(57)【要約】【課題】電圧変動特性を向上することができる電源装置及び電源装置の制御方法を提供する。【解決手段】電源装置は、ＬＬＣ方式のＤＣ／ＤＣコンバータと、電圧変換回路とを備え、電圧変換回路は、第１のスイッチング素子、キャパシタ及び第１のインダクタが直列に接続された第１の直列回路と、第２のスイッチング素子及び第１のインダクタと磁気結合した第２のインダクタが直列に接続された第２の直列回路と、キャパシタと第１のインダクタとの接続点に一端が接続された第３のスイッチング素子と、第２のスイッチング素子と第２のインダクタとの接続点に一端が接続された第４のスイッチング素子と、第１のスイッチング素子及び第２のスイッチング素子を交互にオン／オフさせる制御部とを備え、第２の直列回路の他端を第１のスイッチング素子とキャパシタとの接続点に接続してある。【選択図】図１
2020022308.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
共振用キャパシタンス、共振用インダクタンス及び励磁インダクタンスを有するＬＬＣ方式のＤＣ／ＤＣコンバータと、
前記ＤＣ／ＤＣコンバータと接続される電圧変換回路と
を備え、
前記電圧変換回路は、
第１のスイッチング素子、キャパシタ及び第１のインダクタが直列に接続された第１の直列回路と、
第２のスイッチング素子及び前記第１のインダクタと磁気結合した第２のインダクタが直列に接続された第２の直列回路と、
前記キャパシタと前記第１のインダクタとの接続点に一端が接続された第３のスイッチング素子と、
前記第２のスイッチング素子と第２のインダクタとの接続点に一端が接続された第４のスイッチング素子と、
前記第１のスイッチング素子及び第２のスイッチング素子を交互にオン／オフさせる制御部と
を備え、
前記第１の直列回路の一端及び前記第２の直列回路の一端を前記ＤＣ／ＤＣコンバータの一端と接続してあり、
前記第２の直列回路の他端を第１のスイッチング素子と前記キャパシタとの接続点に接続してある電源装置。
【請求項２】
前記ＤＣ／ＤＣコンバータが変換する電圧比を所定範囲内に設定する電圧変換設定部を備える請求項１に記載の電源装置。
【請求項３】
前記制御部は、
前記第１のスイッチング素子のオン時間を調整して前記電圧変換回路が変換する電圧比の大小を調整する請求項１又は請求項２に記載の電源装置。
【請求項４】
電源装置の制御方法であって、
前記電源装置は、
共振用キャパシタンス、共振用インダクタンス及び励磁インダクタンスを有するＬＬＣ方式のＤＣ／ＤＣコンバータと、
前記ＤＣ／ＤＣコンバータと接続される電圧変換回路と
を備え、
前記電圧変換回路は、
第１のスイッチング素子、キャパシタ及び第１のインダクタの第１の直列回路と、
第２のスイッチング素子及び前記第１のインダクタと磁気結合した第２のインダクタの第２の直列回路と、
前記キャパシタと前記第１のインダクタとの接続点に一端が接続された第３のスイッチング素子と、
前記第２のスイッチング素子と第２のインダクタとの接続点に一端が接続された第４のスイッチング素子と
を備え、
前記第１の直列回路の一端及び前記第２の直列回路の一端を前記ＤＣ／ＤＣコンバータの一端と接続してあり、
前記第２の直列回路の他端を第１のスイッチング素子と前記キャパシタとの接続点に接続してあり、
前記ＤＣ／ＤＣコンバータが変換する電圧比を所定範囲内に設定し、
前記第１のスイッチング素子のオン時間を調整して前記電圧変換回路が変換する電圧比の大小を調整する電源装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電源装置及び電源装置の制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
直流電圧を変換するＤＣ／ＤＣコンバータが産業用機器及び車載装置に用いられている。ＤＣ／ＤＣコンバータには、様々な構成が考えられるが、高効率化、小型化、低ノイズ化などの要求を反映して、ＬＬＣ回路方式のＤＣ／ＤＣコンバータが用いられている。
【０００３】
ＬＬＣ回路方式のＤＣ／ＤＣコンバータは、４つのスイッチング素子、インダクタ及びコンデンサから構成される共振回路、変圧器、及び２つのダイオードで構成される整流回路などを備え、共振回路の共振現象を利用して、スイッチング素子の電圧が０になるときに当該スイッチング素子をターンオンすることにより、低損失な回路を実現している（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１７−７０１９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１のようなＬＬＣ回路方式のＤＣ／ＤＣコンバータでは、その動作特性上、スイッチング周波数が高くなると電圧ゲインを得ることができず、入力電圧の変動に対する適切な電圧制御を行うことができない。
【０００６】
本発明は、斯かる事情に鑑みてなされたものであり、電圧変動特性を向上することができる電源装置及び電源装置の制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の実施の形態に係る電源装置は、共振用キャパシタンス、共振用インダクタンス及び励磁インダクタンスを有するＬＬＣ方式のＤＣ／ＤＣコンバータと、前記ＤＣ／ＤＣコンバータと接続される電圧変換回路とを備え、前記電圧変換回路は、第１のスイッチング素子、キャパシタ及び第１のインダクタが直列に接続された第１の直列回路と、第２のスイッチング素子及び前記第１のインダクタと磁気結合した第２のインダクタが直列に接続された第２の直列回路と、前記キャパシタと前記第１のインダクタとの接続点に一端が接続された第３のスイッチング素子と、前記第２のスイッチング素子と第２のインダクタとの接続点に一端が接続された第４のスイッチング素子と、前記第１のスイッチング素子及び第２のスイッチング素子を交互にオン／オフさせる制御部とを備え、前記第１の直列回路の一端及び前記第２の直列回路の一端を前記ＤＣ／ＤＣコンバータの一端と接続してあり、前記第２の直列回路の他端を第１のスイッチング素子と前記キャパシタとの接続点に接続してある。
【０００８】
本発明の実施の形態に係る電源装置の制御方法は、電源装置の制御方法であって、前記電源装置は、共振用キャパシタンス、共振用インダクタンス及び励磁インダクタンスを有するＬＬＣ方式のＤＣ／ＤＣコンバータと、前記ＤＣ／ＤＣコンバータと接続される電圧変換回路とを備え、前記電圧変換回路は、第１のスイッチング素子、キャパシタ及び第１のインダクタの第１の直列回路と、第２のスイッチング素子及び前記第１のインダクタと磁気結合した第２のインダクタの第２の直列回路と、前記キャパシタと前記第１のインダクタとの接続点に一端が接続された第３のスイッチング素子と、前記第２のスイッチング素子と第２のインダクタとの接続点に一端が接続された第４のスイッチング素子とを備え、前記第１の直列回路の一端及び前記第２の直列回路の一端を前記ＤＣ／ＤＣコンバータの一端と接続してあり、前記第２の直列回路の他端を第１のスイッチング素子と前記キャパシタとの接続点に接続してあり、前記ＤＣ／ＤＣコンバータが変換する電圧比を所定範囲内に設定し、前記第１のスイッチング素子のオン時間を調整して前記電圧変換回路が変換する電圧比の大小を調整する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、電圧変動特性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本実施の形態の電源装置の回路構成の一例を示す説明図である。
【図２】ＤＣ／ＤＣコンバータの動作周波数と出力ゲインとの関係の一例を示す説明図である。
【図３】ＤＣ／ＤＣコンバータの励磁インダクタンスを小さくした場合のＦＥＴの電圧及び電流波形の一例を示す模式図である。
【図４】ＤＣ／ＤＣコンバータの励磁インダクタンスを大きくした場合のＦＥＴの電圧及び電流波形の一例を示す模式図である。
【図５】電圧変換回路の各部の波形の一例を示す模式図である。
【図６】期間Ｄ１での電圧変換回路の動作状態を示す説明図である。
【図７】期間Ｄ２での電圧変換回路の動作状態を示す説明図である。
【図８】電圧変換回路の電圧変換特性の一例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
［本願発明の実施形態の説明］
本実施の形態に係る電源装置は、共振用キャパシタンス、共振用インダクタンス及び励磁インダクタンスを有するＬＬＣ方式のＤＣ／ＤＣコンバータと、前記ＤＣ／ＤＣコンバータと接続される電圧変換回路とを備え、前記電圧変換回路は、第１のスイッチング素子、キャパシタ及び第１のインダクタが直列に接続された第１の直列回路と、第２のスイッチング素子及び前記第１のインダクタと磁気結合した第２のインダクタが直列に接続された第２の直列回路と、前記キャパシタと前記第１のインダクタとの接続点に一端が接続された第３のスイッチング素子と、前記第２のスイッチング素子と第２のインダクタとの接続点に一端が接続された第４のスイッチング素子と、前記第１のスイッチング素子及び第２のスイッチング素子を交互にオン／オフさせる制御部とを備え、前記第１の直列回路の一端及び前記第２の直列回路の一端を前記ＤＣ／ＤＣコンバータの一端と接続してあり、前記第２の直列回路の他端を第１のスイッチング素子と前記キャパシタとの接続点に接続してある。
【００１２】
本実施の形態に係る電源装置の制御方法は、電源装置の制御方法であって、前記電源装置は、共振用キャパシタンス、共振用インダクタンス及び励磁インダクタンスを有するＬＬＣ方式のＤＣ／ＤＣコンバータと、前記ＤＣ／ＤＣコンバータと接続される電圧変換回路とを備え、前記電圧変換回路は、第１のスイッチング素子、キャパシタ及び第１のインダクタの第１の直列回路と、第２のスイッチング素子及び前記第１のインダクタと磁気結合した第２のインダクタの第２の直列回路と、前記キャパシタと前記第１のインダクタとの接続点に一端が接続された第３のスイッチング素子と、前記第２のスイッチング素子と第２のインダクタとの接続点に一端が接続された第４のスイッチング素子とを備え、前記第１の直列回路の一端及び前記第２の直列回路の一端を前記ＤＣ／ＤＣコンバータの一端と接続してあり、前記第２の直列回路の他端を第１のスイッチング素子と前記キャパシタとの接続点に接続してあり、前記ＤＣ／ＤＣコンバータが変換する電圧比を所定範囲内に設定し、前記第１のスイッチング素子のオン時間を調整して前記電圧変換回路が変換する電圧比の大小を調整する。
【００１３】
電源装置は、共振用キャパシタンス、共振用インダクタンス及び励磁インダクタンスの直列回路を有するＬＬＣ方式のＤＣ／ＤＣコンバータと、共振回路を有し、ＤＣ／ＤＣコンバータと接続される電圧変換回路とを備える。例えば、電源装置が昇降圧タイプである場合、高電圧側に電圧変換回路が接続され、高圧変換回路に接続されたＤＣ／ＤＣコンバータが低電圧側に接続される。
【００１４】
電圧変換回路は、第１のスイッチング素子、キャパシタ及び第１のインダクタが直列に接続された第１の直列回路と、第２のスイッチング素子及び第１のインダクタと磁気結合した第２のインダクタが直列に接続された第２の直列回路と、キャパシタと第１のインダクタとの接続点に一端が接続された第３のスイッチング素子と、第２のスイッチング素子と第２のインダクタとの接続点に一端が接続された第４のスイッチング素子と、第１のスイッチング素子及び第２のスイッチング素子を交互にオン／オフさせる制御部とを備える。第１の直列回路の一端及び第２の直列回路の一端をＤＣ／ＤＣコンバータの一端と接続してあり、第２の直列回路の他端を第１のスイッチング素子とキャパシタとの接続点に接続してある。
【００１５】
第２のスイッチング素子がオフの状態で、第１のスイッチング素子をオンにすると、キャパシタ及び第１のインダクタとの共振により正弦波状の共振電流が流れ、ＤＣ／ＤＣコンバータ側に電流を供給する。第２のインダクタには、第１のインダクタと逆方向の電圧がかかり、第２のインダクタからもＤＣ／ＤＣコンバータ側に電流を供給する。キャパシタ及び第１のインダクタによる共振電流が０又は０付近の値になったときに第１のスイッチング素子をオフにする。これにより、ＺＣＳ（ゼロカレントスイッチング）を実現して損失を低減することができる。
【００１６】
次に、第１のスイッチング素子がオフの状態で、第２のスイッチング素子をオンにすると、キャパシタに蓄積した電荷に基づく電圧がキャパシタと第２のインダクタに印加され、キャパシタ及び第２のインダクタとの共振により正弦波状の共振電流が流れ、ＤＣ／ＤＣコンバータ側に電流を供給する。第１のインダクタには、第２のインダクタと逆方向の電圧がかかり、第１のインダクタからもＤＣ／ＤＣコンバータ側に電流を供給する。キャパシタ及び第２のインダクタによる共振電流が０又は０付近の値になったときに第２のスイッチング素子をオフにする。これにより、ＺＣＳ（ゼロカレントスイッチング）を実現して損失を低減することができる。
【００１７】
上述の構成により、入力側の電圧が変動しても、電圧変換回路が所定の電圧をＤＣ／ＤＣコンバータ側に出力することができ、電圧変動特性を向上することができる。また、電圧変換回路は、ＺＣＳを実現することができるので、スイッチング損失を低減することができ、効率を向上することができる。
【００１８】
本実施の形態に係る電源装置は、前記ＤＣ／ＤＣコンバータが変換する電圧比を所定範囲内に設定する電圧変換設定部を備える。
【００１９】
電圧変換設定部は、ＤＣ／ＤＣコンバータが変換する電圧比を所定範囲内に設定する。ＬＬＣ方式のＤＣ／ＤＣコンバータは、その動作特性上、スイッチング周波数が高くなると電圧ゲインを得ることができない。そこで、電圧ゲイン、すなわちＤＣ／ＤＣコンバータが変換する電圧比を所定範囲内に設定する。所定範囲は、例えば、０．８〜１程度とすることができる。
【００２０】
これにより、スイッチング周波数を高くしても電圧比は所定範囲内に固定することができる。電圧変動による電圧制御（すなわち、電圧ゲインの制御）は、電圧変換回路で行うことができる。これにより、ＤＣ／ＤＣコンバータのスイッチング周波数を高くすることができるので、電源装置の小型化を図ることができる。
【００２１】
本実施の形態に係る電源装置において、前記制御部は、前記第１のスイッチング素子のオン時間を調整して前記電圧変換回路が変換する電圧比の大小を調整する。
【００２２】
制御部は、第１のスイッチング素子のオン時間を調整して電圧変換回路が変換する電圧比の大小を調整する。例えば、第１のスイッチング素子のオン時間を長くすると、電圧変換回路が変換する電圧比を大きくすることができ、第１のスイッチング素子のオン時間を短くすると、電圧変換回路が変換する電圧比を小さくすることができる。
【００２３】
これにより、ＤＣ／ＤＣコンバータが変換する電圧比を所定範囲内に固定しても、電圧変換回路によって変換電圧を制御することができるので、電源装置全体としての電圧変動特性を向上することができる。
【００２４】
［本願発明の実施形態の詳細］
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は本実施の形態の電源装置の回路構成の一例を示す説明図である。本実施の形態の電源装置は、入力側の端子Ａ及びＢ、出力側の端子Ｃ及びＤを備え、入力側の端子Ａ及びＢには、直流電源（不図示）が接続され、出力側の端子Ｃ及びＤには負荷が接続される。図１に示す電源装置は、降圧タイプであり、端子ＡＢが高電圧側であり、端子ＣＤが低電圧側である。
【００２５】
電源装置は、端子ＡＢ側に接続される電圧変換回路１０、及び端子ＣＤ側に接続されるとともに電圧変換回路１０に接続されるＬＬＣ方式のＤＣ／ＤＣコンバータ５０を備える。
【００２６】
ＤＣ／ＤＣコンバータ５０は、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor、以下、「ＦＥＴ」と称する）５１とＦＥＴ５２とが直列に接続された直列回路、ＦＥＴ５１とＦＥＴ５２との接続点に一端が接続され、キャパシタ５３とインダクタ５４で構成されるＬＣ共振回路、キャパシタ５３及びインダクタ５４に直列に接続された一次巻線６１を有するトランス６０、トランス６０の二次巻線３２ａ、３２ｂに接続され、ダイオード５５、５６を有する整流回路を備える。ＤＣ／ＤＣコンバータ５０の電圧変換回路１０に接続される端子間にはキャパシタ７１を接続してある。端子ＣＤ間にはキャパシタ７２を接続してある。ＦＥＴ５１、５２は、それぞれボディダイオードを有する。ＤＣ／ＤＣコンバータ５０は、キャパシタ５３が有する共振用キャパシタンス、インダクタ５４が有する共振用インダクタンス及び一次巻線６１が有する励磁インダクタンスの直列回路で構成されるＬＬＣ方式のＤＣ／ＤＣコンバータである。
【００２７】
電圧変換回路１０は、第１のスイッチング素子としてのＦＥＴ１１、キャパシタ２１及び第１のインダクタ３１が直列に接続された第１の直列回路、第２のスイッチング素子としてのＦＥＴ１２及び第１のインダクタ３１と磁気結合した第２のインダクタ３２が直列に接続された第２の直列回路、キャパシタ２１と第１のインダクタ３１との接続点に一端が接続された第３のスイッチング素子としてのダイオード１３、ＦＥＴ１２と第２のインダクタ３２との接続点に一端が接続された第４のスイッチング素子としてのダイオード１４を備える。
【００２８】
より具体的には、端子ＡにＦＥＴ１１のドレインを接続してあり、ＦＥＴ１１のソースには、ＦＥＴ１２のドレイン及びキャパシタ２１の一端を接続してある。ＦＥＴ１２のソースには、第２のインダクタ３２の一端を接続してあり、キャパシタ２１の他端には、第１のインダクタ３１の一端を接続してある。第１のインダクタ３１及び第２のインダクタ３２の他端はＤＣ／ＤＣコンバータ５０の一端に接続してある。
【００２９】
キャパシタ２１と第１のインダクタ３１との接続点には、ダイオード１３のカソードを接続してあり、ＦＥＴ１２のソースと第２のインダクタ３２との接続点には、ダイオード１４のカソードを接続してある。ダイオード１３、１４のアノードは端子Ｂに接続してある。端子ＡＢ間には、キャパシタ４１、及び抵抗４２と抵抗４３との直列回路を接続してある。端子ＡＢ間の電圧は抵抗４２、４３で分圧され、制御部９０は、分圧した電圧を検出することができる。制御部９０は、ＦＥＴ１１及びＦＥＴ１２を交互にオン／オフさせる。また、制御部９０は、ＦＥＴ５１及びＦＥＴ５２を交互にオン／オフさせる。
【００３０】
次に、本実施の形態の電源装置の動作について説明する。まず、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０の動作について説明する。
【００３１】
ＦＥＴ５２がオフの状態でＦＥＴ５１がオンになると、電圧変換回路１０から供給される直流電圧が、キャパシタ５３、インダクタ５４を介してトランス６０に印加される。キャパシタ５３とインダクタ５４は、ＬＣ共振回路を構成し、トランス６０の一次巻線６１は励磁インダクタンスを有するので、トランス６０の一次巻線６１には、正弦波状に増減する共振電流が流れる。共振電流は、トランス６０によって二次側に変換され、変換された変換電流が負荷電流として、二次巻線６２ａ、ダイオード５５を通じて端子ＣＤに流れる。ＦＥＴ５１に流れる共振電流（正確には、トランス６０の励磁電流も含まれる）が小さくなった時点（例えば、０の近傍となった時点）で、ＦＥＴ５１をターンオフする。
【００３２】
次に、ＦＥＴ５１がオフの状態でＦＥＴ５２がオンになると、キャパシタ５３とインダクタ５４で構成される共振回路により共振電流がＦＥＴ５２に流れる。この共振電流がトランス６０で変換され、変換された変換電流はトランス６０の二次巻線６２ｂ、ダイオード５６を通じて負荷電流として出力される。ＦＥＴ５２に流れる共振電流が小さくなった時点（例えば、０の近傍となった時点）で、ＦＥＴ５２をターンオフする。
【００３３】
図２はＤＣ／ＤＣコンバータ５０の動作周波数と出力ゲインとの関係の一例を示す説明図である。図２において、縦軸は出力ゲイン（電圧ゲインとも称する）を示し、横軸は動作周波数を示す。動作周波数は、ＦＥＴ５１及びＦＥＴ５２が交互にオン／オフするときのスイッチング周波数である。出力ゲインＧは、Ｇ＝（ｎ１／ｎ２）・（Ｖｏｕｔ／Ｖｉｎ）で表すことができる。ここで、Ｖｉｎは電圧変換回路１０から供給される電圧であり、Ｖｏｕｔは端子ＣＤ間の電圧である。ｎ１はトランス６０の一次巻線６１の巻き数であり、ｎ２はトランス６０の二次巻線（６２ａ又は６２ｂ）の巻き数である。図において、Ｌｍは一次巻線６１が有する励磁インダクタンスであり、Ｈ１＜Ｈ２＜Ｈ３＜Ｈ４の関係を有する。
【００３４】
図２から分かるように、動作周波数が低周波数（図中、破線を境界としている）では、励磁インダクタンスＬｍを小さくすることにより、出力ゲインＧを１より大きくすることができる。しかし、動作周波数が低周波数でも、励磁インダクタンスＬｍが大きいと、出力ゲインＧを１以上にすることができない。また、動作周波数が高周波数では、励磁インダクタンスＬｍを小さくしても出力ゲインＧを１より大きくすることができない。
【００３５】
図３はＤＣ／ＤＣコンバータ５０の励磁インダクタンスを小さくした場合のＦＥＴ５１の電圧及び電流波形の一例を示す模式図である。図３に示すように、励磁インダクタンスを小さくすると、ＦＥＴ５１のオン期間において、励磁電流が増加し、ＦＥＴ５１をターンオフするときに、ＦＥＴ５１の電流を小さくすることができない。このため、ターンオフ損失が増大し、スイッチング損失が大きくなる。すなわち、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０の出力ゲインＧを１より大きくして電圧変動特性を向上させるために励磁インダクタンスを小さくすると、スイッチング損失が増大することになる。
【００３６】
図４はＤＣ／ＤＣコンバータ５０の励磁インダクタンスを大きくした場合のＦＥＴ５１の電圧及び電流波形の一例を示す模式図である。図４に示すように、励磁インダクタンスを大きくすると、ＦＥＴ５１のオン期間において、励磁電流があまり増加しないので、ＦＥＴ５１をターンオフするときに、ＦＥＴ５１の電流を小さくすることができる。すなわち、スイッチング損失を低減するために励磁インダクタンスを大きくすると、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０の出力ゲインＧを１より大きくすることができず、所要の電圧変動特性が得られない。
【００３７】
そこで、本実施の形態では、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０の出力ゲインＧを所定の範囲内に設定し、固定電圧比で電圧変換するように動作させる。具体的には、制御部９０は、電圧変換設定部としての機能を有し、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０が変換する電圧比を所定範囲内に設定する。前述のように、ＬＬＣ方式のＤＣ／ＤＣコンバータ５０は、その動作特性上、スイッチング周波数が高くなると電圧ゲインを得ることができない。そこで、電圧ゲイン、すなわちＤＣ／ＤＣコンバータ５０が変換する電圧比を所定範囲内に設定する。所定範囲は、例えば、０．８〜１程度とすることができる。
【００３８】
これにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０のスイッチング周波数を高くしても電圧比は所定範囲内に固定することができる。また、ＦＥＴ５１、５２のスイッチング損失が許容範囲内になるように励磁インダクタンスを設定することができる。
【００３９】
電圧変動による電圧制御（すなわち、電圧ゲインの制御）は、後述のように電圧変換回路１０で行うことができる。これにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０のスイッチング周波数を高くすることができるので、電源装置の小型化を図ることができる。
【００４０】
次に、電圧変換回路１０の動作について説明する。
【００４１】
図５は電圧変換回路１０の各部の波形の一例を示す模式図であり、図６は期間Ｄ１での電圧変換回路１０の動作状態を示す説明図であり、図７は期間Ｄ２での電圧変換回路１０の動作状態を示す説明図である。図５では、上段から、電圧変換回路１０の入力電圧Ｖｉｎ及び出力電圧Ｖｏｕｔ、ＦＥＴ１１及びＦＥＴ１２のゲート信号、ＦＥＴ１１の電流及び電圧、ＦＥＴ１２の電圧及び電流、ダイオード１３の電圧及び電流、ダイオード１４の電圧及び電流、並びにキャパシタ２１の電圧の波形を示す。図５に示すように、期間Ｄ１では、ＦＥＴ１１がオン状態であり、ＦＥＴ１２はオフ状態である。また、期間Ｄ２では、ＦＥＴ１１がオフ状態であり、ＦＥＴ１２はオン状態である。なお、ＦＥＴ１１及びＦＥＴ１２の両方がオフ状態となるデッドタイムは設けられているが、図中では便宜上省略している。
【００４２】
図５及び図６に示すように、ＦＥＴ１２がオフの状態で、ＦＥＴ１１をオンにすると、キャパシタ２１及び第１のインダクタ３１との共振により正弦波状の共振電流が流れ、端子Ａ′Ｂ′側（ＤＣ／ＤＣコンバータ５０側）に電流を供給する。第２のインダクタ３２には、第１のインダクタ３１と逆方向の電圧がかかり、第２のインダクタ３２からも、ダイオード１４を経由してＤＣ／ＤＣコンバータ５０側に電流を供給する。キャパシタ２１及び第１のインダクタ３１による共振電流が０又は０付近の値になったときにＦＥＴ１１をオフにする。これにより、ＺＣＳ（ゼロカレントスイッチング）を実現して損失を低減することができる。
【００４３】
次に、図５及び図７に示すように、ＦＥＴ１１がオフの状態で、ＦＥＴ１２をオンにすると、キャパシタ２１に蓄積した電荷に基づく電圧がキャパシタ２１と第２のインダクタ３２に印加され、キャパシタ２１及び第２のインダクタ３２との共振により正弦波状の共振電流が流れ、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０側に電流を供給する。第１のインダクタ３１には、第２のインダクタ３２と逆方向の電圧がかかり、第１のインダクタ３１からも、ダイオード１３を経由してＤＣ／ＤＣコンバータ５０側に電流を供給する。キャパシタ２１及び第２のインダクタ３２による共振電流が０又は０付近の値になったときにＦＥＴ１２をオフにする。これにより、ＺＣＳ（ゼロカレントスイッチング）を実現して損失を低減することができる。
【００４４】
上述の構成により、電源装置の入力側（端子ＡＢ間）の電圧が変動しても、電圧変換回路１０が所定の電圧をＤＣ／ＤＣコンバータ５０側に出力することができ、電圧変動特性を向上することができる。また、電圧変換回路１０は、ＺＣＳを実現することができるので、スイッチング損失を低減することができ、効率を向上することができる。
【００４５】
図８は電圧変換回路１０の電圧変換特性の一例を示す模式図である。図８において、縦軸は電圧を示し、横軸はＦＥＴ１１のオン時間を示す。制御部９０は、ＦＥＴ１１のオン時間を調整して電圧変換回路１０が変換する電圧比の大小を調整することができる。
【００４６】
図８に示すように、ＦＥＴ１１のオン時間を長くすると、電圧変換回路１０が変換する電圧比を大きくすることができる。すなわち、電圧変換回路１０の入力電圧Ｖｉｎが低下した場合、ＦＥＴ１１のオン時間を長くすると、電圧ゲインを大きくすることができるので、出力電圧Ｖｏｕｔが変動しないように制御することができる。
【００４７】
また、ＦＥＴ１１のオン時間を短くすると、電圧変換回路１０が変換する電圧比を小さくすることができる。すなわち、電圧変換回路１０の入力電圧Ｖｉｎが上昇した場合、ＦＥＴ１１のオン時間を短くすると、電圧ゲインを小さくすることができるので、出力電圧Ｖｏｕｔが変動しないように制御することができる。図８において、Ｔ０はＦＥＴ１１のオン時間の下限値であり、Ｔｓｗ／２は、ＦＥＴ１１のオン時間の上限値とすることができる。Ｔｓｗは、電圧変換回路１０のスイッチング周波数である。ＦＥＴ１１のオン時間を下限値から上限値の間で調整することにより、入力電圧の電圧変動ΔＶｉｎに対して、出力電圧Ｖｏｕｔを一定にすることができる。
【００４８】
これにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０が変換する電圧比を所定範囲内に固定しても、電圧変換回路１０によって変換電圧を制御することができるので、電源装置全体としての電圧変動特性を向上することができる。
【００４９】
上述のように、従来のＬＬＣ方式のＤＣ／ＤＣコンバータでは、動作周波数を高くした場合、所要の出力ゲインを得ることができなかったので、高周波化には限界があった。しかし、本実施の形態では、ＬＬＣ方式のＤＣ／ＤＣコンバータの前段に、共振回路を有する電圧変換回路を接続した構成とすることにより、動作周波数を高くしても所要の電圧変動特性を得ることができる。また、動作周波数を高くすることができるので、電源装置を小型化することが可能となる。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０を固定電圧比で変換するようにしたので、励磁インダクタンスを小さくする必要がなく、ＺＣＳを実現することができ、ＦＥＴのスイッチング損失を低減することができる。
【００５０】
上述では、電源装置を降圧タイプとして説明したが、これに限定されるものではない。例えば、ダイオード１３、１４、５５、５６をＦＥＴにすることにより、電源装置を昇降圧タイプとすることができる。この場合、端子ＡＢ側が高電圧側であり、端子ＣＤ側が低電圧側である。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０は、ハーフブリッジでもよく、フルブリッジでもよい。
【００５１】
スイッチング素子はＭＯＳＦＥＴに限定されるものではなく、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などのデバイスであってもよい。本実施の形態のように、スイッチング素子が、ＭＯＳＦＥＴの場合には、ドレイン・ソース間には等価的に内蔵されたボディダイオードが存在する。また、スイッチング素子として、バイポーラトランジスタを用いる場合には、トランジスタのコレクタ・エミッタ間にダイオードを逆並列に接続すればよい。
【００５２】
以上に開示された実施の形態及び実施例は、全ての点で例示であって制限的なものではないと考慮されるべきである。本発明の範囲は、以上の実施の形態及び実施例ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての修正や変形を含むものと意図される。
【符号の説明】
【００５３】
１１、１２、５１、５２  ＦＥＴ
１３、１４、５５、５６  ダイオード
２１、４１、５３、７２  キャパシタ
３１、３２、５４  インダクタ
４２、４３  抵抗
６０  トランス
６１  一次巻線
６２ａ、６２ｂ  二次巻線
９０  制御部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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