パワーエレクトロニクス工学論 １１．追加技術 11-1 ディジタル制御電源 11-2 カップルド・インダクタ多相電源 H27 群馬大学大学院講義 パワーエレクトロニクス工学論 11-1 11.1 デジタル制御電源 ＊デジタル電源：コントロール部分もデジタル化 （１）アナログ制御とデジタル制御の構成比較 【アナログ制御方式】 入力電圧 Vi ・電圧電流帰還による OPアンプによる位相補償 ・アナログPWM制御 出力電圧 Vo ＤＣ－ＤＣ コンバータ アンプ 位相補償 アナログ ＰＷＭ ジェネレータ 負荷 基準電圧 【デジタル制御方式】 ・電圧電流のADCによる デジタル化と演算処理 ・デジタルPWM制御 入力電圧 Vi 出力電圧 Vo ＤＣ－ＤＣ コンバータ デジタル ＰＷＭ ジェネレータ ＤＳＰ ＡＤＣ 負荷 （Ex.マイコン） H27 群馬大学大学院講義 パワーエレクトロニクス工学論 11-2 （２）アナログ制御とデジタル制御の比較 ＊アナログ制御：単機能・変更困難だが、高速応答・高精度制御 ＊デジタル制御：応答性・精度は劣るが、性能改善・多機能化 アナログ制御 制御性 ： 制御精度 応答性 機能性 ： 利用度 ： 変 更 ： 開発期間 ： 信頼性 ： 消費電力 ： 外部ＩＦ ： ICコスト ： 単純制御 高精度制御 高速応答 単純機能 機種限定 困 難 長時間（IC開発・選択） 温度・経年変化有 小さい 通常無 安い（専用ＩＣ） デジタル制御 複雑制御 PWM：低分解能 演算遅延 特性改善・多機能 高汎用性（電源の共通化） プログラム変更 短時間（ソフト開発・入替） 自動修正・推測・ロバスト性 やや大きい（高速DSP） 通信・監視・トラブル対策 高い（DSP）・・・システムコスト？ サーバ用電源はアナログ制御、 家電用電源はデジタル制御 H27 群馬大学大学院講義 パワーエレクトロニクス工学論 11-3 （３）電源のデジタル制御化 Ｉi Vi S ＩＬ Ｖo Ｉo L ● デジタル制御の基本 E ・単にアナログ制御をデジタル化 しても、必ず性能劣化 D C R ・デジタル特有の性能・機能の実現 PWM 素子ばらつき対策・・・ロバスト性 応答特性の改善 ・・・２自由度制御 制御部 アナログ回路の電源構成 ● 電源のモデル化 ・回路図を 式で表現・・・状態方程式 ・コイル電流、コンデンサ電圧に着目 ・状態方程式をブロック図で表現 ● u B21 ● IL IL １／ｓ Vc ｙ Vc １／ｓ Ａ12 Ａ11 Ａ22 Ａ21 電源部のモデル化 H27 群馬大学大学院講義 パワーエレクトロニクス工学論 11-4 ●ロバスト・フィルタ アナログ電源 ｒ ・目的：素子バラツキへの強さ u ＋ y Ｗuy(s) ⇒ ＬＣ値や負荷が変化しても性能安定 F(s) ・アナログ電源の特性変化を検知 ＋ ・電源出力を逆変換して、誤差比較 ⊿u ⊿ｕ を検出・・・ =0 ならＯＫ ・⊿ｕ=0 となるように、フィードバック Ｗm－１(s) － 逆関数フィルタ ロバスト電源の構成 ●２自由度制御 ・目的：応答特性の改善 ロバスト電源 ⇒ リプル無の高速負荷応答 ・安定性とは別に、 Q G ｒ u G･H Ｗqy(s) Ｗuy(s) ｙ 応答特性改善回路を追加 ・他のノイズ応答特性も改善 Ｆ(s) － Ｗ-1m(s) ２自由度制御ループ H27 群馬大学大学院講義 パワーエレクトロニクス工学論 11-5 （４）デジタル制御電源のシミュレーション波形 黄：アナログ電源，桃：デジタル電源 （A)２自由度による特性改善 ●ｽﾃｯﾌﾟ応答 （Ｖc＝2.5V） アナログ電源 制定時間≒0.5ms デジタル電源 制定時間≒0.1ms ●負荷変動応答（⊿Io＝５A） アナログ電源 ⊿V=270mVpp デジタル電源 ⊿V=14mVpp H27 群馬大学大学院講義 パワーエレクトロニクス工学論 11-6 （Ｂ)ロバスト制御による特性改善 ●Lのばらつきに対する応答特性 ＊デジタル電源（紫）：特性変化 なし ＊アナログ電源（黄）：特性は大きく変化 立上り特性 ・上：L=Lo/3 ・下：L=Ｌo*3 負荷変動応答 オフセット発生 ⊿V=50mV H27 群馬大学大学院講義 パワーエレクトロニクス工学論 11-7 11.2 カップルド・インダクタ技術 （１）従来 多相スイッチング電源の概要（ex. サーバー） ●４相スイッチング電源の構成と動作 ＊目的：リプルの改善と高速負荷応答（高速ﾀﾞｲﾅﾐｯｸ･ﾛｰﾄﾞ･ﾚｷﾞｭﾚｰｼｮﾝ） ＊構成：１個の出力コンデンサを、４個の降圧形スイッチング電源で駆動 MOSFET駆動PWMの位相は、９０度ずつシフト ＊特徴：リプルの低減 ⇒電流１／４ 周波数４倍 （Cの効果４倍） 帯域の拡大 Ｖi Io Ｖo 降圧形電源１ 降圧形電源2 Co Ci RＬ 降圧形電源3 半導体、Lの増加 降圧形電源4 多相スイッチング電源 H27 群馬大学大学院講義 パワーエレクトロニクス工学論 11-8 ●従来４相電源の回路構成と動作波形 VR1 Ｖｉ Di PWM1 90° Io IL1 Ｖo L1 Co VR2 RＬ PWM2 90° VR3 PWM3 90° I L1 VR4 I L2 PWM4 誤差増幅 基準 クロック 誤差電圧 + I L3 出 力 検 出 基準電圧 ４相降圧形スイッチング電源 I L4 Io 各コイル電流 と 出力電流波形 H27 群馬大学大学院講義 パワーエレクトロニクス工学論 11-9 （２）カップルド・インダクタ： 多相電源の原理 ●カップルド・インダクタの構成と動作 （２相電源で説明） ＊背景：電源の理想特性・・・負荷電流変化と時次定数（LC） 定常状態では、ＬＣ値を大きく すれば、リプル低減 過度状態では、ＬＣ値を小さく すれば、速度応答 ＊構成：２つの電源のインダクタンスをカップリングさせる（結合係数 k ） 一方のコイル電流が増加すれば、他方の電流も増加 ⇒ 電流波形が変化して、リプルが低減 VR1 IL1 Ｖｉ Io Di Ｖo PWM1 I L1 I L1’ VR1 IL2 Di Co PWM2 ２相カップルド・インダクタ電源 RＬ I L2 カップルド・インダクタの効果 H27 群馬大学大学院講義 パワーエレクトロニクス工学論 11-10 ●カップルド・インダクタによる実測波形 （２相電源） ＊リプル低減率： 20.5％ （結合係数：k=－0.2 の場合) 544 [mA] 684 [mA] 200mA/div Uncoupled 5us/div 200mA/div 5us/div Coupled k=－0.2 従来コイル電流 とカップルド・インダクタの各相電流波形 H27 群馬大学大学院講義 パワーエレクトロニクス工学論 11-11 ★ 以上で 本講義を終了します。 １４回に渡る長い講義に ご静聴 ありがとうございました。 恩田、小堀 H27 群馬大学大学院講義 パワーエレクトロニクス工学論 11-12
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