JP7160658B2 - 直流電源装置および電力制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、直流電源装置および電力制御方法に関し、特に出力電圧を安定化するための技術に関する。

例えば、貨物列車を編成する一般的な車両は、架線や電源車など車両外部から電源電力の供給を受けることができない。しかし、このような車両においても、車両の状態などを検知するための電子機器を搭載するニーズがあり、この電子機器等を動作させるために必要な電源電力を調達する必要がある。そこで、車両の車軸に車軸発電機を搭載することにより、この車軸発電機の出力から必要な電源電力を確保することが可能である。

しかし、このような発電機は車両の走行速度、すなわち車軸の回転速度に応じて発電状態が広い範囲で変動する。つまり、数［ｋｍ／ｈ］程度の低速走行状態では十分に高い電圧を確保することが難しく、逆に数十［ｋｍ／ｈ］程度の通常走行状態では、１００［Ｖ］以上の高すぎる電圧が出力される。また、低速状態でも十分に高い電圧が得られるように発電機を設計すると、通常走行状態で出力される電圧が更に高すぎる状態になってしまう。

また、貨物列車の場合に限らず、例えば風力発電機の場合にも、風速の変動に伴って発電状態が大きく変動し、出力電圧が変動する。したがって、上記のような発電機を利用する場合には、出力電圧を安定化する機能を備えた直流電源装置を発電機の出力に接続して使用することが想定される。

また、例えば電気自動車（ＥＶ）において、２００～４００［Ｖ］程度の高電圧を出力する車載電源から、車載電子機器が必要とする低電圧の電源電力を確保するために、直流電源装置が用いられる可能性もある。

上記のような直流電源装置の種類については、必要な出力電圧を生成する構造上の違いにより、シリーズレギュレータと、スイッチングレギュレータの２種類に分けられる。シリーズレギュレータは、レギュレータ内部の電流経路に直列に接続したトランジスタなどを用いて必要な電圧降下を発生させ、入力電圧に比べて電圧の低い安定した出力電圧を生成する。

また、スイッチングレギュレータはトランジスタなどのスイッチング素子のオンオフを周期的に繰り返し、出力する電力の平均値を調整することにより、目的の出力電圧を生成することができる。また、スイッチング方式の違いにより、パルス幅変調（ＰＷＭ：Pulse Width Modulation）と、パルス周波数変調（ＰＦＭ：Pulse Frequency Modulation）とがある。

例えば、特許文献１のスイッチング電源回路は、軽負荷のときのＰＦＭ制御から重負荷のときのＰＷＭ制御に移行する際のリップル電圧を低減して円滑な制御モードの移行を実現するための技術を示している。また、特許文献２のスイッチング電源制御回路は、回路規模を増大させることなく、比較的簡便な操作で複数の制御方式を切り替えるための技術を示している。

特開２００８－９２７１２号公報 特開２０１５－１３０７２２号公報

例えば、貨物列車上で車軸発電機の出力から電力を取り出して、一般的な電子機器等の負荷が必要とする５～１２［Ｖ］程度の直流電力を調達しようとする場合には、直流電源装置の入出力間の電位差が、数［Ｖ］から１００［Ｖ］以上の広い範囲で変動することになる。

このような環境で直流電源装置を使用する場合には、シリーズレギュレータの場合には、降圧用のトランジスタにおける電力損失が非常に大きくなり、無駄な電力消費が増えるとともに、損失に比例して発熱量が増大するという問題が生じる。

また、スイッチングレギュレータの場合には、例えば特許文献１および特許文献２の技術を採用することにより、パルス幅変調とパルス周波数変調との２種類の制御を使い分けることができる。パルス幅変調の場合は、パルスのオン時間とオフ時間とが一定の周期で繰り返すので、発生するスイッチングノイズの除去が容易である反面、軽負荷時でもスイッチング回数が多いのでスイッチングに伴う損失の低減が難しい。パルス周波数変調の場合には、逆に軽負荷時はスイッチング回数が減るため損失の低減が容易になるが、発生するスイッチングノイズの周波数も変動するためノイズの除去が難しくなる。また、ノイズ除去などの目的でインダクタ、すなわち電気コイルを利用する場合には、無効電力が発生するため制御が困難になる。

そこで、特許文献１および特許文献２のようにパルス幅変調とパルス周波数変調との２種類の制御を使い分けることにより、重負荷時と軽負荷時のいずれの状態においても損失を減らすことが容易になる。しかしながら、ＰＷＭ動作モードとＰＦＭ動作モードの切替を行う際に、出力電圧のリップルが増大したり、モード遷移に時間がかかり電圧の安定性が低下する場合がある。更に、ＰＷＭ動作モードとＰＦＭ動作モードのどちらを選択した場合であっても、制御に限界があるため緻密な電力制御ができない。例えば、ＰＷＭ動作モードにおいて一定の制御周期の中で、スイッチング素子がオンする時間幅を調整することはできるが、制御周期が一定であるため、オン区間のタイミングをずらしたり、１つのオン区間の途中にそれとは別のオフ区間を割り当てることはできないので、微妙な調整ができない。

例えば、貨物列車上で車軸発電機の出力から電力を取り出し、直流電源装置の内部でスイッチングして負荷へ電力を供給する場合、車両の低速域では直流電源装置がなるべく多くのエネルギーをそのまま出力に伝達できるように制御できることが望ましい。また、車両が定常の速度で走行し、車軸発電機から非常に高い電圧が出力されている時には、直流電源装置は入力されたエネルギーのごく一部分だけを出力に伝達することが望ましい。また、車軸発電機が出力する電圧の変動や、負荷が消費するエネルギーの変化に対応して、直流電源装置は入力から出力に伝達するエネルギーの量を適切に調整し、負荷に供給される電圧のリップルを低減できることが望ましい。また、軽負荷時のような状況では、スイッチングの回数を減らして直流電源装置内部の損失を減らすことが望ましい。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、入力電圧の変動や負荷の変動が非常に大きいような環境であっても、変動に適切に追従して損失の増大を抑制すると共に、出力電圧を安定した状態に維持することが容易な直流電源装置および電力制御方法を提供することにある。

前述した目的を達成するために、本発明に係る直流電源装置および電力制御方法は、下記（１）～（６）を特徴としている。
（１） 所定の電力供給源から供給される電圧の不確定な入力電力に基づいて、スイッチング動作を行い、少なくとも前記入力電力に比べて電圧の変化を抑制した出力電力を生成する直流電源装置であって、
前記スイッチング動作におけるオン時間とオフ時間の比を調整する動作と、前記スイッチング動作の周波数を調整する動作とを同時に行う機能を有する、パルス変調部、
を備え、
前記パルス変調部は、前記スイッチング動作の１周期区間中のオン時間とオフ時間の比を調整するＰＷＭ制御部と、前記スイッチング動作の１周期区間の長さを調整するＰＦＭ制御部と、前記ＰＷＭ制御部のオン時間中における少なくとも一部のタイミングで、前記スイッチング動作をオフにする間引き制御部と、を有し、
前記間引き制御部は、前記入力電力および前記出力電力の少なくとも一方の電圧検出値の変化を前記スイッチング動作に反映する、
ことを特徴とする直流電源装置。

上記（１）の構成の直流電源装置によれば、動作モードの切替が不要なので、動作モードの切替に伴って出力電圧が不安定になるのを避けることができる。すなわち、広い範囲に亘る入力電圧の変動や負荷の変動に対して、スイッチング動作におけるオン時間とオフ時間の比の調整と、周波数の調整とをそれぞれ連続的かつ継続的に行うことができるので、損失の大幅な増大を招くことなく出力電圧を安定に維持できる。しかも、スイッチング動作におけるオン時間とオフ時間の比の調整と、周波数の調整とを組み合わせた制御を同時に実施するので、調整可能な範囲を広げたり緻密な電力制御を行うことが可能である。また、複数の制御の組み合わせにより、制御周期が固定化されるのを避けることができる。すなわち、スイッチングにより発生するノイズの周波数スペクトルが広い範囲に拡散されるため、特定周波数のノイズを除去するためにインダクタなどを接続する必要もなくなる。
更に、上記（１）の構成の直流電源装置によれば、例えば損失を低減するためにＰＷＭ制御周期を長くして、単位時間あたりのスイッチング回数を減らす場合でも、間引き制御により必要に応じてスイッチングの時間幅を間引いたり、スイッチングの周期を調整することができる。したがって、スイッチング損失の増大を抑制しつつ、入力電圧や負荷の変動に対して、精密な電力制御が可能になる。

（２） 前記入力電力および前記出力電力の少なくとも一方の電圧検出値を、所定の非線形特性に従って変換した結果を、前記スイッチング動作におけるオン時間とオフ時間の比、および前記スイッチング動作の周波数の少なくとも一方に反映する非線形変換部を有する、
ことを特徴とする上記（１）に記載の直流電源装置。

上記（２）の構成の直流電源装置によれば、入力電圧の変動や出力電圧の変動に対して、スイッチングに伴う損失の増大を抑制し、かつ出力電力を安定化するために必要な制御を容易に行うことが可能になる。例えば、貨物列車が低速走行を行っている状態で直流電源装置の入出力間の電位差を減らして負荷に与える電圧の上昇を早めることが望まれる領域や、高すぎる入力電圧に対して直流電源装置内部のスイッチング損失を減らしたい領域や、負荷の急激な変化に対して直流電源装置の応答速度を早くすることが望まれる領域などのそれぞれに対して、適切な制御を容易に行うことが可能になる。

（３） 前記出力電力の電圧検出値を所定の上限値および下限値と比較した結果を、前記パルス変調部の動作に反映するミュート制御部を有する、
ことを特徴とする上記（１）または（２）に記載の直流電源装置。

上記（３）の構成の直流電源装置によれば、例えば出力電圧が安定している状態とそれ以外の状態とを区別してパルス変調の制御を実施できる。これにより、出力電圧が既に安定しているときに、余分な制御が発生するのを抑制し、動作を安定させることが可能である。

（４） 所定の電力供給源から供給される電圧の不確定な入力電力に基づいて、スイッチング動作を行い、少なくとも前記入力電力に比べて電圧の変化を抑制した出力電力を生成するための電力制御方法であって、
前記スイッチング動作におけるオン時間とオフ時間の比を調整する第１動作と、前記スイッチング動作の周波数を調整する第２動作とを同時に実施し、
前記入力電力および前記出力電力の少なくとも一方の電圧変化を、前記第１動作および前記第２動作の少なくとも一方に反映し、
前記スイッチング動作の１周期区間中のオン時間とオフ時間の比を表す第１制御量を連続的に又は逐次決定し、
前記スイッチング動作の１周期区間の長さを表す第２制御量を連続的に又は逐次決定し、
前記第１制御量に応じたオン時間中における少なくとも一部のタイミングで、前記スイッチング動作をオフにするための第３制御量を連続的に又は逐次決定し、
前記入力電力および前記出力電力の少なくとも一方の電圧検出値の変化に対して、前記第１制御量、前記第２制御量、および前記第３制御量を同時に前記スイッチング動作に反映する、
ことを特徴とする電力制御方法。

上記（４）の構成の電力制御方法によれば、動作モードの切替が不要なので、動作モードの切替に伴って出力電圧が不安定になるのを避けることができる。すなわち、広い範囲に亘る入力電圧の変動や負荷の変動に対して、スイッチング動作におけるオン時間とオフ時間の比の調整と、周波数の調整とをそれぞれ連続的かつ継続的に行うことができるので、損失の大幅な増大を招くことなく出力電圧を安定に維持できる。しかも、スイッチング動作におけるオン時間とオフ時間の比の調整と、周波数の調整とを組み合わせた制御を同時に実施するので、調整可能な範囲を広げたり緻密な電力制御を行うことが可能である。また、複数の制御の組み合わせにより、制御周期が固定化されるのを避けることができる。すなわち、スイッチングにより発生するノイズの周波数スペクトルが広い範囲に拡散されるため、特定周波数のノイズを除去するためにインダクタなどを接続する必要もなくなる。
更に、上記（４）の構成の電力制御方法によれば、例えば損失を低減するためにＰＷＭ制御周期を長くして、単位時間あたりのスイッチング回数を減らす場合でも、間引き制御により必要に応じてスイッチングの時間幅を間引いたり、スイッチングの周期を調整することができる。したがって、スイッチング損失の増大を抑制しつつ、入力電圧や負荷の変動に対して、精密な電力制御が可能になる。

（５） 前記入力電力および前記出力電力の少なくとも一方の電圧検出値を、所定の非線形特性に従って変換した結果を、前記スイッチング動作におけるオン時間とオフ時間の比、および前記スイッチング動作の周波数の少なくとも一方に反映する、
ことを特徴とする上記（４）に記載の電力制御方法。

上記（５）の構成の電力制御方法によれば、入力電圧の変動や出力電圧の変動に対して、スイッチングに伴う損失の増大を抑制し、かつ出力電力を安定化するために必要な制御を容易に行うことが可能になる。例えば、貨物列車が低速走行を行っている状態で直流電源装置の入出力間の電位差を減らして負荷に与える電圧の上昇を早めることが望まれる領域や、高すぎる入力電圧に対して直流電源装置内部のスイッチング損失を減らしたい領域や、負荷の急激な変化に対して直流電源装置の応答速度を早くすることが望まれる領域などのそれぞれに対して、適切な制御を容易に行うことが可能になる。

（６） 前記出力電力の電圧検出値を所定の上限値および下限値とそれぞれ比較し、比較した結果を前記スイッチング動作に反映する、
ことを特徴とする上記（４）または（５）に記載の電力制御方法。

上記（６）の構成の電力制御方法によれば、例えば出力電圧が安定している状態とそれ以外の状態とを区別してパルス変調の制御を実施できる。これにより、出力電圧が既に安定しているときに、余分な制御が発生するのを抑制し、動作を安定させることが可能である。

本発明の直流電源装置および電力制御方法によれば、入力電圧の変動や負荷の変動が非常に大きいような環境であっても、変動に適切に追従して損失の増大を抑制すると共に、出力電圧を安定した状態に維持することが容易になる。特に、動作モードの切替が不要なので、動作モードの切替に伴って出力電圧が不安定になったり、電圧のリップルが増大するのを避けることができる。

以上、本発明について簡潔に説明した。更に、以下に説明される発明を実施するための形態（以下、「実施形態」という。）を添付の図面を参照して通読することにより、本発明の詳細は更に明確化されるであろう。

図１は、本発明の実施形態における直流電源装置の構成例を示すブロック図である。 図２は、非線形信号変換部に関する入出力特性の例を示すグラフである。 図３（ａ）および図３（ｂ）は、互いに入力電圧が異なる状態における３つの信号の例を示す波形図である。 図４（ａ）および図４（ｂ）は、入力電圧が同じ状態における４つの信号の例を示す波形図である。 図５（ａ）および図５（ｂ）は、入力電圧が同じで負荷が互いに異なる状態における３つの信号の例を示す波形図である。

本発明に関する具体的な実施形態について、各図を参照しながら以下に説明する。

＜直流電源装置の構成例＞
本発明の実施形態における直流電源装置の構成例を図１に示す。

図１に示した電源装置１０は、発電機２０の出力から電源として入力電力Ｐｉｎを取り込み、これを安定化処理し、出力電力Ｐｏｕｔとして負荷２１に供給するために利用される。具体例としては、発電機２０が貨物列車などに搭載される車軸発電機である場合や、風力発電機である場合や、電気自動車などに搭載される高圧電源である場合などが想定される。負荷２１としては、この車両に搭載されている電子機器や、各乗客が持ち込む携帯電子機器などが想定される。

発電機２０が車軸発電機である場合には、入力電力Ｐｉｎの電圧は、車両の走行速度の変動に伴って、０～１００［Ｖ］以上の広い範囲で変化することになる。また、例えば車両が数［ｋｍ／ｈ］程度の低速で走行を開始した直後の環境においても、負荷２１に必要な電力が供給されることが望まれる。また、電源装置１０は、入力電力Ｐｉｎの電圧が１００［Ｖ］のような環境においても、過大な電圧が負荷２１に出力されないように制御する必要がある。

したがって、例えば負荷２１に供給すべき出力電力Ｐｏｕｔの電圧が１２［Ｖ］である場合には、電源装置１０における入力電力Ｐｉｎと出力電力Ｐｏｕｔの電位差が０～１００［Ｖ］程度の広い範囲で変化することが想定される。電源装置１０は、基本的にスイッチングレギュレータを構成しているので、入出力間の電位差が大きくなっても、内部で発生する損失および発熱を減らすことが可能である。但し、一般的にはスイッチングの周期が比較的短い場合には精密な電力制御は難しく、スイッチングの周期が短くなるとスイッチングに伴う損失が急激に増大する傾向がある。

また、負荷２１のオンオフなどに伴って出力電力Ｐｏｕｔの電流が変動すると、出力電力Ｐｏｕｔの電圧が変化するので、これを抑制すると共に十分な電流を負荷側に供給できるように電源装置１０が制御を行う必要がある。

また、安定した外部電源などを利用できる環境でない限り、電源装置１０内部の各回路が動作するために必要な電源電力も、入力電力Ｐｉｎから取り込んで生成する必要がある。つまり、車両が動き始めた直後は、電源装置１０自身も動作が停止した状態になっているので、入力電力Ｐｉｎの電圧が立ち上がった直後に、電源装置１０がすばやくそれ自身の動作を起動して、負荷２１に十分な電圧の出力電力Ｐｏｕｔを供給できることが望まれる。

図１に示した電源装置１０は、電力入力部１１、非線形信号変換部１２、電圧制御部１３、パルス制御部１４、電力スイッチ回路１５、整流回路１６、ミュート制御部１７、電力出力回路１８、および起動回路１９を備えている。

なお、非線形信号変換部１２、電圧制御部１３、パルス制御部１４、およびミュート制御部１７の各機能は、本実施形態では演算増幅器などのアナログ電子回路を用いて実現している。勿論、これらの機能を一般的な論理回路やコンピュータの処理で置き換えることも可能であるが、電源電圧の立ち上がり時の応答速度の点で、アナログ電子回路を利用する方が有利である。

電力入力部１１は、発電機２０から出力される入力電力Ｐｉｎを取り込んで直流入力電力Ｐ０を生成するための回路である。例えば、入力電力Ｐｉｎが交流電力の場合には、電力入力部１１内部の整流回路が交流を整流して直流電圧に変換する。また、複数の電力供給源が存在する場合には、電力入力部１１は複数のいずれかの電力供給源から選択的に入力電力Ｐｉｎを取り込む。

非線形信号変換部１２は、所望の非線形変換特性（図２参照）に合わせて、信号ＳＧ１の電圧を信号ＳＧ２の電圧に変換する。これにより、直流入力電力Ｐ０の変動範囲、入力電力Ｐｉｎ－出力電力Ｐｏｕｔ間の電位差の変動範囲、負荷２１の変動範囲などを考慮して、適切な制御特性を実現することが容易になる。また、制御系の出力側からフィードバックされる信号ＳＧ６を非線形信号変換部１２に入力し、この信号ＳＧ６の電圧を信号ＳＧ２に反映しても良い。

電圧制御部１３は、パルス制御部１４を制御するために必要な信号ＳＧ３の電圧を、２つの信号ＳＧ２、ＳＧ６に基づいて生成する。この信号ＳＧ３の電圧は、パルス制御部１４がその内部でパルス幅変調などによりパルスを生成する際に使用する閾値である。

パルス制御部１４は、ＰＷＭ制御部１４ａ、ＰＦＭ制御部１４ｂ、間引き制御部１４ｃ、および出力パルス発生部１４ｄを備えている。なお、間引き制御部１４ｃの機能をＰＦＭ制御部１４ｂが代行する場合は、間引き制御部１４ｃを省略することも可能である。

ＰＷＭ制御部１４ａは、制御周期毎に、オン状態の時間幅とオフ状態の時間幅との比率を自動調整可能なパルス幅変調（ＰＷＭ）のための制御を実施する。ＰＷＭ制御部１４ａにおける制御周期は予め固定される場合もあるし、自動調整される場合もある。実際には、パルス制御部１４内部の発振器（図示せず）が生成した三角波信号と、信号ＳＧ３の電圧に相当する閾値とをＰＷＭ制御部１４ａ内のアナログコンパレータで比較することにより、信号ＳＧ３１のパルスが生成される。

ＰＦＭ制御部１４ｂは、信号ＳＧ３の電圧に応じてパルス周波数変調（ＰＦＭ）されたパルス信号を信号ＳＧ３２として生成するためのアナログ回路である。なお、ＰＦＭ制御部１４ｂの出力を、ＰＷＭ制御部１４ａの制御周期に反映して、この制御周期を可変にしてもよい。

間引き制御部１４ｃは、ＰＷＭ制御部１４ａが生成するＰＷＭパルスがオンになる区間で当該パルスの実際のオン時間が短縮されるように不定期で時間の間引きを行ったり、このＰＷＭパルスがオフになる区間に必要に応じて別のパルスを挿入するための信号ＳＧ３３を生成する。

出力パルス発生部１４ｄは、ＰＷＭ制御部１４ａ、ＰＦＭ制御部１４ｂ、および間引き制御部１４ｃがそれぞれ出力する信号ＳＧ３１、ＳＧ３２、およびＳＧ３３の加算、減算、論理演算などの処理を行ってこれらを合成した結果を信号ＳＧ４として出力する。したがって、信号ＳＧ４に現れるパルス信号は、ＰＷＭ制御により生成されたパルスと、ＰＦＭ制御により生成されるパルスと、間引き制御出力とを合成したものとなる。

なお、ＰＷＭ制御の制御周期に相当する周波数と、ＰＦＭ制御の周波数とが異なる場合には、信号ＳＧ３２のパルスの影響が、信号ＳＧ３１のパルスオン区間やパルスオフ区間のタイミングで不定期に現れる。つまり、ＰＷＭ制御部１４ａおよびＰＦＭ制御部１４ｂが同時に動作している場合には、間引き制御部１４ｃと同様の動作をＰＦＭ制御部１４ｂが行うので、間引き制御部１４ｃは不要になる。

いずれにしても、出力パルス発生部１４ｄが出力する信号ＳＧ４の中には、ＰＷＭ制御部１４ａが生成したパルス幅変調パルスの他に、ＰＦＭ制御部１４ｂ又は間引き制御部１４ｃが生成した別のパルスが不定期で現れる。また、不定期で現れるパルスの周波数は、信号ＳＧ３の電圧に応じてＰＦＭ制御部１４ｂが自動的に調整する。

電力スイッチ回路１５は、通電のオンオフを制御可能な大電力用の半導体スイッチングデバイスを含み、パルス制御部１４が出力する信号ＳＧ４のパルスがオンの区間でのみ、導通状態になって直流入力電力Ｐ０を負荷２１側へ供給可能な状態になる。つまり、信号ＳＧ４におけるパルスのオンオフ時間の比率に応じて、負荷２１側へ供給される電力の平均値が調整される。

電力スイッチ回路１５の主要部を構成する半導体スイッチングデバイスの具体例としては、ＮチャネルのＭＯＳＦＥＴ、ＧａＮＦＥＴ、ＳｉＣＦＥＴを採用することが想定される。これにより、スイッチングの効率を上げることができる。

整流回路１６は、電力スイッチ回路１５の出力側の電源ラインに流れる電流の方向を制限する機能を有する。
ミュート制御部１７は、整流回路１６の出力側に現れる信号ＳＧ５を制御系の入力側にフィードバックし、全体として安定な動作を実現するように制御ループを形成する。本実施形態では、ミュート制御部１７の出力する信号ＳＧ６が、パルス制御部１４がパルス発生のために使用する閾値のミュートを状況に応じて実施する。

ミュート制御部１７は、電圧上限検知部１７ａ、電圧下限検知部１７ｂ、および演算部１７ｃを備えている。電圧上限検知部１７ａは、予想される信号ＳＧ５の電圧変化範囲の中に設けた窓の上限電圧と、信号ＳＧ５の電圧とをアナログコンパレータを用いて比較し、上限電圧を超えたか否かを表す信号を出力する。電圧下限検知部１７ｂは、上記窓の下限電圧と、信号ＳＧ５の電圧とをアナログコンパレータを用いて比較し、下限電圧以上か否かを表す信号を出力する。演算部１７ｃは、電圧上限検知部１７ａの出力信号と、電圧下限検知部１７ｂの出力信号との演算を実施して信号ＳＧ６を生成する。
このミュート制御部１７は、上記窓の範囲内でのみ動作を制限するように、電源装置１０の制御系に信号ＳＧ６でフィードバックをかけることができる。

電力出力回路１８は、負荷２１に供給する出力電力Ｐｏｕｔをより安定化するための制御を実施する。電力出力回路１８は、例えば、過大な電圧が出力されるのを制限するための回路や、過大な電流が出力に流れるのを制限するための回路を有している。

起動回路１９は、例えば直流入力電力Ｐ０の電圧が０［Ｖ］から立ち上がる際のようにパルス制御部１４がまだ動作していないリニア領域で、電力スイッチ回路１５の通電動作を起動するための信号を生成する。

＜非線形変換特性の例＞
非線形信号変換部１２に関する入出力特性の例を図２に示す。図２において、横軸は入力電圧［Ｖ］、すなわち信号ＳＧ１の電圧に相当し、縦軸は出力電圧［Ｖ］、すなわち信号ＳＧ２の電圧に相当する。

図２に示すように、非線形信号変換部１２においては入力電圧と出力電圧との関係が非線形になっている。例えば、入力電圧が０～３５［Ｖ］程度の範囲内では出力電圧は１１［Ｖ］程度でほぼ変化がない。また、入力電圧が４５～９０［Ｖ］程度の範囲内では、入力電圧の増大に反比例して出力電圧が減少する。また、入力電圧が９５［Ｖ］以上の範囲では入力電圧の変化に対する出力電圧の変化の傾きが緩やかになっている。

＜特徴的な動作の説明＞
図１に示した電源装置１０においては、パルス制御部１４内に備わっているＰＷＭ制御部１４ａおよびＰＦＭ制御部１４ｂが同時に動作して、その結果が信号ＳＧ４のパルスに反映される。つまり、ＰＷＭと、ＰＦＭとの２種類、又はそれに間引き制御部１４ｃを加えた３種類の制御を同時に行った結果として生成されるパルスに従い、電力スイッチ回路１５のスイッチング動作が実施される。

ＰＷＭとＰＦＭとを同時に実施することにより、ＰＷＭの制御周期が一定の場合であっても、ＰＷＭで生成した周期的な複数パルスの間に別のパルスがランダムに発生したり、ＰＷＭで生成したパルスのオン区間の時間幅をランダムに間引きするようなパルスが信号ＳＧ４に現れる。

したがって、ＰＷＭの制御周期を短くして電力スイッチ回路１５における定常時のスイッチング頻度を上げなくても、必要に応じてＰＦＭのパルスを挿入したり、ＰＷＭパルスの時間幅の間引きを行って精密な電力制御を実現できる。ＰＷＭの制御周期を長くすることにより、スイッチングに伴って発生する損失を低減できる。また、スイッチングに使用するパルスの発生周期をランダムに変化させることにより、不要輻射として発生するノイズの周波数スペクトルにおけるピーク位置を広い範囲で拡散できるので、ノイズ対策が容易になる。

図１に示した電源装置１０においては、直流入力電力Ｐ０の電圧を非線形信号変換部１２を用いてノンリニアな特性に従って制御するように、変換してパルス制御部１４に入力している。つまり、信号ＳＧ１の入力電圧と、パルス制御部１４に閾値電圧として入力される信号ＳＧ３との関係が非線形になる。

これにより、所望の制御特性で動作するように電源装置１０を設計することが容易になる。例えば、直流入力電力Ｐ０の電圧が３５［Ｖ］以下の領域では、直流入力電力Ｐ０－出力電力Ｐｏｕｔ間の電位差を０［Ｖ］に近づけることで、出力電力Ｐｏｕｔの立ち上がりを早めることができる。したがって、この領域では非線形信号変換部１２が出力する信号ＳＧ２の電圧を１１［Ｖ］程度にすることで、パルス制御部１４の動作を止め、電力スイッチ回路１５がほぼ全ての時間帯にわたりオン（導通）状態になるように制御する。

また、直流入力電力Ｐ０の電圧が４０～９０［Ｖ］程度の範囲内の領域では、直流入力電力Ｐ０の電圧上昇に伴って、出力電力Ｐｏｕｔの電圧が上がりすぎるのを抑制するために、余剰分のエネルギーを電力スイッチ回路１５のスイッチングにより削減する。そのために、適切な電圧を信号ＳＧ２として出力し、パルス制御部１４に閾値電圧として入力される信号ＳＧ３の電圧を調整する。これにより、ＰＷＭおよびＰＦＭ制御により生成されたパルスが信号ＳＧ４として電力スイッチ回路１５の制御入力に印加される。

また、電力スイッチ回路１５の出力側の信号ＳＧ５の電圧をパルス制御部１４の入力側にフィードバックすることにより、信号ＳＧ５および出力電力Ｐｏｕｔの電圧が目標とする所定電圧、例えば１２［Ｖ］に近い状態で安定するようにパルス制御部１４が自動的に制御を実施する。

また、信号ＳＧ５の電圧が、窓の範囲内に収まっている場合には、ミュート制御部１７が出力する信号ＳＧ６により、パルス制御部１４の動作が制限され、その時の制御状態が維持される。そして、信号ＳＧ５の電圧が窓の上限電圧を超えるか、又は窓の下限電圧以下になると、パルス制御部１４の自動制御が再開されて、ＰＷＭおよびＰＦＭの制御により窓の範囲内に近づく方向に信号ＳＧ５の電圧が調整される。

いずれにしても、ＰＷＭ制御部１４ａおよびＰＦＭ制御部１４ｂの同時制御により、パルス制御部１４の制御特性を可変にすることができる。すなわち、直流入力電力Ｐ０－出力電力Ｐｏｕｔ間の電位差に合わせて、電源装置１０の内部で発生するスイッチング損失が適切に低減され、且つ出力電力Ｐｏｕｔの電圧が適切に維持されるようなパルスを信号ＳＧ４として出力できる。

また、非線形信号変換部１２を利用しているので、直流入力電力Ｐ０－出力電力Ｐｏｕｔ間の電位差に合わせて、パルス制御部１４が閾値電圧として使用する信号ＳＧ３の電圧を所望の非線形特性に従って適正に自動調整できる。また、非線形信号変換部１２を利用して直流入力電力Ｐ０の電圧が低い領域で電源装置１０内の制御における入出力の関係をリニアにできるので、入出力の関係にヒステリシスが生じるのを避けることができる。

上記のような制御により、直流入力電力Ｐ０の電圧変化だけでなく、負荷２１に流れる電流の早い変動にも追従して、出力電力Ｐｏｕｔの電圧が安定化するように、適切に制御できる。しかも、電源装置１０内部におけるスイッチングの損失を低減し、発熱も抑制できる。

実際には、ＰＷＭ制御部１４ａにおける単独の制御特性は、数分の１［sec］～数［μsec］程度のパルス時間幅（オン時間）の変化に対応するように設計できる。また、ＰＦＭ制御部１４ｂにおける単独の制御特性は、直流レベルから数百［Ｈｚ］程度の範囲の周波数変化に対応するように設計できる。

＜動作波形の具体例＞
＜入力電圧変化に応じた波形の変化＞
互いに入力電圧が異なる状態における３つの信号の例を図３（ａ）および図３（ｂ）に示す。図３（ａ）および図３（ｂ）において、横軸は時間、縦軸は電圧を表している。なお、各波形の把握が容易になるよう、各信号の縦軸における０の位置は異ならせている。

図３（ａ）に示した各信号ＳＧ４、ＳＧ６、ＳＧ３０は、直流入力電力Ｐ０の電圧が４０．５［Ｖ］の状態における各波形を表している。また、図３（ｂ）中の各信号ＳＧ４、ＳＧ６、ＳＧ３０は、直流入力電力Ｐ０の電圧が１１１［Ｖ］の状態における各波形を表している。また、信号ＳＧ３０はパルス制御部１４の内部に含まれる発振器により生成される。この信号ＳＧ３０の波形は三角波であり、ＰＷＭ制御部１４ａがＰＷＭ制御で信号ＳＧ４のパルスを生成するためのベース信号として利用される。図３（ａ）および図３（ｂ）において、信号ＳＧ３０の１周期に対応する周波数は約３９０［Ｈｚ］である。

図３（ａ）に示す状態では、約２７［ｍｓｅｃ］周期（３７［Ｈｚ］）で信号ＳＧ４、ＳＧ６にパルスが発生しているが、全区間のうち、パルスのオン状態（高レベル）の区間の比率が非常に大きい。つまり、電力スイッチ回路１５がほぼ全区間にわたりオン状態になるので、直流入力電力Ｐ０のほとんどのエネルギーが電力スイッチ回路１５を通過して出力電力Ｐｏｕｔとして負荷２１に供給される。

すなわち、直流入力電力Ｐ０の電圧が低い領域では、図２に示す特性により非線形信号変換部１２の出力の信号ＳＧ２の電圧が高くなるので、パルス制御部１４の制御により図３（ａ）のようなパルスが信号ＳＧ４に現れる。このパルスは、ベース信号ＳＧ３０の周期に基づいて生成される一般的なＰＷＭ信号とは大きく異なる。

一方、図３（ｂ）に示す状態では、図３（ａ）と比べて短い周期で、信号ＳＧ４にパルスが現れている。但し、図３（ｂ）に示したように信号ＳＧ４のパルスは、ベース信号ＳＧ３０の１周期毎に現れているのではなく不定期である。つまり、ＰＷＭパルスの間引きが不定期で行われている。しかも、信号ＳＧ４のパルスの高レベル区間の時間幅は、信号ＳＧ６が高レベルの区間の幅に比べて短縮されている。また、信号ＳＧ６が高レベルである１つの区間の中で複数のパルスが発生している箇所もある。

図３（ａ）および図３（ｂ）に示したような信号ＳＧ４のパルスを生成することにより、入力電圧の広い範囲にわたって緻密な電力制御を行うことが可能である。この場合、電力スイッチ回路１５をスイッチングするためのパルスが一般的なＰＷＭのように一定の周期で繰り返し発生するわけではないので、スイッチングの頻度を減らし、電力の損失を減らすことができる。また、スイッチングの周期が不定期であるので、輻射ノイズの対策が容易になる。

＜入力電圧が中間的なレベルの場合の波形＞
直流入力電力Ｐ０の電圧が７４［Ｖ］の状態における４つの信号の例を図４（ａ）および図４（ｂ）に示す。図４（ａ）、図４（ｂ）において、横軸は時間、縦軸は電圧を表している。なお、各波形の把握が容易になるよう、各信号の縦軸における０の位置は異ならせている。

図４（ａ）、図４（ｂ）に示した例においても、信号ＳＧ４にパルスが頻繁に現れている。但し、信号ＳＧ４におけるパルスの制御周期は一定ではなく、パルスが高レベルになるオン区間の時間幅も１周期毎に微妙に変動している。つまり、ＰＷＭ制御部１４ａで生成されるパルスの間引きや、各パルスのオン時間幅の間引きが行われている。

例えば、信号ＳＧ５の電圧が上がりすぎる状態になると、フィードバックされる信号ＳＧ６が高レベルになっている区間で、パルス制御部１４が制御を行い、信号ＳＧ４に出力するパルスの間引きや、オン時間幅の間引きなどを行うことができる。これにより、信号ＳＧ５の電圧を下げることができる。

＜負荷の変化に応じた波形の変化＞
入力電圧が同じ（約６２［Ｖ］）で負荷が互いに異なる状態における３つの信号の例を図５（ａ）および図５（ｂ）に示す。図５（ａ）、図５（ｂ）において、横軸は時間、縦軸は電圧を表している。また、図５（ａ）は負荷２１のインピーダンスが５０［Ω］の状態を表し、図５（ｂ）は負荷２１のインピーダンスが２５［Ω］の状態を表している。

つまり、図５（ｂ）の状態では図５（ａ）と比べて負荷２１に流れる電流が大幅に増大するので、それに伴って安定した状態を維持するために、電源装置１０の動作状態が変化する。

したがって、図５（ｂ）に示したように、信号ＳＧ４に現れるパルスの出現頻度、すなわち周波数が図５（ａ）と比べて大幅に増大している。これにより、電力スイッチ回路１５が通電状態になる頻度も高くなり、負荷２１が必要とする電力の補充を短時間でまかなうことが可能になる。その様子が、図５（ａ）、図５（ｂ）中の信号ＳＧ５の波形変化に現れている。つまり、このような制御により、負荷が増大したときの電圧リップルの増大を抑制できる。

＜電源装置１０の利点＞
図１に示した電源装置１０においては、パルス制御部１４内のＰＷＭ制御部１４ａ、ＰＦＭ制御部１４ｂが同時に動作した結果を出力パルス発生部１４ｄの出力の信号ＳＧ４に反映することができる。したがって、ＰＷＭとＰＦＭのモード切替を行う必要がなく、切替に伴って出力電力Ｐｏｕｔの電圧や電流が不安定になるのを防止できる。

また、電力スイッチ回路１５をスイッチングするための信号ＳＧ４のパルス周波数が変動するので、不要放射のスペクトルが広い帯域に拡散される。したがって、特定の周波数にノイズのピークが生じることがなく、ノイズ対策が容易になる。また、ノイズを減らすために電気コイルを接続する必要がなく、無効電力が生じない。

なお、図１に示した電源装置１０の制御内容は、論理回路の動作に置き換えたり、コンピュータのソフトウェア処理に置き換えることも可能である。また、コンピュータなどを利用する場合には、例えば発電機２０が起動する時の制御動作の立ち上がりを早くするために、特別な外部電源を用意したり、蓄電池を利用してコンピュータを常時動作可能な状態で待機させておくことも想定される。

ここで、上述した本発明の実施形態に係る直流電源装置および電力制御方法の特徴をそれぞれ以下［１］～［８］に簡潔に纏めて列記する。
［１］ 電力供給源（発電機２０）から供給される電圧の不確定な入力電力（直流入力電力Ｐ０）に基づいて、スイッチング動作を行い、少なくとも前記入力電力に比べて電圧の変化を抑制した出力電力を生成する直流電源装置（電源装置１０）であって、
前記スイッチング動作におけるオン時間とオフ時間の比を調整する動作（ＰＷＭ制御部１４ａ）と、前記スイッチング動作の周波数を調整する動作（ＰＦＭ制御部１４ｂ）とを同時に行う機能（出力パルス発生部１４ｄ）を有する、パルス変調部（パルス制御部１４）、
を備えたことを特徴とする直流電源装置。

［２］ 前記入力電力および前記出力電力の少なくとも一方の電圧検出値を、所定の非線形特性に従って変換した結果を、前記スイッチング動作におけるオン時間とオフ時間の比、および前記スイッチング動作の周波数の少なくとも一方に反映する非線形変換部（非線形信号変換部１２）を有する、
ことを特徴とする上記［１］に記載の直流電源装置。

［３］ 前記パルス変調部は、前記スイッチング動作の１周期区間中のオン時間とオフ時間の比を調整するＰＷＭ制御部（１４ａ）と、前記スイッチング動作の１周期区間の長さを調整するＰＦＭ制御部（１４ｂ）と、前記ＰＷＭ制御部のオン時間中における少なくとも一部のタイミングで、前記スイッチング動作をオフにする間引き制御部（１４ｃ）と、を有し、
前記間引き制御部は、前記入力電力および前記出力電力の少なくとも一方の電圧検出値の変化を前記スイッチング動作に反映する、
ことを特徴とする上記［１］または［２］に記載の直流電源装置。

［４］ 前記出力電力の電圧検出値を所定の上限値および下限値と比較した結果を、前記パルス変調部の動作に反映するミュート制御部（１７）を有する、
ことを特徴とする上記［１］乃至［３］のいずれかに記載の直流電源装置。

［５］ 電力供給源から供給される電圧の不確定な入力電力に基づいて、スイッチング動作を行い、少なくとも前記入力電力に比べて電圧の変化を抑制した出力電力を生成するための電力制御方法であって、
前記スイッチング動作におけるオン時間とオフ時間の比を調整する第１動作（ＰＷＭ制御部１４ａ）と、前記スイッチング動作の周波数を調整する第２動作（ＰＦＭ制御部１４ｂ）とを同時に実施し、
前記入力電力および前記出力電力の少なくとも一方の電圧変化を、前記第１動作および前記第２動作の少なくとも一方に反映する、
ことを特徴とする電力制御方法。

［６］ 前記入力電力および前記出力電力の少なくとも一方の電圧検出値を、所定の非線形特性に従って変換した結果を、前記スイッチング動作におけるオン時間とオフ時間の比、および前記スイッチング動作の周波数の少なくとも一方に反映する、
ことを特徴とする上記［５］に記載の電力制御方法。

［７］ 前記スイッチング動作の１周期区間中のオン時間とオフ時間の比を表す第１制御量を連続的に又は逐次決定し、
前記スイッチング動作の１周期区間の長さを表す第２制御量を連続的に又は逐次決定し、
前記第１制御量に応じたオン時間中における少なくとも一部のタイミングで、前記スイッチング動作をオフにするための第３制御量を連続的に又は逐次決定し、
前記入力電力および前記出力電力の少なくとも一方の電圧検出値の変化に対して、前記第１制御量、前記第２制御量、および前記第３制御量を同時に前記スイッチング動作に反映する、
ことを特徴とする上記［５］または［６］に記載の電力制御方法。

［８］ 前記出力電力の電圧検出値を所定の上限値および下限値とそれぞれ比較し、比較した結果を前記スイッチング動作に反映する、
ことを特徴とする上記［５］乃［７］のいずれかに記載の電力制御方法。

１０ 電源装置
１１ 電力入力部
１２ 非線形信号変換部
１３ 電圧制御部
１４ パルス制御部
１４ａ ＰＷＭ制御部
１４ｂ ＰＦＭ制御部
１４ｃ 間引き制御部
１４ｄ 出力パルス発生部
１５ 電力スイッチ回路
１６ 整流回路
１７ ミュート制御部
１７ａ 電圧上限検知部
１７ｂ 電圧下限検知部
１７ｃ 演算部
１８ 電力出力回路
１９ 起動回路
２０ 発電機
２１ 負荷
Ｐｉｎ 入力電力
Ｐ０ 直流入力電力
Ｐｏｕｔ 出力電力
Ｐ１，Ｐ２ 電力
ＳＧ１，ＳＧ２，ＳＧ３，ＳＧ４，ＳＧ５，ＳＧ６ 信号

Claims (6)

1. 電力供給源から供給される電圧の不確定な入力電力に基づいて、スイッチング動作を行い、少なくとも前記入力電力に比べて電圧の変化を抑制した出力電力を生成する直流電源装置であって、
   前記スイッチング動作におけるオン時間とオフ時間の比を調整する動作と、前記スイッチング動作の周波数を調整する動作とを同時に行う機能を有する、パルス変調部、
   を備え、
   前記パルス変調部は、前記スイッチング動作の１周期区間中のオン時間とオフ時間の比を調整するＰＷＭ制御部と、前記スイッチング動作の１周期区間の長さを調整するＰＦＭ制御部と、前記ＰＷＭ制御部のオン時間中における少なくとも一部のタイミングで、前記スイッチング動作をオフにする間引き制御部と、を有し、
   前記間引き制御部は、前記入力電力および前記出力電力の少なくとも一方の電圧検出値の変化を前記スイッチング動作に反映する、
   ことを特徴とする直流電源装置。
2. 前記入力電力および前記出力電力の少なくとも一方の電圧検出値を、所定の非線形特性に従って変換した結果を、前記スイッチング動作におけるオン時間とオフ時間の比、および前記スイッチング動作の周波数の少なくとも一方に反映する非線形変換部を有する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の直流電源装置。
3. 前記出力電力の電圧検出値を所定の上限値および下限値と比較した結果を、前記パルス変調部の動作に反映するミュート制御部を有する、
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の直流電源装置。
4. 電力供給源から供給される電圧の不確定な入力電力に基づいて、スイッチング動作を行い、少なくとも前記入力電力に比べて電圧の変化を抑制した出力電力を生成するための電力制御方法であって、
   前記スイッチング動作におけるオン時間とオフ時間の比を調整する第１動作と、前記スイッチング動作の周波数を調整する第２動作とを同時に実施し、
   前記入力電力および前記出力電力の少なくとも一方の電圧変化を、前記第１動作および前記第２動作の少なくとも一方に反映し、
   前記スイッチング動作の１周期区間中のオン時間とオフ時間の比を表す第１制御量を連続的に又は逐次決定し、
   前記スイッチング動作の１周期区間の長さを表す第２制御量を連続的に又は逐次決定し、
   前記第１制御量に応じたオン時間中における少なくとも一部のタイミングで、前記スイッチング動作をオフにするための第３制御量を連続的に又は逐次決定し、
   前記入力電力および前記出力電力の少なくとも一方の電圧検出値の変化に対して、前記第１制御量、前記第２制御量、および前記第３制御量を同時に前記スイッチング動作に反映する、
   ことを特徴とする電力制御方法。
5. 前記入力電力および前記出力電力の少なくとも一方の電圧検出値を、所定の非線形特性に従って変換した結果を、前記スイッチング動作におけるオン時間とオフ時間の比、および前記スイッチング動作の周波数の少なくとも一方に反映する、
   ことを特徴とする請求項４に記載の電力制御方法。
6. 前記出力電力の電圧検出値を所定の上限値および下限値とそれぞれ比較し、比較した結果を前記スイッチング動作に反映する、
   ことを特徴とする請求項４または請求項５に記載の電力制御方法。

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