(57)【要約】【課題】従来回路と同じデューティ比を有する制御信号を用いてスイッチングを行った場合に、昇圧時にはより大きな昇圧を行うことができ、また、降圧時にはより小さな電圧を得ることができる。【解決手段】入力電圧源に１次側ラインを介して接続された１次巻線と、出力端に繋がるコンデンサに２次側ラインを介して接続された２次巻線と、を備える変圧器と、前記１次側ラインに設けられ、この１次側ラインを接断する第１のスイッチと、前記２次側ラインに設けられ、この２次側ラインを接断する第２のスイッチと、前記入力電圧源を前記２次巻線に順接続しまた切り離す第３のスイッチと、前記第１のスイッチ、前記第２のスイッチ、前記第３のスイッチを制御する制御回路とを具備する。【選択図】図２
2020114093.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力電圧源に１次側ラインを介して接続された１次巻線と、出力端に繋がるコンデンサに２次側ラインを介して接続された２次巻線と、を備える変圧器と、
前記１次側ラインに設けられ、この１次側ラインを接断する第１のスイッチと、
前記２次側ラインに設けられ、この２次側ラインを接断する第２のスイッチと、
前記入力電圧源を前記２次巻線に順接続しまた切り離す第３のスイッチと、
前記第１のスイッチ、前記第２のスイッチ、前記第３のスイッチを制御して、昇圧モード、昇降圧モード、降圧モードを実現する制御回路と
を具備することを特徴とするＤＣ／ＤＣコンバータ。
【請求項２】
制御回路は、前記第２のスイッチを常時オフとし、前記第１のスイッチと前記第３のスイッチを相補的にオンオフして、昇圧モードを実現することを特徴とする請求項１に記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。
【請求項３】
制御回路は、前記第３のスイッチを常時オフとし、前記第１のスイッチと前記第２のスイッチを相補的にオンオフして、昇降圧モードを実現することを特徴とする請求項１または２に記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。
【請求項４】
制御回路は、前記第１のスイッチを常時オフとし、前記第２のスイッチと前記第３のスイッチを相補的にオンオフして、降圧モードを実現することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。
【請求項５】
前記制御回路は、外部からの操作によりコンバータに入力電圧源の電圧に基づく電流が流れる期間であるデューティ比を変更することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。
【請求項６】
前記制御回路は、出力電圧と入力電圧それぞれを検出する検出手段と、上記検出手段により検出された入力電圧と出力電圧の値と閾値を用いて昇降圧比とその閾値を比較する比較手段と、比較結果に応じて昇圧動作、降圧動作、昇降圧動作のいずれかに移行する動作移行制御手段を備えることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。
【請求項７】
入力電圧源に１次側ラインを介して接続された１次巻線と、出力端に繋がるコンデンサに２次側ラインを介して接続された２次巻線と、を備える変圧器と、
前記１次側ラインに設けられ、この１次側ラインを接断する第１のスイッチと、
前記２次側ラインに設けられ、この２次側ラインを接断する第２のスイッチと、
前記入力電圧源を前記２次巻線に順接続しまた切り離す第３のスイッチと、
前記第１のスイッチ、前記第２のスイッチ、前記第３のスイッチを制御する制御回路とを具備するＤＣ／ＤＣコンバータの制御方法において、
前記第１のスイッチ、前記第２のスイッチ、前記第３のスイッチのいずれか１つを常時オフとし、残りの２つのスイッチを相補的にオンオフして、昇圧モード、昇降圧モード、降圧モードを実現することを特徴とするＤＣ／ＤＣコンバータの制御方法。
【請求項８】
前記第２のスイッチを常時オフとし、前記第１のスイッチと前記第３のスイッチを相補的にオンオフして、昇圧モードを実現することを特徴とする請求項７に記載のＤＣ／ＤＣコンバータの制御方法。
【請求項９】
前記第３のスイッチを常時オフとし、前記第１のスイッチと前記第２のスイッチを相補的にオンオフして、昇降圧モードを実現することを特徴とする請求項７または８に記載のＤＣ／ＤＣコンバータの制御方法。
【請求項１０】
前記第１のスイッチを常時オフとし、前記第２のスイッチと前記第３のスイッチを相補的にオンオフして、降圧モードを実現することを特徴とする請求項７乃至９のいずれか１項に記載のＤＣ／ＤＣコンバータの制御方法。
【請求項１１】
前記制御回路は、外部からの操作によりコンバータに入力電圧源の電圧に基づく電流が流れる期間であるデューティ比を変更することを特徴とする請求項７乃至１０のいずれか１項に記載のＤＣ／ＤＣコンバータの制御方法。
【請求項１２】
前記制御回路によって、出力電圧と入力電圧それぞれを検出し、上記により検出された入力電圧と出力電圧の値と閾値を用いて昇降圧比とその閾値を比較し、比較結果に応じて昇圧動作、降圧動作、昇降圧動作のいずれかに移行する動作移行制御を行うことを特徴とする請求項７乃至１１のいずれか１項に記載のＤＣ／ＤＣコンバータの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ＤＣ／ＤＣコンバータ及びその制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、太陽光発電や風力発電などの環境発電（エナジーハーベスティング）と称される発電により電力を得る機会がある。そのような発電系においては、発電素子の置かれる環境の状況に応じて、出力される電圧が大きく変動することが知られており、この電力を受ける装置を構成する場合には電源回路が必須である。この場合には、広い入力出力電圧範囲を有する昇降圧型の電源回路が必要となる。通常、電源回路は一定の出力電圧で用いられるため、広い入力電圧範囲を有する電源回路が要求されており、このことは、大きな昇圧比及び降圧比を実現するコンバータが求められていることに等しい。
【０００３】
昇降圧を行うコンバータとしては、図１に示されるようなフライバックコンバータを挙げることができる。即ち、変圧器Ｔの１次巻線Ｌ1には、第１のスイッチＳ1を介して入力電圧源Ｖiが接続される。また、変圧器Ｔの２次巻線Ｌ2には、第２のスイッチＳ2を介して、出力端に繋がるコンデンサＣに接続されている。この図では、出力端に出力電流源Ｉoを接続した状態で示している。変圧器Ｔの１次巻線Ｌ1と２次巻線Ｌ2との巻方向は、●により示されるように逆方向である。
【０００４】
上記フライバックコンバータは、図示しない制御回路により第１のスイッチＳ1と第２のスイッチＳ2が相補的にオンオフされ、コンバータとしての動作がなされる。まず、第１のスイッチＳ1がオンとされ、このとき第２のスイッチＳ2はオフである。この場合には、１次巻線Ｌ1に電流が流れて磁束が発生し、コアが磁化されエネルギーの蓄積がなされる。次に、第１のスイッチＳ1がオフされ、第２のスイッチＳ2がオンされると、蓄積されていたエネルギーに基づく電流が２次巻線Ｌ2から第２のスイッチＳ2を介して流れ、コンデンサＣに電荷が蓄積され、コンデンサＣと並列となる出力端に繋がる図示しない負荷へ、出力電流源Ｉoに相当する電流が流れる。以降、第１のスイッチＳ1と第２のスイッチＳ2が相補的にオンオフされる。
【０００５】
上記第１のスイッチＳ1と第２のスイッチＳ2が相補的にオンオフされるスイッチングの１周期において、第１のスイッチＳ1をオンする時間の割合をＤ（デューティ比：１周期において、コンバータに入力電圧源の電圧に基づく電流が流れる期間）とするとその出力電圧は、
【数１】
2020114093.tif 000003
となる。ここで、ｎは、
【数２】
2020114093.tif 000004
であり、Ｎ1及びＮ2はトランスの巻き数である。式１より、フライバックコンバータの回路はデューティ比の大きさに応じて昇圧（ｎ＝１とするとＤ＞０．５のとき）及び降圧（ｎ＝１とするとＤ＜０．５）が可能な電源回路である。ここで昇圧とは入力電圧以上の出力電圧を出力することであり、降圧とは入力電圧以下の出力電圧を出力することである。
【０００６】
ところで通常、フライバックコンバータに用いられる変圧器やインダクタ（コイル）には、自己共振周波数と呼ばれる使用可能な周波数の上限が存在する。このため、スイッチング電源のスイッチング周波数の使用可能な周波数には上限があることになる。更に、制御信号のデューティ比が５０％から大きく外れると（つまり、デューティ比が０％及び１００％に近づくと）、制御信号には高い周波数成分が含まれる。このため、変圧器やインダクタ（コイル）を用いるスイッチング電源装置では、使用できるデューティ比にも上限（または下限）が存在する。フライバックコンバータの出力電圧を意味する式１は、理論的には０Ｖから無限大Ｖまでの出力電圧を出力できることを意味している。しかしながら、現実的には前述のように制御信号として使用可能なデューティ比が制限されるため、出力電圧範囲には上限及び下限が存在する。
【０００７】
高い昇圧比を得るものとしては、特許文献１に記載のＤＣ−ＤＣコンバータが知られている。このコンバータは、直流電源に直列に接続された第１コイルＬ1及びスイッチＳ１を備えている。また、一対の対向辺にそれぞれコンデンサＣ１、Ｃ２が、他の一対の対向辺にそれぞれダイオードＤ１、Ｄ２が前記電源に関して順方向に配置された四端子回路であって、対向頂点が上記スイッチＳ１の両端に接続された四端子回路を備える。更に、上記四端子回路の他の対向頂点に直列に第２コイルＬ2及びコンデンサＣ０が接続されたものである。
【０００８】
上記特許文献１に記載の回路では、スイッチＳ１オフ時には、コンデンサＣ１、Ｃ２がダイオードＤ１、Ｄ２を通して互いに並列に接続され、昇圧形コンバータと等価の構成となる。また、スイッチＳ１がオンすれば、Ｄ１、Ｄ２がコンデンサ電圧で逆バイアスされるためオフし、２つのコンデンサ電圧はスイッチＳ１を通して直列に接続されるため、（ｖC1＋ｖC2）の電圧で負荷の平滑コンデンサＣ０が充電され、従来の昇圧形コンバータに比較し、同じスイッチの通流率に対してより高い電圧が得られる。
【０００９】
また、特許文献２には、所定の電源電圧の直流電源から電力を受け、出力電圧が目標電圧より低いときに所定のパルス幅のパルスでトランジスタをスイッチングし出力電圧が目標電圧を超えているときにスイッチングを停止することにより出力電圧が目標電圧になるように制御するＤＣ／ＤＣコンバータが開示されている。
【００１０】
この特許文献２のＤＣ／ＤＣコンバータは、電源電圧と目標電圧との比に応じてデューティ比が決定されるパルスを発生する可変デューティパルス発生回路と、パルスを受けてＯＮしたときにこのパルスをトランジスタのスイッチングパルスとして出力するスイッチ回路と、出力電圧が目標電圧より低いときにスイッチ回路をＯＮさせる制御回路とを備えており、入力電圧のダイナミックレンジを広く採れ、かつ、電源電圧が変動しても追従性よく安定化できるものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００６−２７１１０１号公報
【特許文献２】特開２００２−２２３５６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本実施形態では、従来回路と同じデューティ比を有する制御信号を用いてスイッチングを行った場合に、昇圧時にはより大きな昇圧を行うことができ、また、降圧時にはより小さな電圧を得ることができるＤＣ／ＤＣコンバータを提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明に係るＤＣ／ＤＣコンバータは、入力電圧源に１次側ラインを介して接続された１次巻線と、出力端に繋がるコンデンサに２次側ラインを介して接続された２次巻線と、を備える変圧器と、前記１次側ラインに設けられ、この１次側ラインを接断する第１のスイッチと、前記２次側ラインに設けられ、この２次側ラインを接断する第２のスイッチと、前記入力電圧源を前記２次巻線に順接続しまた切り離す第３のスイッチと、前記第１のスイッチ、前記第２のスイッチ、前記第３のスイッチを制御して、昇圧モード、昇降圧モード、降圧モードを実現する制御回路とを具備することを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】フライバックコンバータの回路図。
【図２】本発明の実施形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータの回路図。
【図３】ブーストコンバータとバックコンバータを切り替えて動作させる電源回路の回路図。
【図４】Sepicコンバータの回路図。
【図５】本実施形態の回路の昇圧時の出力電圧と、図３と図４に示す回路の昇圧時の出力電圧を示す図。
【図６】本実施形態の回路の昇圧時の効率と、図３と図４に示す回路の昇圧時の効率を示す図。
【図７】本実施形態の回路の降圧時の出力電圧と、図３と図４に示す回路の降圧時の出力電圧を示す図。
【図８】本実施形態の回路の降圧時の効率と、図３と図４に示す回路の降圧時の効率を示す図。
【図９】本実施形態のＤＣ／ＤＣコンバータの回路変遷動作を示すフローチャート。
【図１０】本実施形態のＤＣ／ＤＣコンバータの要部構成を示すブロック図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、添付図面を参照して本発明に係るＤＣ／ＤＣコンバータの実施形態を説明する。図２に、本発明に係るＤＣ／ＤＣコンバータの実施形態の回路図を示す。本実施形態のＤＣ／ＤＣコンバータは、変圧器Ｔを有する。変圧器Ｔの１次巻線Ｌ1は、入力電圧源Ｖｉに１次側ライン１１、１２を介して接続されている。変圧器Ｔの２次巻線Ｌ2は、出力端に繋がるコンデンサＣに、２次側ライン２１を介して、また、２次側ライン２２と第２のスイッチＳ2を介して、接続される。この図２では、出力端に出力電流源Ｉoを接続した状態で示している。
【００１６】
上記１次側ライン１２には、この１次側ライン１２を接断する第１のスイッチＳ1が設けられている。また、上記のとおり、２次側ライン２２には上記第２のスイッチＳ2が接続されており、この第２のスイッチＳ2によって２次側ライン２２が接断される。更に、本実施形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータは、第３のスイッチＳ3を備えている。この第３のスイッチＳ3は、上記入力電圧源Ｖiを上記２次巻線Ｌ2に順接続し、また切り離す機能を有するものである。ここに、「順接続」とは、２次巻線Ｌ2に誘導される誘導起電力に対し、入力電圧源Ｖiの電圧が加わるように接続されることを意味する。
【００１７】
本実施形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータには、制御回路２０が備えられている。制御回路２０は、上記第１のスイッチＳ1、上記第２のスイッチＳ2、上記第３のスイッチＳ3を制御して、昇圧モード、昇降圧モード、降圧モードを実現する。制御回路２０は、外部からのダイヤルやスライドスイッチによる操作を受けて、スイッチＳ1〜Ｓ3のオンオフ間隔を変化させて、コンバータに入力電圧源Ｖiの電圧に基づく電流が流れる期間であるデューティ比を変更するものである。
【００１８】
＜昇降圧モード＞
昇降圧モードを説明する。この昇降圧モードでは、既に示したフライバックコンバータと同じく昇降圧動作（基本動作と言う）を行う。即ち、制御回路２０は、上記第３のスイッチＳ3を常時オフとし、上記第１のスイッチＳ1と上記第２のスイッチＳ2を相補的にオンオフして、昇降圧モードを実現する。
【００１９】
図１に示したフライバックコンバータの回路と比較すると、入力電圧源Ｖiのマイナス側が接地されている点と、第２のスイッチＳ2の位置が２次巻線Ｌ2の逆側（図１と比べて逆側）に移動している。しかしながら、何れの回路における第２のスイッチＳ2も、同じ変圧器Ｔの２次巻線Ｌ2と、コンデンサＣ及び出力端に繋がる図示しない負荷（図２では、負荷を出力電流源Ｉoとして示している。）により構成される並列回路とを結ぶ電流経路に位置するため、本実施形態においても第２のスイッチＳ2にオンオフ動作させることで図１に示した従来回路と同様の動作が行われる。即ち、本実施形態の回路は、昇降圧コンバータとして動作する。
【００２０】
このとき、出力電圧は図１に示した従来回路と同一であり、次に示す式３により表わすことが可能である。
【数３】
2020114093.tif 000005
本実施形態における昇降圧モードにおいても、デューティ比Ｄの大きさに応じて昇圧または降圧の動作を行うことができる。
【００２１】
＜昇圧モード＞
昇圧モードを説明する。このモードは、より大きな昇圧が必要となった場合を考える。例えば、上述の基本動作において大きな昇圧比が必要となった場合にはデューティ比が１００％に近付くことになる。本実施形態のモードは、基本動作において或る一定値以上のデューティ比となった場合に、モードを切り替えることによって、同一のデューティ比でより大きな昇圧を可能とするものである。例えば、基本動作のモードにて動作しているときに、制御回路２０へオペレータから「昇圧モード」への移行を指示する入力が行われる。
【００２２】
上記指示入力に応じて制御回路２０は、上記第２のスイッチＳ2を常時オフとし、上記第１のスイッチＳ1と上記第３のスイッチＳ3を相補的にオンオフして、昇圧モードを実現する。このような動作においては、第２のスイッチＳ2を常にオフとし第３のスイッチＳ3を用いることで、出力側（２次巻線Ｌ2側）のループに入力電圧源Ｖiが加わる。このため、このときの出力電圧は次の式４のようになる。
【００２３】
【数４】
2020114093.tif 000006
式３と式４を比較することにより明らかな通り、本実施形態における「昇圧モード」を選択することで、昇降圧モードにおける出力電圧よりも、入力電圧源Ｖiの電圧分高い出力電圧を得ることが可能となることが分かる。
【００２４】
＜降圧モード＞
降圧モードを説明する。このモードは、フライバックコンバータとしての動作より、より小さな出力電圧が必要となる場合に選択される。例えば、基本動作のモードにて動作しているときに、制御回路２０へオペレータから「降圧モード」への移行を指示する入力が行われる。
【００２５】
上記指示入力に応じて制御回路２０は、上記第１のスイッチＳ1を常時オフとし、上記第２のスイッチＳ2と上記第３のスイッチＳ3を相補的にオンオフして、降圧モードを実現する。この降圧モードでは、変圧器Ｔの２次巻線Ｌ2のみを用いた動作を行わせることができる。
【００２６】
第１のスイッチＳ1を常にオフとし、第３のスイッチＳ3をオンとし第２のスイッチＳ2をオフすると、２次巻線Ｌ2に電流が流れエネルギーの蓄積がなされる。次に、第３のスイッチＳ3をオフとし第２のスイッチＳ2をオンとすることにより、２次巻線Ｌ2に蓄積されたエネルギーに基づく上記と同じ方向に電流が第２のスイッチＳ2を介して、コンデンサＣ及び出力端に繋がる図示しない負荷（図２では、負荷を出力電流源Ｉoとして示している。）により構成される並列回路へ流れる。
【００２７】
この時の出力電圧は、
【数５】
2020114093.tif 000007
となる。式３と式５を比較することにより明らかな通り、本実施形態における「降圧モード」を選択することで、フライバックコンバータとして動作しているときに比べ、同一のデューティ比Ｄでより小さな出力電圧を出力することができる。
【００２８】
制御回路２０へ指示を与えることにより、昇圧モード、昇降圧モード、降圧モードのいずれかから、他のモードへ移行させることが可能である。以上の動作をまとめると、表１に示すようになる。
【００２９】
【表１】
2020114093.tif 000008
【００３０】
以上の通り、本実施形態では、従来ではできなかった３つのモードによる動作が可能である。即ち、昇圧モードによる昇圧動作が可能である（昇圧コンバータとして動作する）と共に、昇降圧モードによる昇降圧動作が可能であり（昇降圧コンバータとして動作する）、且つ、降圧モードによる降圧動作が可能である（降圧コンバータとして動作する）。
【００３１】
本実施形態によれば、昇降圧比が大きくなったとき（デューティ比が０％または１００％に近付いたとき）に、スイッチにより回路構成を変えることで出力電圧の範囲を拡大するものである。従来のフライバックコンバータと同一のデューティ比の制御電圧を用いて制御した場合には、従来のフライバックコンバータの場合に比べてより本実施形態では、高い電圧または低い電圧を出力することが可能となる。
【００３２】
以下、本実施形態の回路と、幾つかのＤＣ／ＤＣコンバータ回路とを比較して、本実施形態の回路の性能が優れていることを示すこととする。昇降圧型のコンバータとしては、既に図１に示したフライバックコンバータ、ブーストコンバータとバックコンバータを切り替えて動作させる図３に示す電源回路、図４に示すSepicコンバータを挙げることができる。
【００３３】
図３に示す構成の回路は、昇圧型のコンバータと降圧型のコンバータの組み合わせである。また、図１及び図４に示す構成の回路は、本質的に昇降圧型のコンバータである。図３に示す構成の回路は、ブーストコンバータとバックコンバータを切り替えて動作するため、デューティ比の変化に対して大きく出力電圧が変化する（出力電圧範囲が広い）。しかし、電流経路に常に２個以上のスイッチが存在する構成であるため、スイッチのオン抵抗が大きい場合にはスイッチにおける電圧降下が大きく、効率が低下する（＝出力電圧範囲が狭くなる）ことになる。
【００３４】
図１と図４に示す構成の回路は、昇降圧型であり、デューティ比が５０％のとき入力電圧と出力電圧は等しくなる。一方、デューティ比が０％及び１００％に近付くと、デューティ比の変化に対する出力電圧の変化が大きくなる。これによって、広い出力電圧範囲を実現するためには、０％及び１００％に近いデューティ比の制御信号が必要となる。また、図１及び図４に示す構成の回路のままでは、これ以上の出力電圧範囲の改善は難しいものである。
【００３５】
これまで図１及び図４のような昇降圧型のコンバータの出力電圧範囲（昇降圧比）を拡大する研究及び発明は、本願出願人の知る限り存在していない。昇圧時と降圧時のいずれの場合においても、出力電圧範囲を拡大できる点が本実施形態の特長である。
【００３６】
本実施形態の回路と上述の各構成の回路の出力電圧及び効率を、理論計算で比較することにする。即ち、上述の各構成の回路としては、図３に示すブーストコンバータとバックコンバータを切り替えて動作する電源回路（構成１）、図４に示すSepicコンバータ（構成２）、図１に示す従来のフライバックコンバータ（構成３）である。
【００３７】
図５に、本実施形態の回路と上述の各構成の回路の昇圧時の出力電圧を示す。このとき、
【数６】
2020114093.tif 000009
である。
また、本実施形態の回路において、ｎ＝１としている。同図には比較のために示されている各構成の回路においてもｎ＝１としている。ｎ＝１のフライバックコンバータ及びSepicコンバータの出力電圧は、約２．５Ｖが最大値であるが、本実施形態の回路では入力電圧０．５Ｖ分だけ加算された約３．０Ｖの出力電圧が得られている。
【００３８】
また、図６に、本実施形態の回路と上述の各構成の回路の効率を示す。ｎ＝１のフライバックコンバータ及びSepicコンバータは、デューティ比が０．５以上の範囲で昇圧動作し、デューティ比が０．５のときに最大効率０．８３を得る。これに対して、本実施形態の回路ではデューティ比が０以上の全ての範囲において昇圧動作し、効率はデューティ比が０．１のときに０．９５を超える。ｎ＝１のフライバックコンバータが昇圧する範囲におけるデューティ比の全域において、本実施形態の回路の効率は、ｎ＝１のフライバックコンバータの効率より優れていることが分かる。
【００３９】
尚、ｎ＝１のフライバックコンバータは、本実施形態の回路の昇降圧動作時の特性と等しいため、ｎ＝１のフライバックコンバータにおける図５及び図６に示されている結果は、本実施形態の回路の昇降圧動作時の特性となる。つまり、本実施形態の回路は制御を変えることにより、出力電圧範囲及び効率を改善可能であることを示している。
【００４０】
次に、本実施形態の回路の降圧動作時の出力電圧及び効率を確認する。図７に本実施形態の回路の降圧時の出力電圧を示す。この時、
【数７】
2020114093.tif 000010
とし、他の特性は昇圧時と等しいものとする。降圧時は本実施形態の回路の出力電圧は、ブーストコンバータとバックコンバータを切り替えて動作させる回路の出力電圧とほぼ等しく、デューティ比に比例した出力電圧が得られている。構成１に比べると本実施形態の回路の出力電圧は、スイッチ１個分の電圧降下分だけ損失の少ない出力電圧となっていることが分かる。
【００４１】
この降圧動作時の効率を図８に示す。ｎ＝１のフライバックコンバータ及びSepicコンバータがデューティ比０．５以下の範囲で降圧動作し、本実施形態の回路はデューティ比の全域において降圧動作をする。いずれの構成においても、出力電圧の入力電圧に対する割合（降圧比）が小さくなると効率は低下するが、ｎ＝１のフライバックコンバータ及びSepicコンバータのデューティ比０．５の時の効率が約０．９８であるのに対し、本実施形態の回路の効率は、デューティ比０．９の時に０．９９を超えている。本実施形態の回路の効率は、全ての出力範囲において通常のフライバックコンバータの効率を超えていることが分かる。
【００４２】
本実施形態を使用した場合の制御切り替えの原理の例を、以下に示す。通常の電源回路では、出力電圧の大きさを検出し動作を変更する手法が多く採用される。これに対し、本実施形態の回路では出力電圧の大小だけではなく、昇圧比または降圧比が大きくなった際に制御（前述の動作モード）を切り替えることができる。このため、出力電圧と入力電圧それぞれを観測し、その大きさを比較することで以下のような制御を行うことが可能である。
【００４３】
本実施形態の回路の制御のため、制御回路２０は、α：昇圧比のしきい値、β：降圧比のしきい値（いずれも正の定数）を備える。
（１）スタートアップ（スタート時には、昇降圧動作に設定）
（２）昇降圧型で動作（定常状態に達するまで待機）
（３）「出力電圧÷α」と「入力電圧」の大きさを比較
「出力電圧÷α」＞「入力電圧」の場合→昇圧動作へ移行
「出力電圧÷α」≦「入力電圧」の場合→昇降圧動作継続し（４）へ移行
（４）「入力電圧÷β」と「出力電圧」の大きさを比較
「入力電圧÷β」＞「出力電圧」の場合→降圧動作へ移行
「入力電圧÷β」≦「出力電圧」の場合→昇降圧動作継続し（３）へ移行
【００４４】
上記の動作をフローチャートとすると、図９に示すようになる。最初には、第３のスイッチＳ3を常時オフとし、上記第１のスイッチＳ1と上記第２のスイッチＳ2を相補的にオンオフするように昇降圧動作（つまり、昇降圧モード）を設定し、及び所望の出力電圧を得るための電圧値（従って、所望電圧を得るためのデューティ比）を設定する（Ｓ１１）。上記設定に基づき、コンバータを昇降圧動作させ、及び入力電圧と出力電圧の測定やデューティ比の測定を開始し（Ｓ１２）、定常状態となるのを待つ（Ｓ１３）。ここで、定常状態とは、例えば、１周期毎のデューティ比の変動が所定範囲に収まることと定義することができる。
【００４５】
上記ステップＳ１３で定常状態が検出されると、「出力電圧÷α」と「入力電圧」の大きさを比較し（Ｓ１４）、「出力電圧÷α」＞「入力電圧」であるか「出力電圧÷α」≦「入力電圧」であるかを検出する（Ｓ１５）。ここで、「出力電圧÷α」＞「入力電圧」であることが検出されると、第２のスイッチＳ2を常時オフとし、上記第１のスイッチＳ1と上記第３のスイッチＳ3を相補的にオンオフする昇圧動作（昇圧モード）へ移行する（Ｓ１６）。これによって、昇圧比が小さくなるような変動があった場合に昇圧動作へと移行することができる。
【００４６】
ステップＳ１６に続いて昇圧動作（昇圧モード）を継続しながらステップＳ１４へ進み、更にステップＳ１４からステップＳ１５へと移行して、「出力電圧÷α」＞「入力電圧」であるか「出力電圧÷α」≦「入力電圧」であるかを検出する。ここで、「出力電圧÷α」＞「入力電圧」であればステップＳ１６へ分岐する。このように、「出力電圧÷α」＞「入力電圧」である限り、ステップＳ１６→ステップ１７→ステップ１４→ステップＳ１５→ステップ１６とループし、昇圧動作が続けられる。
【００４７】
また、ステップＳ１５において、「出力電圧÷α」≦「入力電圧」であることが検出されると、現状の昇降圧動作を継続し（Ｓ１８）、次に「入力電圧÷β」と「出力電圧」の大きさを比較し（Ｓ１９）、「入力電圧÷β」＞「出力電圧」であるか、または、「入力電圧÷β」≦「出力電圧」であるかを検出する（Ｓ２０）。
【００４８】
このステップＳ２０において、「入力電圧÷β」＞「出力電圧」であることが検出されると、上記第１のスイッチＳ1を常時オフとし、上記第２のスイッチＳ2と上記第３のスイッチＳ3を相補的にオンオフする降圧動作（降圧モード）へ移行する（Ｓ２１）。これによって、降圧比が小さくなるような変動があった場合に降圧動作へと移行することができる。
【００４９】
ステップＳ２１に続いて降圧動作（降圧モード）を継続しながらステップＳ１９へ進み、更にステップＳ１９からステップＳ２０へと移行して、「入力電圧÷β」＞「出力電圧」であるか、または、「入力電圧÷β」≦「出力電圧」であるかを検出する。ここで、「入力電圧÷β」＞「出力電圧」であればステップＳ２１へ分岐する。このように、「入力電圧÷β」＞「出力電圧」である限り、ステップＳ２１→ステップ２２→ステップ１９→ステップＳ２０→ステップ２１とループし、降圧動作が続けられる。
【００５０】
また、ステップＳ２０において「入力電圧÷β」≦「出力電圧」であることが検出されると、現状の昇降圧動作を継続し、「出力電圧÷α」と「入力電圧」の大きさを比較するステップＳ１４の動作へと戻って処理を続ける。
【００５１】
以上のように、「出力電圧÷α」と「入力電圧」の大きさの比較は、「出力電圧／入力電圧」と閾値αの比較であるから昇圧比とその閾値αの比較ということができ、「入力電圧÷β」と「出力電圧」の大きさの比較は、「入力電圧／出力電圧」と閾値βの比較であるから降圧比とその閾値βの比較ということができる。
【００５２】
従って、制御回路２０は、図１０に示すように、出力電圧と入力電圧それぞれを検出する検出手段３１と、上記検出手段３１により検出された入力電圧と出力電圧の値と閾値を用いて昇降圧比とその閾値を比較する比較手段３２と、比較結果に応じて昇圧動作、降圧動作、昇降圧動作のいずれかに移行する動作移行制御手段３３を備えることができる。
【００５３】
以上のように本実施形態によれば、制御回路２０が或る出力電圧が得られるように指示する制御信号を受けて、デューティ比を変化させるスイッチング（ＰＷＭ制御）を行っている場合に、昇圧時には昇圧比が所定閾値を超えて低下すると、より大きな昇圧を行うことができる形態の回路（昇圧モード）へと回路構成を変動して適切な昇圧比において動作を行うことができ、また、降圧時には降圧比が所定閾値を超えて低下すると、より大きな降圧を行うことができる形態の回路（降圧モード）へと回路構成を変動して適切な降圧比において動作を行うができるものである。
【符号の説明】
【００５４】
１１、１２  １次側ライン
２０  制御回路
２１、２２  ２次側ライン
３１  検出手段
３２  比較手段
３３  動作移行制御手段
Ｔ  変圧器
Ｌ1  １次巻線
Ｌ2  ２次巻線
Ｓ1  第１のスイッチ
Ｓ2  第２のスイッチ
Ｓ3  第３のスイッチ
Ｖi  入力電圧源
Ｉo  出力電流源
【図１】
2020114093.tif 000011
【図２】
2020114093.tif 000012
【図３】
2020114093.tif 000013
【図４】
2020114093.tif 000014
【図５】
2020114093.tif 000015
【図６】
2020114093.tif 000016
【図７】
2020114093.tif 000017
【図８】
2020114093.tif 000018
【図９】
2020114093.tif 000019
【図１０】
2020114093.tif 000020