷電流と変圧器の一次側電圧値をウェーブレット変換した値のピーク値とは、図３に示すような関係になり、両者に有意な関係が有ることを示している。図３では、定格値２．６Ａを超える負荷電流が流れる場合には、スイッチング周波数が変化して共振はずれが発生することを示している。

また、図１に示すような共振型スイッチング電源装置（ここでは、定格値は２．６Ａではないとする）で、図４（ａ）に示すように、負荷を変動させて、負荷電流を急激に３．０Ａから７．５Ａに増加させた場合、その前後の電圧検出手段２が検出したＦＥＴＱ１のソース電圧値は、図４（ａ）に示すように推移する。その場合、ＦＥＴＱ１のソース電流値は、図４（ｂ）に示すように推移し、ＦＥＴＱ１のソース電圧値をウェーブレット変換した値は、図５に示すように推移する。

図４（ａ）、（ｂ）及び図５から、急激に負荷が変動した場合には、共振はずれが発生しＦＥＴＱ１のソース電流値が増大する前に、ＦＥＴＱ１のソース電圧値をウェーブレット変換した値が増大することが分かる。従って、変圧器の一次側電圧値をウェーブレット変換した値と、予め実測又は計算により定めた基準値との大小を比較することにより、共振はずれを事前に予測することが可能である。
尚、上述した実施の形態では、絶縁型の共振型スイッチング電源装置について説明してあるが、非絶縁型であるチョッパ方式等の共振型スイッチング電源装置についても同様のことが可能である。

本発明に係る共振型スイッチング電源装置の異常検出方法及び共振型スイッチング電源装置の実施の形態の要部構成を示すブロック図である。 本発明に係る共振型スイッチング電源装置の異常検出動作を示すフローチャートである。 共振型スイッチング電源装置の、負荷電流と変圧器の一次側電圧値をウェーブレット変換した値のピーク値との関係例を示す特性図である。 本発明に係る共振型スイッチング電源装置の異常検出方法を説明する為の説明図である。 本発明に係る共振型スイッチング電源装置の異常検出方法を説明する為の説明図である。

符号の説明

１ ＰＷＭ制御部
２ 電圧検出手段（両端電圧値を検出する手段）
４ 共振回路
Ｂ バッテリ
Ｃ 電解コンデンサ
Ｃri 電流共振コンデンサ
Ｃrv 電圧共振コンデンサ
Ｄ１，Ｄ２ ダイオード
Ｌ１ 一次巻線
Ｌ２，Ｌ３ 二次巻線
ＲＬ 負荷機器の抵抗
Ｔ 変圧器
Ｑ１，Ｑ２ ＦＥＴ

Claims (5)

1. 直流電源からの出力をスイッチングする１又は複数のスイッチング素子と、共振回路とを備え、前記スイッチング素子が、該共振回路が共振するようにスイッチングして、電源を供給する共振型スイッチング電源装置の異常検出方法において、
   前記スイッチング素子の両端電圧値を検出し、検出した電圧値を時系列的に複数サンプリングし、複数サンプリングしたデータをウェーブレット変換し、ウェーブレット変換した結果の極大値及び所定値を比較し、比較した結果に基づき、前記スイッチング素子に流れる電流の異常増加を予測することを特徴とする共振型スイッチング電源装置の異常検出方法。
2. 直流電源からの出力をスイッチングする１又は複数のスイッチング素子と、共振回路とを備え、前記スイッチング素子が、該共振回路が共振するようにスイッチングして、電源を供給するように構成してある共振型スイッチング電源装置において、
   前記スイッチング素子の両端電圧値を検出する手段と、該手段が検出した電圧値を時系列的に複数サンプリングする手段と、該手段が複数サンプリングしたデータをウェーブレット変換する手段と、該手段がウェーブレット変換した結果の極大値及び所定値を比較する手段と、該手段の比較結果に基づき、前記スイッチング素子に流れる電流の異常増加を予測する予測手段とを備えることを特徴とする共振型スイッチング電源装置。
3. 変圧器と、直流電源からの出力をスイッチングする１又は複数のスイッチング素子と、共振回路とを備え、前記スイッチング素子が、該共振回路が共振するようにスイッチングして、前記変圧器の二次側から電源を供給する共振型スイッチング電源装置の異常検出方法において、
   前記スイッチング素子の両端電圧値を検出し、検出した電圧値を時系列的に複数サンプリングし、複数サンプリングしたデータをウェーブレット変換し、ウェーブレット変換した結果の極大値及び所定値を比較し、比較した結果に基づき、前記スイッチング素子に流れる電流の異常増加を予測することを特徴とする共振型スイッチング電源装置の異常検出方法。
4. 変圧器と、直流電源からの出力をスイッチングする１又は複数のスイッチング素子と、共振回路とを備え、前記スイッチング素子が、該共振回路が共振するようにスイッチングして、前記変圧器の二次側から電源を供給するように構成してある共振型スイッチング電源装置において、
   前記スイッチング素子の両端電圧値を検出する手段と、該手段が検出した電圧値を時系列的に複数サンプリングする手段と、該手段が複数サンプリングしたデータをウェーブレット変換する手段と、該手段がウェーブレット変換した結果の極大値及び所定値を比較する手段と、該手段の比較結果に基づき、前記スイッチング素子に流れる電流の異常増加を予測する予測手段とを備えることを特徴とする共振型スイッチング電源装置。
5. 前記予測手段は、前記比較結果が、前記極大値が所定値より大きいときに、前記スイッチング素子に流れる電流の異常増加を予測するように構成してある請求項２又は４記載の共振型スイッチング電源装置。

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