(57)【要約】  高圧側MOSFETおよび低圧側MOSFETを直列接続して平滑コンデンサ（Cs1）〜（CS4）の正負端子間に接続して構成する駆動用インバータ回路（Ａ１）と整流回路（Ａ２）〜（Ａ４）との３以上の回路を直列接続する。所定の１回路（Ａ１）と他の各回路（Ａ２）〜（Ａ４）との間に、それぞれコンデンサ（Cr）とインダクタ（Lr）とのＬＣ直列体（LC12）、（LC13）、（LC14）を共振周期を等しく設定して配設する。そして、コンデンサ（Cr）の充放電を利用したＤＣ／ＤＣ電力変換において、ＬＣ直列体（LC12）、（LC13）、（LC14）による共振現象を利用して変換効率を向上させると共に、装置構成の小型化を図る。
2008032424.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体スイッチング素子から成る高圧側素子および低圧側素子を直列接続して平滑コンデンサの正負端子間に接続して成る３以上の回路を直列に接続して、該複数の回路の内、所定の１回路と他の各回路との間にそれぞれエネルギ移行用のコンデンサを接続し、かつ、該コンデンサを充放電する経路にインダクタを配し、
上記複数の回路の内、所定の回路を駆動用インバータ回路に用い、他の回路を整流回路に用いて、上記コンデンサの充放電により直流／直流変換を行うことを特徴とするＤＣ／ＤＣ電力変換装置。
【請求項２】
上記各回路内の上記高圧側素子と上記低圧側素子との接続点を中間端子として、上記所定の１回路と他の各回路との間となる該中間端子間に、上記コンデンサと上記インダクタとの直列体をそれぞれ接続したことを特徴とする請求項１に記載のＤＣ／ＤＣ電力変換装置。
【請求項３】
上記各回路内の上記高圧側素子と上記低圧側素子との接続点を中間端子として、上記所定の１回路と他の各回路との間となる該中間端子間に上記コンデンサをそれぞれ接続し、上記高圧側素子および上記低圧側素子の接続線と上記平滑コンデンサの端子との間に上記インダクタをそれぞれ接続したことを特徴とする請求項１に記載のＤＣ／ＤＣ電力変換装置。
【請求項４】
上記駆動用インバータ回路内の上記各半導体スイッチング素子のオンオフ制御のための駆動用ゲート信号を生成する駆動用ゲート信号生成手段と、上記整流回路内の上記各半導体スイッチング素子のオンオフ制御のための整流用ゲート信号を、上記駆動用ゲート信号とは別に生成する整流用ゲート信号生成手段とを備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のＤＣ／ＤＣ電力変換装置。
【請求項５】
上記各コンデンサのコンデンサ容量と該各コンデンサの充放電経路内の上記各インダクタのインダクタンスとで決まる共振周期はそれぞれ等しく、
上記整流用ゲート信号は、上記駆動用ゲート信号の各パルスの立ち上がりタイミングから上記共振周期の１／２の期間の範囲内で発生されるパルスから成ることを特徴とする請求項４に記載のＤＣ／ＤＣ電力変換装置。
【請求項６】
上記整流用ゲート信号の各パルスは、上記駆動用ゲート信号のパルスと、立ち上がりタイミングが一致すると共に立ち下がりタイミングが所定時間早いことを特徴とする請求項５に記載のＤＣ／ＤＣ電力変換装置。
【請求項７】
上記整流用ゲート信号の各パルスは、パルス幅が上記共振周期の１／２と該一致することを特徴とする請求項５に記載のＤＣ／ＤＣ電力変換装置。
【請求項８】
上記整流回路に接続される上記コンデンサを流れる電流を検出する電流検出手段を備え、上記整流用ゲート信号生成手段は、上記電流検出手段による検出電流に応じて上記整流用ゲート信号を生成することを特徴とする請求項５に記載のＤＣ／ＤＣ電力変換装置。
【請求項９】
上記直流／直流変換は昇圧動作による電力変換であり、上記所定の１回路が上記駆動用インバータ回路であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のＤＣ／ＤＣ電力変換装置。
【請求項１０】
上記直流／直流変換は降圧動作による電力変換であり、上記所定の１回路以外の他の各回路が上記駆動用インバータ回路であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のＤＣ／ＤＣ電力変換装置。
【請求項１１】
上記所定の１回路は、両側が上記複数の回路内の他の回路に接続されて中間に位置することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のＤＣ／ＤＣ電力変換装置。
【請求項１２】
上記各半導体スイッチング素子は、ソース・ドレイン間に寄生ダイオードを有するパワーＭＯＳＦＥＴ、あるいはダイオードを逆並列に接続した半導体スイッチング素子であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のＤＣ／ＤＣ電力変換装置。
【請求項１３】
上記各回路は、該回路を動作させるための電源回路を備え、該各電源回路は、上記各回路内の平滑コンデンサからＤＣ／ＤＣコンバータを介して電力供給することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のＤＣ／ＤＣ電力変換装置。
【請求項１４】
上記平滑コンデンサの端子に接続される、該ＤＣ／ＤＣ電力変換装置の入出力用端子の対を複数組備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のＤＣ／ＤＣ電力変換装置。
【請求項１５】
半導体スイッチング素子から成る高圧側素子および低圧側素子を直列接続して平滑コンデンサの正負端子間に接続して成る駆動用インバータ回路と、ダイオード素子から成る高圧側素子および低圧側素子を直列接続して平滑コンデンサの正負端子間に接続して成る整流回路とによる３以上の回路を直列に接続して、該複数の回路の内、所定の１回路と他の各回路との間にそれぞれエネルギ移行用のコンデンサを接続し、かつ、該コンデンサを充放電する経路にインダクタを配し、
上記コンデンサの充放電により直流／直流変換を行うことを特徴とするＤＣ／ＤＣ電力変換装置。
【請求項１６】
上記各回路内の上記高圧側素子と上記低圧側素子との接続点を中間端子として、上記所定の１回路と他の各回路との間となる該中間端子間に、上記コンデンサと上記インダクタとの直列体をそれぞれ接続したことを特徴とする請求項１５に記載のＤＣ／ＤＣ電力変換装置。
【請求項１７】
上記各回路内の上記高圧側素子と上記低圧側素子との接続点を中間端子として、上記所定の１回路と他の各回路との間となる該中間端子間に上記コンデンサをそれぞれ接続し、上記高圧側素子および上記低圧側素子の接続線と上記平滑コンデンサの端子との間に上記インダクタをそれぞれ接続したことを特徴とする請求項１５に記載のＤＣ／ＤＣ電力変換装置。
【請求項１８】
上記各コンデンサのコンデンサ容量と該各コンデンサの充放電経路内の上記各インダクタのインダクタンスとで決まる共振周期はそれぞれ等しく設定されることを特徴とする請求項１５〜１７のいずれか１項に記載のＤＣ／ＤＣ電力変換装置。
【請求項１９】
上記直流／直流変換は昇圧動作による電力変換であり、上記所定の１回路が上記駆動用インバータ回路であることを特徴とする請求項１５〜１７のいずれか１項に記載のＤＣ／ＤＣ電力変換装置。
【請求項２０】
上記直流／直流変換は降圧動作による電力変換であり、上記所定の１回路以外の他の各回路が上記駆動用インバータ回路であることを特徴とする請求項１５〜１７のいずれか１項に記載のＤＣ／ＤＣ電力変換装置。
【請求項２１】
上記所定の１回路は、両側が上記複数の回路内の他の回路に接続されて中間に位置することを特徴とする請求項１５〜１７のいずれか１項に記載のＤＣ／ＤＣ電力変換装置。
【請求項２２】
上記各半導体スイッチング素子は、ソース・ドレイン間に寄生ダイオードを有するパワーＭＯＳＦＥＴ、あるいはダイオードを逆並列に接続した半導体スイッチング素子であることを特徴とする請求項１５〜１７のいずれか１項に記載のＤＣ／ＤＣ電力変換装置。
【請求項２３】
上記駆動用インバータ回路は、該回路を動作させるための電源回路を備え、該電源回路は、上記駆動用インバータ回路内の平滑コンデンサからＤＣ／ＤＣコンバータを介して電力供給することを特徴とする請求項１５〜１７のいずれか１項に記載のＤＣ／ＤＣ電力変換装置。
【請求項２４】
上記平滑コンデンサの端子に接続される、該ＤＣ／ＤＣ電力変換装置の入出力用端子の対を複数組備えることを特徴とする請求項１５〜１７のいずれか１項に記載のＤＣ／ＤＣ電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、直流電圧を昇圧あるいは降圧した直流電圧に変換する、ＤＣ／ＤＣ電力変換装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のＤＣ／ＤＣ電力変換装置としてのＤＣ／ＤＣコンバータは、正の電位に接続する半導体スイッチと負の電位に接続する半導体スイッチとを備えた少なくとも２個以上の半導体スイッチを具備するインバータ回路と、直列に接続される複数の整流器と直列に接続される複数のコンデンサとを備えた多倍圧整流回路で構成され、インバータ回路で交流電圧を作り、更に、多倍圧整流回路で高圧直流電圧を作り負荷に供給する（例えば、特許文献１参照）。【０００３】
また従来の別例によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置としてのスイッチトキャパシタコンバータは、インバータ回路と２倍圧整流回路とで構成され、コンデンサと直列にインダクタを接続し、ＬＣ共振現象を利用してコンデンサへの充放電電流を増大させ、大きな電力を移行しても効率の低下が少ない電力変換を実現している（例えば、非特許文献１参照）。【０００４】
【特許文献１】特開平９−１９１６３８号公報
【非特許文献１】出利葉史俊他：「共振形スイッチトキャパシタコンバータの制御特性」，信学技法，IEICE  Technical  Report，EE2005-62，pp7-12，2006年
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
これらの従来のＤＣ／ＤＣ電力変換装置では、インバータ回路と整流回路とを備え、コンデンサの充放電を利用して直流／直流電力変換を行うものであり、また、コンデンサと直列にインダクタを接続してＬＣ共振現象を利用すると高効率で大きな電力が移行できる。この場合、整流回路を複数個接続した多倍圧整流回路を用いると、コンデンサやインダクタの許容電流値を大きくする必要があり、装置構成の大型化を招くという問題点があった。【０００６】
この発明は、上記のような問題点を解消するために成されたものであって、インバータ回路と整流回路とから成る３以上の回路を備え、コンデンサの充放電を利用するＤＣ／ＤＣ電力変換装置において、コンデンサとインダクタとの共振現象を利用して変換効率を向上させると共に、装置構成の小型化を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
第１の発明によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置は、半導体スイッチング素子から成る高圧側素子および低圧側素子を直列接続して平滑コンデンサの正負端子間に接続して成る３以上の回路を直列に接続する。上記複数の回路の内、所定の１回路と他の各回路との間にそれぞれエネルギ移行用のコンデンサを接続し、かつ、該コンデンサを充放電する経路にインダクタを配す。そして、上記複数の回路の内、所定の回路を駆動用インバータ回路に用い、他の回路を整流回路に用いて、上記コンデンサの充放電により直流／直流変換を行うものである。【０００８】
第２の発明によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置は、半導体スイッチング素子から成る高圧側素子および低圧側素子を直列接続して平滑コンデンサの正負端子間に接続して成る駆動用インバータ回路と、ダイオード素子から成る高圧側素子および低圧側素子を直列接続して平滑コンデンサの正負端子間に接続して成る整流回路とによる３以上の回路を直列に接続する。上記複数の回路の内、所定の１回路と他の各回路との間にそれぞれエネルギ移行用のコンデンサを接続し、かつ、該コンデンサを充放電する経路にインダクタを配す。そして、上記コンデンサの充放電により直流／直流変換を行うものである。
【発明の効果】
【０００９】
この発明による第１、第２のＤＣ／ＤＣ電力変換装置は、駆動用インバータ回路と整流回路とによる３以上の回路を直列に接続して、所定の１回路と他の各回路との間にそれぞれコンデンサを接続すると共に該コンデンサを充放電する経路にインダクタを配する。このため、コンデンサとインダクタとの共振現象を利用して変換効率を向上できると共に、コンデンサおよびインダクタに流れる電流値を低減でき、各コンデンサおよび各インダクタの電流定格を低減して装置構成を小型化できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】この発明の実施の形態１によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置の主要部の回路構成を示す図である。
【図２】この発明の実施の形態１によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置のゲート信号生成部の回路構成を示す図である。
【図３】この発明の実施の形態１によるゲート信号および各部の電流波形を示す図である。
【図４】この発明の実施の形態２によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置のゲート信号生成部の回路構成を示す図である。
【図５】この発明の実施の形態２によるゲート信号および各部の電流波形を示す図である。
【図６】この発明の実施の形態３によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置のゲート信号生成部の回路構成を示す図である。
【図７】この発明の実施の形態４によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置の主要部の回路構成を示す図である。
【図８】この発明の実施の形態５によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置の主要部の回路構成を示す図である。
【図９】この発明の実施の形態６によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置の部分回路図である。
【図１０】この発明の実施の形態６の別例によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置の部分回路図である。
【図１１】この発明の実施の形態７によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置の主要部の回路構成を示す図である。
【図１２】この発明の実施の形態８によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置の主要部の回路構成を示す図である。
【図１３】この発明の実施の形態９によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置の主要部の回路構成を示す図である。
【図１４】この発明の実施の形態９によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置のゲート信号生成部の回路構成を示す図である。
【図１５】この発明の実施の形態１０によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置のゲート信号生成部の回路構成を示す図である。
【図１６】この発明の実施の形態１２によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置の主要部の回路構成を示す図である。
【図１７】この発明の実施の形態１３によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置の主要部の回路構成を示す図である。
【図１８】この発明の実施の形態１４によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置の主要部の回路構成を示す図である。
【図１９】この発明の実施の形態１４によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置のゲート信号生成部の回路構成を示す図である。
【図２０】この発明の実施の形態１５によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置のゲート信号生成部の回路構成を示す図である。
【図２１】この発明の実施の形態１６によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置の主要部の回路構成を示す図である。
【図２２】この発明の実施の形態１７によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置の主要部の回路構成を示す図である。
【図２３】この発明の実施の形態１８による各回路の電源Vskの構成を示す図である。
【図２４】この発明の実施の形態１８による電源Vskの各部の電圧波形を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置を図について説明する。図１、図２はこの発明の実施の形態１によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置の回路構成を示すもので、特に図１は主要部を示し、図２はゲート信号生成部を示す。
図１に示すように、ＤＣ／ＤＣ電力変換装置は、電圧端子VLとVcom間に入力された電圧V1を、約４倍に昇圧された電圧V2にして電圧端子VHとVcom間に出力する機能を有する。
ＤＣ／ＤＣ電力変換装置の主回路部は、入出力電圧V1、V2を平滑化し、またエネルギ移行のための電圧源としても機能する平滑コンデンサCs1、Cs2、Cs3、Cs4と、複数のMOSFETとを備え、低圧側素子、高圧側素子としての２つのMOSFET（Mos1L、Mos1H）（Mos2L、Mos2H）（Mos3L、Mos3H）（Mos4L、Mos4H）を直列接続して各平滑コンデンサCs1、Cs2、Cs3、Cs4の両端子間に接続した回路Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４を直列接続して構成される。そして、各回路Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４内の２つのMOSFETの接続点を中間端子として、所定の１回路となる回路Ａ１と他の各回路Ａ２、Ａ３、Ａ４との中間端子間に、コンデンサCr12、Cr13、Cr14およびインダクタLr12、Lr13、Lr14の直列体で構成されエネルギ移行素子として機能するＬＣ直列体LC12、LC13、LC14を接続する。
なお、各MOSFETは、ソース、ドレイン間に寄生ダイオードが形成されているパワーMOSFETである。【００１２】
主回路部の接続の詳細について説明する。平滑コンデンサCs1の両端子は、それぞれ電圧端子VLとVcomに接続され、電圧端子Vcomは接地されている。平滑コンデンサCs1のVL側電圧端子は、平滑コンデンサCs2の一方の端子に接続され、平滑コンデンサCs2の他方の端子は平滑コンデンサCs3の一方の端子に、平滑コンデンサCs3の他方の端子は平滑コンデンサCs4の一方の端子に、平滑コンデンサCs4の他方の端子は電圧端子VHに接続されている。
Mos1Lのソース端子は電圧端子Vcomに、ドレイン端子はMos1Hのソース端子に、Mos1Hのドレイン端子は電圧端子VLに接続されている。Mos2Lのソース端子は平滑コンデンサCs2の低電圧側の端子に、Mos2Lのドレイン端子はMos2Hのソース端子に、Mos2Hのドレイン端子は平滑コンデンサCs2の高電圧側の端子に接続されている。Mos3Lのソース端子は平滑コンデンサCs3の低電圧側の端子に、Mos3Lのドレイン端子はMos3Hのソース端子に、Mos3Hのドレイン端子は平滑コンデンサCs3の高電圧側の端子に接続されている。Mos4Lのソース端子は平滑コンデンサCs4の低電圧側の端子に、Mos4Lのドレイン端子はMos4Hのソース端子に、Mos4Hのドレイン端子は平滑コンデンサCs4の高電圧側の端子に接続されている。【００１３】
ＬＣ直列体LC12の一端は、Mos1LとMos1Hの接続点に接続され、他端はMos2LとMos2Hの接続点に接続されている。ＬＣ直列体LC13の一端は、Mos1LとMos1Hの接続点に接続され、他端はMos3LとMos3Hの接続点に接続されている。ＬＣ直列体LC14の一端は、Mos1LとMos1Hの接続点に接続され、他端はMos4LとMos4Hの接続点に接続されている。各段のインダクタLrとコンデンサCrのインダクタンス値と容量値から定まる共振周期の値は、それぞれ等しくなるように設定されている。【００１４】
Mos1L、Mos1Hのゲート端子はゲート駆動回路111の出力端子に接続され、ゲート駆動回路111の入力端子には、Mos1Lのソース端子の電圧を基準としたそれぞれのゲート駆動信号が入力される。ゲート駆動回路は、一般的なブートストラップ方式の駆動回路であり、ハーフブリッジインバータ回路駆動用のドライバICや高電圧側のMOSFETを駆動するためのコンデンサ等で構成されている。Mos2L、Mos2Hのゲート端子はゲート駆動回路112の出力端子に接続され、ゲート駆動回路112の入力端子には、Mos2Lのソース端子の電圧を基準としたそれぞれのゲート駆動信号が入力される。Mos3L、Mos3Hのゲート端子はゲート駆動回路113の出力端子に接続され、ゲート駆動回路113の入力端子には、Mos3Lのソース端子の電圧を基準としたそれぞれのゲート駆動信号が入力される。Mos4L、Mos4Hのゲート端子はゲート駆動回路114の出力端子に接続され、ゲート駆動回路114の入力端子には、Mos4Lのソース端子の電圧を基準としたそれぞれのゲート駆動信号が入力される。【００１５】
Mos1L駆動用のゲート駆動信号はフォトカプラ121Lから、Mos1H駆動用のゲート駆動信号はフォトカプラ121Hから出力される。フォトカプラ121L、121Hには、ゲート信号Gate1L、Gate1Hが入力される。Mos2L駆動用のゲート駆動信号はフォトカプラ122Lから、Mos2H駆動用のゲート駆動信号はフォトカプラ122Hから出力される。フォトカプラ122L、122Hには、ゲート信号Gate2L、Gate2Hが入力される。Mos3L駆動用のゲート駆動信号はフォトカプラ123Lから、Mos3H駆動用のゲート駆動信号はフォトカプラ123Hから出力される。フォトカプラ123L、123Hには、ゲート信号Gate3L、Gate3Hが入力される。Mos4L駆動用のゲート駆動信号はフォトカプラ124Lから、Mos4H駆動用のゲート駆動信号はフォトカプラ124Hから出力される。フォトカプラ124L、124Hには、ゲート信号Gate4L、Gate4Hが入力される。
電源Vs1、Vs2、Vs3、Vs4は、それぞれMos1L、Mos2L、Mos3L、Mos4Lのソース端子を基準とした、MOSFET、ゲート駆動回路、フォトカプラを駆動するために備えられた電源である。【００１６】
回路Ａ１は、電圧端子VL−Vcom間に入力されるエネルギを、MOSFET（Mos1L、Mos1H）のオンオフ動作により高電圧側に送る駆動用インバータ回路に用いられる。また、回路Ａ２、Ａ３、Ａ４は、駆動用インバータ回路Ａ１で駆動された電流を整流し、エネルギを高電圧側へ移行する整流回路として用いられる。
図２に示すように、ゲート信号Gate1L、Gate1H、Gate2L、Gate2H、Gate3L、Gate3H、Gate4L、Gate4Hは、ゲート信号生成部となる制御回路１３にて生成される。制御回路１３には、駆動用インバータ回路Ａ１を駆動するための駆動用ゲート信号Gate1L、Gate1Hを生成する駆動用ゲート信号生成部130Aと、整流回路Ａ２、Ａ３、Ａ４を駆動するための整流用ゲート信号Gate2L、Gate2H、Gate3L、Gate3H、Gate4L、Gate4Hを生成する整流用ゲート信号生成部130Bを有している。この場合、マイクロコンピュータ等の信号処理回路において、駆動用ゲート信号および整流用ゲート信号を生成している。【００１７】
次に動作について説明する。
平滑コンデンサCs1、Cs2、Cs3、Cs4の容量値は、ＬＣ直列体のコンデンサCr12、Cr13、Cr14の容量値と比較して十分大きな値に設定される。
上述したように、電圧端子VL−Vcom間に入力された電圧V1を、約４倍に昇圧された電圧V2にして電圧端子VH−Vcom間に出力するため、電圧端子VH−Vcom間に負荷が接続され、電圧V2は4×V1よりも低い値となっている。定常状態では、平滑コンデンサCs1には電圧V1の電圧が充電されており、平滑コンデンサCs2、Cs3、Cs4には平均的に(V2-V1)/3の電圧が充電されている。【００１８】
駆動用ゲート信号Gate1L、Gate1Hと、整流用ゲート信号Gate2L、Gate2H、Gate3L、Gate3H、Gate4L、Gate4Hと、駆動用インバータ回路Ａ１および整流回路Ａ２〜Ａ４内の高圧側MOSFET（Mos1H、Mos2H〜Mos4H）に流れる電流と低圧側MOSFET（Mos1L、Mos2L〜Mos4L）に流れる電流とを図３に示す。駆動用インバータ回路Ａ１内のMOSFETではドレインからソースに電流が流れ、整流回路Ａ２〜Ａ４内のMOSFETではソースからドレインに電流が流れる。MOSFETはゲート信号がハイ電圧でオンする。
図３に示すように、駆動用ゲート信号Gate1H、Gate1Lは、LrとCrによるＬＣ直列体LC12、LC13、LC14にて定まる共振周期よりもやや大きな周期Ｔでデューティー約50％のオンオフ信号である。なお、ｔは共振周期の1/2の期間を示し、１ａ、１ｂは駆動用ゲート信号Gate1H、Gate1Lのパルス（以下、駆動用パルスと称す）である。【００１９】
整流回路Ａ２、Ａ３、Ａ４内の高圧側MOSFETへの整流用ゲート信号Gate2H、Gate3H、Gate4H、および低圧側MOSFETへの整流用ゲート信号Gate2L、Gate3L、Gate4Lは、駆動用ゲート信号Gate1H、Gate1Lの各駆動用パルス１ａ、１ｂの立ち上がりタイミングから期間ｔの範囲内で発生されるパルス（以下、整流用パルス２ａ、２ｂと称す）から成るオンオフ信号である。ここでは、整流用パルス２ａ、２ｂは、駆動用パルス１ａ、１ｂと立ち上がりタイミングが一致すると共に立ち下がりタイミングが所定時間τH、τL早いものとする。【００２０】
低圧側MOSFETへのゲート信号の駆動用パルス１ｂおよび整流用パルス２ｂにより各回路Ａ１〜Ａ４の低圧側MOSFETであるMos1L、Mos2L、Mos3L、Mos4Lがオン状態となると、電圧差があるため、平滑コンデンサCs1、Cs2、Cs3に蓄えられた一部のエネルギが、以下に示す経路でコンデンサCr12、Cr13、Cr14に移行する。なお、Mos2L、Mos3L、Mos4Lでは、整流用パルス２ｂがオフ状態の時もMOSFETの寄生ダイオードによりソースからドレインに電流が流れるため、ＬＣ直列体LC12、LC13、LC14の共振周期の1/2の期間ｔで電流３ｂが流れ、その後寄生ダイオードの逆流防止機能により電流が遮断される。
Cs1⇒Mos2L⇒Lr12⇒Cr12⇒Mos1L
Cs1⇒Cs2⇒Mos3L⇒Lr13⇒Cr13⇒Mos1L
Cs1⇒Cs2⇒Cs3⇒Mos4L⇒Lr14⇒Cr14⇒Mos1L【００２１】
次いで、高圧側MOSFETへのゲート信号の駆動用パルス１ａおよび整流用パルス２ａにより各回路Ａ１〜Ａ４の高圧側MOSFETであるMos1H、Mos2H、Mos3H、Mos4Hがオン状態となると、電圧差があるため、コンデンサCr12、Cr13、Cr14に充電されたエネルギが、以下に示す経路で平滑コンデンサCs2、Cs3、Cs4に移行する。なお、Mos2H、Mos3H、Mos4Hでは、整流用パルス２ａがオフ状態の時もMOSFETの寄生ダイオードによりソースからドレインに電流が流れるため、ＬＣ直列体LC12、LC13、LC14の共振周期の1/2の期間ｔで電流３ａが流れ、その後寄生ダイオードの逆流防止機能により電流が遮断される。
Cr12⇒Lr12⇒Mos2H⇒Cs2⇒Mos1H
Cr13⇒Lr13⇒Mos3H⇒Cs3⇒Cs2⇒Mos1H
Cr14⇒Lr14⇒Mos4H⇒Cs4⇒Cs3⇒Cs2⇒Mos1H【００２２】
このように、コンデンサCr12、Cr13、Cr14の充放電により、平滑コンデンサCs1から平滑コンデンサCs2、Cs3、Cs4にエネルギを移行する。そして、電圧端子VLとVcom間に入力された電圧V1を、約４倍に昇圧された電圧V2にして電圧端子VHとVcom間に出力する。また、各コンデンサCr12、Cr13、Cr14には、インダクタLr12、Lr13、Lr14が直列に接続されてＬＣ直列体LC12、LC13、LC14を構成するため、上記エネルギの移行は共振現象を利用したものとなり、大きなエネルギ量を効率よく移行できる。【００２３】
また、この実施の形態では、平滑コンデンサCs1の両端子に入力端子となる低電圧側の電圧端子VL、Vcomが接続された駆動用インバータ回路Ａ１と整流回路である他の各回路Ａ２、Ａ３、Ａ４との間に、ＬＣ直列体LC12、LC13、LC14を接続した。
この実施の形態におけるＬＣ直列体LC12、LC13、LC14に流れる電流値をI12、I13、I14とし、コンデンサCr12、Cr13、Cr14の電圧をV12、V13、V14とする。そして、比較例として、隣接する回路間、即ちＡ１、Ａ２間、Ａ２、Ａ３間、Ａ３、Ａ４間で中間端子（低圧側MOSFETと高圧側MOSFETとの接続点）間に、ＬＣ直列体LC12、LC23、LC34を接続して、同様に動作させた場合を考える。この比較例におけるＬＣ直列体LC12、LC23、LC34に流れる電流値をI12r、I23r、I34rとし、ＬＣ直列体LC12、LC23、LC34内のコンデンサCr12、Cr23、Cr34の電圧をV12r、V23r、V34rとすると、【００２４】
比較例において
I12r：I23r：I34r＝３：２：１
V12r＝V23r＝V34r
であるのに対し、この実施の形態では、
I12＝I13＝I14（＝I34r）
V12：V13：V14＝１：２：３  （V12＝V12r＝V23r＝V34r）
となる。
このように、この実施の形態では、回路Ａ１と他の各回路Ａ２、Ａ３、Ａ４との中間端子間にＬＣ直列体LC12、LC13、LC14を接続したため、上記比較例に比べて、コンデンサCr12、Cr13、Cr14の電圧は増大するものであるが、ＬＣ直列体LC12を流れる電流値を1/3に、また高圧側が回路Ａ３に接続されるＬＣ直列体LC13では、比較例のＬＣ直列体LC23を流れる電流値の1/2に低減できる。即ち、各ＬＣ直列体LC12、LC13、LC14を流れる電流値を最小のものと等しくできる。このため、エネルギ移行用のＬＣ直列体LC12、LC13、LC14のインダクタLr、コンデンサCrの電流定格を低下させ、インダクタLrとコンデンサCrを小形化することができる。【００２５】
またこの実施の形態では、整流回路Ａ２〜Ａ４にMOSFETを用いたため、ダイオードを用いたものに比して導通損失が低減でき、電力変換の効率が向上できる。
また、整流回路Ａ２〜Ａ４のMOSFETは、駆動用インバータ回路Ａ１のMOSFETと同時にオン状態とし、期間ｔの範囲内で駆動用インバータ回路Ａ１のMOSFETより早くオフ状態とする。整流回路Ａ２〜Ａ４のMOSFETのオン期間を該MOSFETの導通期間ｔと一致させると導通損失を最小にできるが、上記のようにMOSFETのオン状態を早く終了させても、寄生ダイオードを介して導通するためその期間もエネルギは移行でき、また制御に係る遅延などによる問題を回避でき、信頼性が向上する。【００２６】
また整流用パルス２ａ、２ｂを、各駆動用パルス１ａ、１ｂの立ち上がりタイミングから期間ｔの範囲内で発生させるため、ＬＣ直列体LC12、LC13、LC14の共振周期の1/2の期間ｔで電流が流れた後、電流は遮断され逆流しない。電流の逆流が発生すると、エネルギの移行量が減少するだけではなく、所望の電力を得るためにはより多くの電流を流す必要があり、損失が増大し電力変換効率が悪化する。この実施の形態では、このような電流の逆流を防止するため、ＬＣ直列体LC12、LC13、LC14の共振現象を効果的に利用でき、しかもMOSFETを用いたことで導通損失が低減できるため、変換効率の高いＤＣ／ＤＣ電力変換装置が実現できる。
また、制御回路１３に、駆動用ゲート信号生成部130Aと整流用ゲート信号生成部130Bとを有して、駆動用ゲート信号Gate1L、Gate1Hと整流用ゲート信号Gate2L、Gate2H、Gate3L、Gate3H、Gate4L、Gate4Hとを別々に生成する様にしたため、整流回路Ａ２〜Ａ４のMOSFETを駆動用インバータ回路Ａ１のMOSFETとは別に容易に制御でき、上述した所望の動作を確実に実現でき、変換効率の高いＤＣ／ＤＣ電力変換装置が確実に実現できる。【００２７】
実施の形態２．
上記実施の形態１では、電圧V1を、約４倍の電圧V2に昇圧する昇圧形のＤＣ／ＤＣ電力変換装置について示したが、この実施の形態では、電圧V2から電圧V1に降圧する降圧形のＤＣ／ＤＣ電力変換装置について示す。
この実施の形態によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置の回路構成の主要部は図１で示す回路構成と同様であるが、この場合、回路Ａ２、Ａ３、Ａ４を駆動用インバータ回路に、回路Ａ１を整流回路に用いる。また、ゲート信号生成部である制御回路13aは、上記実施の形態１とは異なり、図４に示す。
図４に示すように、ゲート信号Gate1L、Gate1H、Gate2L、Gate2H、Gate3L、Gate3H、Gate4L、Gate4Hは、制御回路13aにて生成される。制御回路13aには、駆動用インバータ回路Ａ２、Ａ３、Ａ４を駆動するための駆動用ゲート信号Gate2L、Gate2H、Gate3L、Gate3H、Gate4L、Gate4Hを生成する駆動用ゲート信号生成部130Aと、整流回路Ａ１を駆動するための整流用ゲート信号Gate1L、Gate1Hを生成する整流用ゲート信号生成部130Bを有している。なお、この実施の形態においてもマイクロコンピュータ等の信号処理回路において、駆動用ゲート信号および整流用ゲート信号を生成している。【００２８】
次に動作について説明する。
平滑コンデンサCs1、Cs2、Cs3、Cs4の容量値は、ＬＣ直列体のコンデンサCr12、Cr13、Cr14の容量値と比較して十分大きな値に設定される。
電圧端子VH−Vcom間に入力された電圧V2を、約1/4倍に降圧された電圧V1にして電圧端子VL−Vcom間に出力するため、電圧端子VL−Vcom間に負荷が接続され、電圧V2は4×V1よりも高い値となっている。
駆動用ゲート信号Gate2L、Gate2H、Gate3L、Gate3H、Gate4L、Gate4Hと、整流用ゲート信号Gate1L、Gate1Hと、駆動用インバータ回路Ａ２〜Ａ４および整流回路Ａ１内の高圧側MOSFET（Mos2H〜Mos4H、Mos1H）に流れる電流と低圧側MOSFET（Mos2L〜Mos4L、Mos1L）に流れる電流とを図５に示す。駆動用インバータ回路Ａ２〜Ａ４内のMOSFETではドレインからソースに電流が流れ、整流回路Ａ１内のMOSFETではソースからドレインに電流が流れる。MOSFETはゲート信号がハイ電圧でオンする。【００２９】
図５に示すように、駆動用ゲート信号Gate2L、Gate2H、Gate3L、Gate3H、Gate4H、Gate4Lは、LrとCrによるＬＣ直列体LC12、LC13、LC14にて定まる共振周期２ｔよりもやや大きな周期Ｔでデューティー約50％のオンオフ信号である。なお、１ｃ、１ｄは駆動用ゲート信号Gate2L、Gate2H、Gate3L、Gate3H、Gate4L、Gate4Hのパルス（以下、駆動用パルスと称す）である。
整流回路Ａ１内の高圧側MOSFETへの整流用ゲート信号Gate1Hおよび低圧側MOSFETへの整流用ゲート信号Gate1Lは、各駆動用パルス１ｃ、１ｄの立ち上がりタイミングから期間ｔの範囲内で発生されるパルス（以下、整流用パルス２ｃ、２ｄと称す）から成るオンオフ信号である。ここでは、整流用パルス２ｃ、２ｄは、駆動用パルス１ｃ、１ｄと立ち上がりタイミングが一致すると共に立ち下がりタイミングが所定時間τH、τL早いものとする。【００３０】
高圧側MOSFETへのゲート信号の駆動用パルス１ｃおよび整流用パルス２ｃにより各回路Ａ２〜Ａ４、Ａ１の高圧側MOSFETであるMos2H、Mos3H、Mos4H、Mos1Hがオン状態となると、電圧差があるため、平滑コンデンサCs2、Cs3、Cs4に蓄えられた一部のエネルギが、以下に示す経路でコンデンサCr12、Cr13、Cr14に移行する。なお、Mos1Hでは、整流用パルス２ｃがオフ状態の時もMOSFETの寄生ダイオードによりソースからドレインに電流が流れるため、ＬＣ直列体LC12、LC13、LC14の共振周期の1/2の期間ｔで電流３ｃが流れ、その後寄生ダイオードの逆流防止機能により電流が遮断される。
Cs2⇒Cs3⇒Cs4⇒Mos4H⇒Lr14⇒Cr14⇒Mos1H
Cs2⇒Cs3⇒Mos3H⇒Lr13⇒Cr13⇒Mos1H
Cs2⇒Mos2H⇒Lr12⇒Cr12⇒Mos1H【００３１】
次いで、低圧側MOSFETへのゲート信号の駆動用パルス１ｄおよび整流用パルス２ｄにより各回路Ａ２〜Ａ４、Ａ１の低圧側MOSFETであるMos2L、Mos3L、Mos4L、Mos1Lがオン状態となると、電圧差があるため、コンデンサCr12、Cr13、Cr14に充電されたエネルギが、以下に示す経路で平滑コンデンサCs1、Cs2、Cs3に移行する。なお、Mos1Lでは、整流用パルス２ｄがオフ状態の時もMOSFETの寄生ダイオードによりソースからドレインに電流が流れるため、ＬＣ直列体LC12、LC13、LC14の共振周期の1/2の期間ｔで電流３ｄが流れ、その後寄生ダイオードの逆流防止機能により電流が遮断される。
Cr14⇒Lr14⇒Mos4L⇒Cs3⇒Cs2⇒Cs1⇒Mos1L
Cr13⇒Lr13⇒Mos3L⇒Cs2⇒Cs1⇒Mos1L
Cr12⇒Lr12⇒Mos2L⇒Cs1⇒Mos1L【００３２】
このように、コンデンサCr12、Cr13、Cr14の充放電により、平滑コンデンサCs2、Cs3、Cs4から平滑コンデンサCs1にエネルギを移行する。そして、電圧端子VHとVcom間に入力された電圧V2を、約1/4倍に降圧された電圧V1にして電圧端子VLとVcom間に出力する。また、各コンデンサCr12、Cr13、Cr14には、インダクタLr12、Lr13、Lr14が直列に接続されてＬＣ直列体LC12、LC13、LC14を構成するため、上記エネルギの移行は共振現象を利用したものとなり、大きなエネルギ量を効率よく移行できる。【００３３】
また、この実施の形態では、平滑コンデンサCs1の両端子に入力端子となる低電圧側の電圧端子VL、Vcomが接続された整流回路Ａ１と駆動用インバータ回路である他の各回路Ａ２、Ａ３、Ａ４との間に、ＬＣ直列体LC12、LC13、LC14を接続した。そして、この実施の形態においても、上記実施の形態１で示した比較例、即ち、隣接する回路間に、ＬＣ直列体LC12、LC23、LC34を接続して、同様に動作させた場合と比較して、ＬＣ直列体LC12を流れる電流値を1/3に、また高圧側が回路Ａ３に接続されるＬＣ直列体LC13では、比較例のＬＣ直列体LC23を流れる電流値の1/2に低減できる。即ち、各ＬＣ直列体LC12、LC13、LC14を流れる電流値を最小のものと等しくできる。このため、エネルギ移行用のＬＣ直列体LC12、LC13、LC14のインダクタLr、コンデンサCrの電流定格を低下させ、インダクタLrとコンデンサCrを小形化することができる。【００３４】
また、この実施の形態では、整流回路Ａ１にMOSFETを用いたため、ダイオードを用いたものに比して導通損失が低減でき、電力変換の効率が向上できる。
また、整流回路Ａ１のMOSFETは、駆動用インバータ回路Ａ２〜Ａ４のMOSFETと同時にオン状態とし、期間ｔの範囲内で駆動用インバータ回路Ａ２〜Ａ４のMOSFETより早くオフ状態とする。整流回路Ａ１のMOSFETのオン期間を該MOSFETの導通期間ｔと一致させると導通損失を最小にできるが、上記のようにMOSFETのオン状態を早く終了させても、寄生ダイオードを介して導通するためその期間もエネルギは移行でき、また制御に係る遅延などによる問題を回避でき、信頼性が向上する。【００３５】
また整流用パルス２ｃ、２ｄを、各駆動用パルス１ｃ、１ｄの立ち上がりタイミングから期間ｔの範囲内で発生させるため、ＬＣ直列体LC12、LC13、LC14の共振周期の1/2の期間ｔで電流が流れた後、電流は遮断され逆流しない。このため、ＬＣ直列体LC12、LC13、LC14の共振現象を効果的に利用でき、しかもMOSFETを用いたことで導通損失が低減できるため、変換効率の高いＤＣ／ＤＣ電力変換装置が実現できる。
また、制御回路13aに、駆動用ゲート信号生成部130Aと整流用ゲート信号生成部130Bとを有して、駆動用ゲート信号Gate2L、Gate2H、Gate3L、Gate3H、Gate4L、Gate4Hと整流用ゲート信号Gate1L、Gate1Hとを別々に生成する様にしたため、整流回路Ａ１のMOSFETを駆動用インバータ回路Ａ２〜Ａ４のMOSFETとは別に容易に制御でき、上述した所望の動作を確実に実現でき、変換効率の高いＤＣ／ＤＣ電力変換装置が確実に実現できる。【００３６】
実施の形態３．
上記実施の形態１ではV1⇒V2の昇圧形ＤＣ／ＤＣ電力変換装置について示し、上記実施の形態２ではV2⇒V1の降圧形ＤＣ／ＤＣ電力変換装置について示したが、この実施の形態では、上記実施の形態１、２の機能を併せ持って双方向のエネルギ移行を実現する昇降圧形のＤＣ／ＤＣ電力変換装置について示す。
この実施の形態によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置の回路構成の主要部は、上記実施の形態１、２と同様に図１で示す回路構成のもので、この場合、昇圧時には回路Ａ１を駆動用インバータ回路に、回路Ａ２、Ａ３、Ａ４を整流回路に用い、降圧時には回路Ａ２、Ａ３、Ａ４を駆動用インバータ回路に、回路Ａ１を整流回路に用いる。また、ゲート信号生成部である制御回路13bは、上記実施の形態１、２とは異なり、図６で示す回路構成である。【００３７】
図６に示すように、制御回路13bには、電圧端子Vcom、VL、VHの電圧が入力され、ゲート信号Gate1L、Gate1H、Gate2L、Gate2H、Gate3L、Gate3H、Gate4L、Gate4Hが生成されて出力される。入力された各端子電圧によりV1、V2（V1：VL−Vcom、V2：VH-Vcom）を求めて、V1×４＞V2の場合、昇圧モードと認識して上記実施の形態１で示したようにゲート信号を出力し、V1×４＜V2の場合、降圧モードと認識して上記実施の形態２で示したようにゲート信号を出力する。
このように制御される昇降圧形のＤＣ／ＤＣ電力変換装置では、上記実施の形態１、２と同様の効果が得られると共に、１つの回路で双方向のエネルギ移行を実現でき広く利用できる。【００３８】
実施の形態４．
次に、この発明の実施の形態４による昇圧形のＤＣ／ＤＣ電力変換装置を図について説明する。図７はこの発明の実施の形態４によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置の主要部の回路構成を示す図である。
図７に示すように、上記実施の形態１の場合と同様に、電圧端子VLとVcom間に入力された電圧V1を、約４倍に昇圧された電圧V2にして電圧端子VHとVcom間に出力するもので、図１で示した回路構成に電流検出手段としての電流センサCT2、CT3、CT4を備える。
電流センサCT2は、Mos2LとMos2Hの接続点とＬＣ直列体LC12との間の配線に配置されて、Mos2LとMos2Hの接続点からの電流を検出する。電流センサCT3は、Mos3LとMos3Hの接続点とＬＣ直列体LC13との間の配線に配置されて、Mos3LとMos3Hの接続点からの電流を検出する。電流センサCT4は、Mos4LとMos4Hの接続点とＬＣ直列体LC14との間の配線に配置されて、Mos4LとMos4Hの接続点からの電流を検出する。【００３９】
この実施の形態においても、上記実施の形態１と同様に、回路Ａ１は、電圧端子VL−Vcom間に入力されるエネルギを、MOSFET（Mos1L、Mos1H）のオンオフ動作により高電圧側に送る駆動用インバータ回路に用いられる。また、回路Ａ２、Ａ３、Ａ４は、駆動用インバータ回路Ａ１で駆動された電流を整流し、エネルギを高電圧側へ移行する整流回路として用いられる。
この場合、ゲート信号生成部の図示は省略するが、駆動用ゲート信号Gate1L、Gate1Hを生成する制御回路と、コンパレータを備えて整流用ゲート信号Gate2L、Gate2H、Gate3L、Gate3H、Gate4L、Gate4Hを生成する回路とを備える。【００４０】
駆動用ゲート信号Gate1L、Gate1Hは、上記実施の形態１と同様に、ＬＣ直列体LC12、LC13、LC14にて定まる共振周期２ｔよりもやや大きな周期Ｔでデューティー約50％のオンオフ信号である。整流用ゲート信号Gate2L、Gate2Hは、電流センサCT2の出力信号を閾値電圧VtL、VtHと比較して生成される。即ち、Mos2LとMos2Hの接続点からの電流が正方向に流れるとき整流用パルスを発生させてMos2Lをオンさせ、電流が負方向に流れるとき整流用パルスを発生させてMos2Hをオンさせる。これにより、各Mos2L、Mos2Hは寄生ダイオードが導通する期間でオンすることになる。整流回路Ａ３、Ａ４の場合も、整流回路Ａ２の場合と同様で、電流センサCT3、CT4の出力信号を閾値電圧VtL、VtHと比較して生成される。なお、閾値電圧VtL、VtHは、電流センサCT2〜CT4により正あるいは負方向の電流が検出できる程度の電圧に設定する。【００４１】
このようなゲート信号Gate1L、Gate1H、Gate2L、Gate2H、Gate3L、Gate3H、Gate4L、Gate4Hにより、上記実施の形態１と同様の電流経路で電流が流れ、コンデンサCr12、Cr13、Cr14の充放電により、平滑コンデンサCs1から平滑コンデンサCs2、Cs3、Cs4にエネルギを移行する。そして、電圧端子VLとVcom間に入力された電圧V1を、約４倍に昇圧された電圧V2にして電圧端子VHとVcom間に出力する。【００４２】
この実施の形態では、整流回路Ａ２〜Ａ４の高圧側MOSFETと低圧側MOSFETの接続点からの出力電流を検出する電流センサCT2、CT3、CT4を設け、検出電流に応じて整流用ゲート信号Gate2L、Gate2H、Gate3L、Gate3H、Gate4L、Gate4Hを生成するため、整流回路Ａ２〜Ａ４の各MOSFETは寄生ダイオードが導通する期間でオンさせることができる。このため、ゲート信号における整流用パルスを、各駆動用パルスの立ち上がりタイミングからＬＣ直列体LC12、LC13、LC14の共振周期の1/2の期間ｔの範囲内で確実に発生させることができる。そして期間ｔで電流が流れた後、電流は遮断され逆流しない。このため、ＬＣ直列体LC12、LC13、LC14の共振現象を効果的に利用でき、しかも整流回路Ａ２〜Ａ４にMOSFETを用いたことで導通損失が低減できるため、変換効率の高いＤＣ／ＤＣ電力変換装置が実現できる。
なお、閾値電圧VtL、VtHを適切に設定することで、整流用パルスをMOSFETの導通期間ｔと概一致させることができ、導通損失を最小にできる。【００４３】
また、この実施の形態においても、駆動用ゲート信号Gate1L、Gate1Hと整流用ゲート信号Gate2L、Gate2H、Gate3L、Gate3H、Gate4L、Gate4Hとを別々に生成する様にしたため、整流回路Ａ２〜Ａ４のMOSFETを駆動用インバータ回路Ａ１のMOSFETとは別に容易に制御でき、上述した所望の動作を確実に実現でき、変換効率の高いＤＣ／ＤＣ電力変換装置が確実に実現できる。【００４４】
上記実施の形態４では、整流回路Ａ２〜Ａ４の高圧側MOSFETと低圧側MOSFETの接続点からの出力電流を検出したが、電流センサCT2〜CT4の検出電流は、整流回路Ａ２〜Ａ４に接続される各コンデンサCr12〜Cr14に流れる電流とほぼ一致する。このため、上記実施の形態４では、電流センサCT2〜CT4を用いて整流回路Ａ２〜Ａ４に接続される各コンデンサCr12〜Cr14に流れる電流を検出し、この検出電流に応じて整流回路Ａ２〜Ａ４の検出された整流用ゲート信号を生成する、と言うことができる。【００４５】
実施の形態５．
この実施の形態５では、上記実施の形態２と同様に、電圧V2から約1/4倍の電圧V1に降圧する降圧形のＤＣ／ＤＣ電力変換装置について示す。この実施の形態によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置の回路構成の主要部を図８に示す。
図８に示すように、図１で示した回路構成に電流検出手段としての電流センサCT1を備える。この場合、回路Ａ２〜Ａ４を駆動用インバータ回路に、回路Ａ１を整流回路に用い、電流センサCT1は整流回路Ａ１の高圧側MOSFETと低圧側MOSFETの接続点からの出力電流を検出する。【００４６】
この場合、ゲート信号生成部の図示は省略するが、駆動用ゲート信号Gate2L、Gate2H、Gate3L、Gate3H、Gate4L、Gate4Hを生成する制御回路と、コンパレータを備えて整流用ゲート信号Gate1L、Gate1Hを生成する回路とを備える。
駆動用ゲート信号Gate2L、Gate2H、Gate3L、Gate3H、Gate4L、Gate4Hは、上記実施の形態２と同様に、ＬＣ直列体LC12、LC13、LC14にて定まる共振周期２ｔよりもやや大きな周期でデューティー約50％のオンオフ信号である。整流用ゲート信号Gate1L、Gate1Hは、電流センサCT1の出力信号を閾値電圧VtL、VtHと比較して生成される。即ち、Mos1LとMos1Hの接続点からの電流が正方向に流れるとき整流用パルスを発生させてMos1Lをオンさせ、電流が負方向に流れるとき整流用パルスを発生させてMos1Hをオンさせる。これにより、各Mos1L、Mos1Hは寄生ダイオードが導通する期間でオンすることになる。なお、閾値電圧VtL、VtHは、電流センサCT1により正あるいは負方向の電流が検出できる程度の電圧に設定する。【００４７】
このようなゲート信号Gate1L、Gate1H、Gate2L、Gate2H、Gate3L、Gate3H、Gate4L、Gate4Hにより、上記実施の形態２と同様の電流経路で電流が流れ、コンデンサCr12、Cr13、Cr14の充放電により、平滑コンデンサCs2、Cs3、Cs4から平滑コンデンサCs1にエネルギを移行する。そして、電圧端子VHとVcom間に入力された電圧V2を、約1/4倍に降圧された電圧V1にして電圧端子VLとVcom間に出力する。【００４８】
この実施の形態では、整流回路Ａ１の高圧側MOSFETと低圧側MOSFETの接続点からの出力電流を検出する電流センサCT1を設け、検出電流に応じて整流用ゲート信号Gate1L、Gate1Hを生成するため、整流回路Ａ１のMOSFETは寄生ダイオードが導通する期間でオンさせることができる。このため、ゲート信号における整流用パルスを、各駆動用パルスの立ち上がりタイミングからＬＣ直列体LC12、LC13、LC14の共振周期の1/2の期間ｔの範囲内で確実に発生させることができる。そして期間ｔで電流が流れた後、電流は遮断され逆流しない。このため、ＬＣ直列体LC12、LC13、LC14の共振現象を効果的に利用でき、しかも整流回路Ａ１にMOSFETを用いたことで導通損失が低減できるため、変換効率の高いＤＣ／ＤＣ電力変換装置が実現できる。
なお、閾値電圧VtL、VtHを適切に設定することで、整流用パルスをMOSFETの導通期間ｔと概一致させることができ、導通損失を最小にできる。【００４９】
また、この実施の形態においても、駆動用ゲート信号Gate2L、Gate2H、Gate3L、Gate3H、Gate4L、Gate4Hと整流用ゲート信号Gate1L、Gate1Hとを別々に生成する様にしたため、整流回路Ａ１のMOSFETを駆動用インバータ回路Ａ２〜Ａ４のMOSFETとは別に容易に制御でき、上述した所望の動作を確実に実現でき、変換効率の高いＤＣ／ＤＣ電力変換装置が確実に実現できる。【００５０】
また、上記実施の形態５では、整流回路Ａ１の高圧側MOSFETと低圧側MOSFETの接続点からの出力電流を検出したが、電流センサCT1の検出電流と各コンデンサCr12〜Cr14に流れる電流とは、振幅値は異なるが位相はほぼ一致している。このため、整流回路Ａ１に接続されるコンデンサCr12〜Cr14に流れる電流を電流センサCT1の出力から検出することができ、上記実施の形態５と同様に整流回路Ａ１の整流用ゲート信号を生成することで、同様の効果が得られる。【００５１】
なお、上記実施の形態４ではV1⇒V2の昇圧形ＤＣ／ＤＣ電力変換装置について示し、上記実施の形態５ではV2⇒V1の降圧形ＤＣ／ＤＣ電力変換装置について示したが、図１で示した回路構成に電流検出手段としての電流センサCT1、CT2、CT3、CT4を備え、上記実施の形態４、５の機能を併せ持つ双方向のエネルギ移行を実現することもできる。この場合、検出電流を用いて昇圧動作用の整流用ゲート信号を生成する回路と降圧動作用の整流用ゲート信号を生成する回路とを備え、昇圧時と降圧時とでゲート信号を切り替える。【００５２】
また、上記実施の形態４、５では、高圧側MOSFETと低圧側MOSFETの接続点とＬＣ直列体との間の配線に電流センサを配置して電流を検出しているが、各MOSFETを流れる電流を電流センサにより検出してもよい。【００５３】
実施の形態６．
上記実施の形態４、５では、各回路Ａ１〜Ａ４の中間端子（高圧側MOSFETと低圧側MOSFETの接続点）からの出力電流を電流センサCT1〜CT4により検出し、検出電流に応じて整流用ゲート信号を生成したが、この実施の形態では、エネルギ移行用のコンデンサCrに流れる電流を直接検出する。
上述したように、各ＬＣ直列体LC12、LC13、LC14は、回路Ａ１と他の回路との間で中間端子間に接続されているため、各コンデンサCrに流れる電流と上記実施の形態４での電流センサCT2〜CT4の検出電流とはほぼ一致し、上記実施の形態５での電流センサCT1の検出電流とは振幅値は異なるが位相はほぼ一致している。このため、各コンデンサCrに流れる電流を検出し、この検出電流に応じて上記実施の形態４、５と同様に整流用ゲート信号を生成することができる。【００５４】
図９は、この実施の形態によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置の部分回路図で、例えば、ＬＣ直列体LC12のコンデンサCr12に流れる電流を検出するための回路を示す。
図に示すように、コンデンサCr12の回路Ａ２側の電圧を分圧して取り出した電圧Vaと、回路Ａ１側の電圧を分圧して取り出した電圧Vbの差電圧を微分することにより、コンデンサCr12に流れる電流を検出する。検出された電流信号は、信号CT12sigとして出力される。
このように出力される電流信号CT12sigに基づいて、上記実施の形態４、５での電流センサCT1〜CT4の出力信号と同様に整流用ゲート信号を生成することができ、同様の効果が得られる。【００５５】
上記実施の形態６では、コンデンサCrに流れる電流を検出したが、インダクタLrに流れる電流を検出しても良い。なお、コンデンサCrの電流とインダクタLrの電流は、どちらもＬＣ直列体に流れる電流で同じである。例えば、ＬＣ直列体LC12のインダクタLr12に流れる電流を検出するための回路を図１０に示す。
図に示すように、インダクタLr12の回路Ａ２側の電圧を分圧して取り出した電圧Vcと、回路Ａ１側の電圧を分圧して取り出した電圧Vdの差電圧を積分することにより、インダクタLr12に流れる電流を検出する。検出された電流信号は、信号CT12sigとして出力される。そして、上記実施の形態６と同様に整流用ゲート信号を生成することができ、同様の効果が得られる。【００５６】
なお、上記実施の形態では、ＬＣ直列体LC12に流れる電流の検出について説明したが、他のＬＣ直列体LC13、LC14を流れる電流も同様に検出でき、この電流信号に基づいて整流用ゲート信号を生成することができる。【００５７】
実施の形態７．
次に、この発明の実施の形態７によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置を図について説明する。図１１はこの発明の実施の形態７によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置の回路構成を示す。
この実施の形態７では、電圧端子VLとVcom間の電圧V1から電圧端子VHとVcom間の電圧V2へエネルギを移行する昇圧形のＤＣ／ＤＣ電力変換装置について示す。上記実施の形態１と同様に、電圧V2は電圧V1の約４倍となっており、V1は50V、V2は約200Vとする。【００５８】
この実施の形態では図１１に示すように、図１で示した上記実施の形態１によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置における回路Ａ１〜Ａ４の替わりに、回路A1a〜A4aを用い、回路A1aは回路Ａ１と同様の構成、回路A2a〜A4aは、２つのMOSFET（Mos2L、Mos2H）（Mos3L、Mos3H）（Mos4L、Mos4H）をそれぞれダイオード（Di2L、Di2H）（Di3L、Dis3H）（Di4L、Di4H）に置き換えている。即ち、駆動用インバータ回路A1aは、低圧側素子、高圧側素子としての２つのMOSFET（Mos1L、Mos1H）を直列接続して平滑コンデンサCs1の両端子間に接続して構成される。また整流回路A2a〜A4aは、低圧側素子、高圧側素子としてのそれぞれ２つのダイオード（Di2L、Di2H）（Di3L、Di3H）（Di4L、Di4H）を直列接続して各平滑コンデンサCs2、Cs3、Cs4の両端子間に接続して構成される。これに伴い、MOSFETを駆動するためのゲート駆動回路111、フォトカプラ121H、121L、電源Vs1、ゲート信号Gate1H、Gate1Lは、MOSFET（Mos1L、Mos1H）に対するもの以外は削除され、この場合、制御回路から駆動用ゲート信号Gate1H、Gate1Lのみが出力される。その他の構成は、図１で示した上記実施の形態１と同じである。【００５９】
次に、動作について説明する。
平滑コンデンサCs1、Cs2、Cs3、Cs4の容量値は、ＬＣ直列体LC12、LC13、LC14のコンデンサCrの容量値と比較して十分大きな値に設定される。電圧端子VL−Vcom間に入力された電圧V1を、約４倍に昇圧された電圧V2にして電圧端子VH−Vcom間に出力するため、電圧端子VH−Vcom間に負荷が接続され、電圧V2は4×V1よりも低い値となっている。定常状態では、平滑コンデンサCs1には電圧V1の電圧が充電されており、平滑コンデンサCs2、Cs3、Cs4には平均的に(V2-V1)/3の電圧が充電されている。
駆動用インバータ回路A1aは、電圧端子VL−Vcom間に入力されるエネルギを、MOSFET（Mos1L、Mos1H）のオンオフ動作により高電圧側に送り、整流回路A2a〜A4aは、駆動用インバータ回路A1aで駆動された電流を整流し、エネルギを高電圧側へ移行する。【００６０】
駆動用ゲート信号Gate1H、Gate1Lは、上記実施の形態１と同様に生成されるが、上記実施の形態１では整流回路内のMOSFETを流れていた電流が、この実施の形態では整流回路A2a〜A4a内のダイオードを流れるため、導通損失が発生するものであるが、上記実施の形態１と同様の昇圧動作により、ＬＣ直列体LC12、LC13、LC14の共振現象を効果的に利用でき、変換効率の高いＤＣ／ＤＣ電力変換装置が実現できる。
また、各ＬＣ直列体LC12、LC13、LC14に流れる電流I12、I13、I14も上記実施の形態１の場合とほぼ同様である。即ち、この実施の形態においても、上記実施の形態１と同様に、駆動用インバータ回路A1aと他の各整流回路A2a〜A4aとの中間端子間にＬＣ直列体LC12、LC13、LC14を接続したため、エネルギ移行用のＬＣ直列体LC12、LC13、LC14に流れる電流を低減でき、各ＬＣ直列体LC12、LC13、LC14内のインダクタLr、コンデンサCrの電流定格を低減でき、インダクタLrとコンデンサCrを小形化することができる。【００６１】
実施の形態８．
次に、この発明の実施の形態８によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置を図について説明する。図１２はこの発明の実施の形態８によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置の回路構成を示す。
この実施の形態８では、電圧端子VH、Vcom間の電圧V2から電圧端子VL、Vcom間の電圧V1へエネルギを移行する降圧形のＤＣ／ＤＣ電力変換装置について示す。上記実施の形態２と同様に、電圧V2は電圧V1の約４倍となっており、V1は50V、V2は約200Vとする。
この実施の形態では図１２に示すように、図１で示した上記実施の形態２によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置における回路Ａ１〜Ａ４の替わりに、回路A1b〜A4bを用い、回路A2b〜A4bは回路Ａ２〜Ａ４と同様の構成、回路A1bは、２つのMOSFET（Mos1L、Mos1H）をそれぞれダイオード（Di1L、Di1H）に置き換えている。即ち、駆動用インバータ回路A2b〜A4bは、低圧側素子、高圧側素子としてのそれぞれ２つのMOSFETを直列接続して平滑コンデンサCs2、Cs3、Cs4の両端子間に接続して構成される。また整流回路A1bは、低圧側素子、高圧側素子としての２つのダイオード（Di1L、Di1H）を直列接続して平滑コンデンサCs1の両端子間に接続して構成される。これに伴い、図１における回路Ａ１内のMOSFETを駆動するためのゲート駆動回路111、フォトカプラ121H、121L、電源Vs1、ゲート信号Gate1H、Gate1Lは削除され、この場合、制御回路から駆動用ゲート信号Gate2H〜Gate4H、Gate2L〜Gate4Lのみが出力される。その他の構成は、図１で示した上記実施の形態２と同じである。【００６２】
駆動用ゲート信号Gate2H〜Gate4H、Gate2L〜Gate4Lは、上記実施の形態２と同様に生成されるが、上記実施の形態２では整流回路内のMOSFETを流れていた電流が、この実施の形態では整流回路A1b内のダイオードを流れるため、導通損失が発生するものであるが、上記実施の形態２と同様の降圧動作により、ＬＣ直列体LC12、LC13、LC14の共振現象を効果的に利用でき、変換効率の高いＤＣ／ＤＣ電力変換装置が実現できる。
また、各ＬＣ直列体LC12、LC13、LC14に流れる電流I12、I13、I14も上記実施の形態２の場合とほぼ同様である。即ち、この実施の形態においても、上記実施の形態２と同様に、整流回路A1bと他の各駆動用インバータ回路A2b〜A4bとの中間端子間にＬＣ直列体LC12、LC13、LC14を接続したため、エネルギ移行用のＬＣ直列体LC12、LC13、LC14に流れる電流を低減でき、各ＬＣ直列体LC12、LC13、LC14内のインダクタLr、コンデンサCrの電流定格を低減でき、インダクタLrとコンデンサCrを小形化することができる。【００６３】
実施の形態９．
次に、この発明の実施の形態９によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置を説明する。図１３、図１４はこの発明の実施の形態９によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置の回路構成を示すもので、特に図１３は主要部を示し、図１４はゲート信号生成部を示す。
この実施の形態９では、電圧端子VLとVcom間に入力された電圧V1を、約４倍に昇圧された電圧V2にして電圧端子VHhとVHl間に出力する機能を有する昇圧形のＤＣ／ＤＣ電力変換装置について示す。電圧V2は電圧V1の約４倍となっており、ここではV1は50V、V2は約200Vとする。【００６４】
図１３に示すように、図１にて示した上記実施の形態１における回路Ａ１〜Ａ４とMOSFETおよび平滑コンデンサの構成が同じ回路Ａ１〜Ａ４を用い、回路間に配設されるＬＣ直列体および電圧端子の接続構成を異なるものとしている。即ち、低電圧側の正極電圧端子VLは平滑コンデンサCs3とCs4の接続点に接続され、接地された低電圧側の負極電圧端子Vcomは平滑コンデンサCs2とCs3の接続点に接続されている。また、高電圧側の正極電圧端子VHhは平滑コンデンサCs4の高電圧側端子に接続され、高電圧側の負極電圧端子VHlは平滑コンデンサCs1の低電圧側端子に接続されている。
そして、所定の１回路となる回路Ａ３と他の各回路Ａ１、Ａ２、Ａ４との中間端子間に、コンデンサCr13、Cr23、Cr34およびインダクタLr13、Lr23、Lr34の直列体で構成されエネルギ移行素子として機能するＬＣ直列体LC13、LC23、LC34を接続する。各段のインダクタLrとコンデンサCrのインダクタンス値と容量値から定まる共振周期の値は、それぞれ等しくなるように設定されている。
なお、各MOSFETは、ソース、ドレイン間に寄生ダイオードが形成されているパワーMOSFETである。【００６５】
回路Ａ３は、電圧端子VL−Vcom間に入力されるエネルギを、MOSFET（Mos3L、Mos3H）のオンオフ動作により高電圧側と低電圧側に送る駆動用インバータ回路に用いられる。また、回路Ａ１、Ａ２、Ａ４は、駆動用インバータ回路Ａ３で駆動された電流を整流し、エネルギを移行する整流回路として用いられる。
図１４に示すように、ゲート信号Gate1L、Gate1H、Gate2L、Gate2H、Gate3L、Gate3H、Gate4L、Gate4Hは、ゲート信号生成部となる制御回路13cにて生成される。制御回路13cには、駆動用インバータ回路Ａ３を駆動するための駆動用ゲート信号Gate3L、Gate3Hを生成する駆動用ゲート信号生成部130Aと、整流回路Ａ１、Ａ２、Ａ４を駆動するための整流用ゲート信号Gate1L、Gate1H、Gate2L、Gate2H、Gate4L、Gate4Hを生成する整流用ゲート信号生成部130Bを有している。この場合、マイクロコンピュータ等の信号処理回路において、駆動用ゲート信号および整流用ゲート信号を生成している。【００６６】
次に動作について説明する。
平滑コンデンサCs1、Cs2、Cs3、Cs4の容量値は、ＬＣ直列体のコンデンサCr13、Cr23、Cr34の容量値と比較して十分大きな値に設定される。
上述したように、電圧端子VL−Vcom間に入力された電圧V1を、約４倍に昇圧された電圧V2にして電圧端子VHh−VHl間に出力するため、電圧端子VHh−VHl間に負荷が接続され、電圧V2は4×V1よりも低い値となっている。定常状態では、平滑コンデンサCs3には電圧V1の電圧が充電されており、平滑コンデンサCs1、Cs2、Cs4には平均的に(V2-V1)/3の電圧が充電されている。【００６７】
駆動用ゲート信号Gate3L、Gate3Hは、上記実施の形態１の駆動用ゲート信号Gate1L、Gate1Hと同様に、LrとCrによるＬＣ直列共振にて定まる共振周期２ｔよりもやや大きな周期Ｔでディーティー約50％のオンオフ信号である。また、整流用ゲート信号Gate1L、Gate1H、Gate2L、Gate2H、Gate4L、Gate4Hの各パルスは、上記実施の形態１における整流用ゲート信号Gate2L、Gate2H、Gate3L、Gate3H、Gate4L、Gate4Hと同様に、駆動用ゲート信号の各パルスと立ち上がりが一致すると共に立ち下がりタイミングが所定時間τH、τL早くなっている（図３参照）。【００６８】
各回路Ａ１〜Ａ４の低圧側MOSFETであるMos1L、Mos2L、Mos3L、Mos4Lがオン状態となると、電圧差があるため、平滑コンデンサCs3に蓄えられた一部のエネルギがコンデンサCr34に、コンデンサCr23、Cr13に充電されたエネルギが平滑コンデンサCs2、Cs1に、以下に示す経路で移行する。なお、Mos1L、Mos2L、Mos4Lでは、整流用パルスがオフ状態の時もMOSFETの寄生ダイオードによりソースからドレインに電流が流れるため、ＬＣ直列体LC13、LC23、LC34の共振周期の1/2の期間ｔで電流が流れ、その後寄生ダイオードの逆流防止機能により電流が遮断される。
Cs3⇒Mos4L⇒Lr34⇒Cr34⇒Mos3L
Cr23⇒Lr23⇒Mos3L⇒Cs2⇒Mos2L
Cr13⇒Lr13⇒Mos3L⇒Cs2⇒Cs1⇒Mos1L【００６９】
次いで、各回路Ａ１〜Ａ４の高圧側MOSFETであるMos1H、Mos2H、Mos3H、Mos4Hがオン状態となると、電圧差があるため、コンデンサCr34に充電されたエネルギが平滑コンデンサCs4に、平滑コンデンサCs2、Cs3に蓄えられた一部のエネルギがコンデンサCr13、Cr23に、以下に示す経路で移行する。なお、Mos1H、Mos2H、Mos4Hでは、整流用パルスがオフ状態の時もMOSFETの寄生ダイオードによりソースからドレインに電流が流れるため、ＬＣ直列体LC13、LC23、LC34の共振周期の1/2の期間ｔで電流が流れ、その後寄生ダイオードの逆流防止機能により電流が遮断される。
Cr34⇒Lr34⇒Mos4H⇒Cs4⇒Mos3H
Cs3⇒Mos3H⇒Lr23⇒Cr23⇒Mos2H
Cs2⇒Cs3⇒Mos3H⇒Lr13⇒Cr13⇒Mos1H【００７０】
このように、コンデンサCr13、Cr23、Cr34の充放電により、平滑コンデンサCs3から平滑コンデンサCs1、Cs2、Cs4にエネルギを移行する。そして、電圧端子VLとVcom間に入力された電圧V1を、約４倍に昇圧された電圧V2にして電圧端子VHhとVHl間に出力する。また、各コンデンサCr13、Cr23、Cr34には、インダクタLr13、Lr23、Lr34が直列に接続されてＬＣ直列体LC13、LC23、LC34を構成するため、上記エネルギの移行は共振現象を利用したものとなり、大きなエネルギ量を効率よく移行できる。【００７１】
また、この実施の形態では、平滑コンデンサCs1の両端子に入力端子となる低電圧側の電圧端子VL、Vcomが接続された駆動用インバータ回路Ａ３と整流回路である他の各回路Ａ１、Ａ２、Ａ４との間に、ＬＣ直列体LC13、LC23、LC34を接続した。このため、上記実施の形態１と同様に、各ＬＣ直列体LC13、LC23、LC34を流れる電流値を最小のものと等しくして、該電流値を低減できる。このため、エネルギ移行用のＬＣ直列体LC13、LC23、LC34のインダクタLr、コンデンサCrの電流定格を低減でき、インダクタLrとコンデンサCrを小形化することができる。【００７２】
また、上記実施の形態１では、低電圧側電圧端子VL、Vcomを平滑コンデンサCs1の両端子に接続したが、この実施の形態では、他の回路に挟まれた中間に位置する回路Ａ３の平滑コンデンサCs3の両端子に接続して、電圧V1を平滑コンデンサCs3の端子間に入力する。上記実施の形態１におけるＬＣ直列体LC12、LC13、LC14のコンデンサCr12、Cr13、Cr14の電圧をV12r、V13r、V14rとし、この実施の形態におけるＬＣ直列体LC13、LC23、LC34のコンデンサCr13、Cr23、Cr34の電圧をV13、V23、V34とすると、
V12r：V13r：V14r＝１：２：３
V34：V13：V23＝１：２：１
V34＝V23＝V12r
となる。
このように、低電圧側電圧端子VL、Vcomを他の回路に挟まれた中間に位置する回路Ａ３の平滑コンデンサCs3の両端子に接続することで、この実施の形態のコンデンサCr23の電圧は、実施の形態１のコンデンサCr14の電圧の1/3となる。このように、ＬＣ直列体LC13、LC23、LC34のコンデンサCr13、Cr23、Cr34の電圧を低減することにより、上記実施の形態１よりもコンデンサCr13、Cr23、Cr34の電圧定格を低下させ、コンデンサをさらに小型化できる。【００７３】
また、この実施の形態では、整流回路Ａ１、Ａ２、Ａ４にMOSFETを用いたため、ダイオードを用いたものに比して導通損失が低減でき、電力変換の効率が向上できる。
また、整流回路Ａ１、Ａ２、Ａ４のMOSFETは、駆動用インバータ回路Ａ３のMOSFETと同時にオン状態とし、期間ｔの範囲内で駆動用インバータ回路Ａ３のMOSFETより早くオフ状態とする。整流回路Ａ１、Ａ２、Ａ４のMOSFETのオン期間を該MOSFETの導通期間ｔと一致させると導通損失を最小にできるが、上記のようにMOSFETのオン状態を早く終了させても、寄生ダイオードを介して導通するためその期間もエネルギは移行でき、また制御に係る遅延などによる問題を回避でき、信頼性が向上する。
また整流用ゲート信号を、駆動用ゲート信号の立ち上がりタイミングから期間ｔの範囲内で発生させるため、ＬＣ直列体LC13、LC23、LC34の共振周期の1/2の期間ｔで電流が流れた後、電流は遮断され逆流しない。このため、ＬＣ直列体LC13、LC23、LC34の共振現象を効果的に利用でき、しかもMOSFETを用いたことで導通損失が低減できるため、変換効率の高いＤＣ／ＤＣ電力変換装置が実現できる。【００７４】
また、制御回路13cに、駆動用ゲート信号生成部130Aと整流用ゲート信号生成部130Bとを有して、駆動用ゲート信号Gate3L、Gate3Hと整流用ゲート信号Gate1L、Gate1H、Gate2L、Gate2H、Gate4L、Gate4Hとを別々に生成する様にしたため、整流回路Ａ１、Ａ２、Ａ４のMOSFETを駆動用インバータ回路Ａ３のMOSFETとは別に容易に制御でき、上述した所望の動作を確実に実現でき、変換効率の高いＤＣ／ＤＣ電力変換装置が確実に実現できる。【００７５】
なお、この実施の形態９では、駆動用インバータ回路Ａ３のゲート信号と整流回路Ａ１、Ａ２、Ａ４のゲート信号を制御回路13cにおいて生成したが、上記実施の形態４〜６のように、コンデンサCrに流れる電流を検出して整流回路Ａ１、Ａ２、Ａ４のゲート信号を生成してもよい。【００７６】
実施の形態１０．
上記実施の形態９では、電圧V1を、約４倍の電圧V2に昇圧する昇圧形のＤＣ／ＤＣ電力変換装置について示したが、この実施の形態では、電圧V2から電圧V1に降圧する降圧形のＤＣ／ＤＣ電力変換装置について示す。
この実施の形態によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置の回路構成の主要部は図１３で示す回路構成と同様であるが、この場合、回路Ａ１、Ａ２、Ａ４を駆動用インバータ回路に、回路Ａ３を整流回路に用いる。また、ゲート信号生成部である制御回路13dは、図１５に示す。なお、この場合、平滑コンデンサCs3の両端子に接続される電圧端子VL、Vcomは、平滑コンデンサCs3の端子間から電圧V1を出力する出力用端子となり、負荷が接続される。【００７７】
図１５に示すように、ゲート信号Gate1L、Gate1H、Gate2L、Gate2H、Gate3L、Gate3H、Gate4L、Gate4Hは、制御回路13dにて生成される。制御回路13dには、駆動用インバータ回路Ａ１、Ａ２、Ａ４を駆動するための駆動用ゲート信号Gate1L、Gate1H、Gate2L、Gate2H、Gate4L、Gate4Hを生成する駆動用ゲート信号生成部130Aと、整流回路Ａ３を駆動するための整流用ゲート信号Gate3L、Gate3Hを生成する整流用ゲート信号生成部130Bを有している。なお、この実施の形態においてもマイクロコンピュータ等の信号処理回路において、駆動用ゲート信号および整流用ゲート信号を生成している。【００７８】
次に動作について説明する。
平滑コンデンサCs1、Cs2、Cs3、Cs4の容量値は、ＬＣ直列体のコンデンサCr13、Cr23、Cr34の容量値と比較して十分大きな値に設定される。
電圧端子VHh−VHl間に入力された電圧V2を、約1/4倍に降圧された電圧V1にして電圧端子VL−Vcom間に出力するため、電圧端子VL−Vcom間に負荷が接続され、電圧V2は4×V1よりも高い値となっている。
駆動用ゲート信号Gate1L、Gate1H、Gate2L、Gate2H、Gate4L、Gate4Hは、LrとCrによるＬＣ直列共振にて定まる共振周期２ｔよりもやや大きな周期Ｔでディーティー約50％のオンオフ信号である。整流用ゲート信号Gate3L、Gate3Hは、駆動用ゲート信号と立ち上がりが一致すると共に立ち下がりタイミングが所定時間τＨ、τＬ早くなっている。【００７９】
各回路Ａ１〜Ａ４の高圧側MOSFETであるMos1H、Mos2H、Mos3H、Mos4Hがオン状態となると、電圧差があるため、平滑コンデンサCs4に蓄えられた一部のエネルギがコンデンサCr34に、コンデンサCr23、Cr13に充電されたエネルギが平滑コンデンサCs2、Cs3に、以下に示す経路で移行する。なお、Mos3Hでは、整流用パルスがオフ状態の時もMOSFETの寄生ダイオードによりソースからドレインに電流が流れるため、ＬＣ直列体LC13、LC23、LC34の共振周期の1/2の期間ｔで電流が流れ、その後寄生ダイオードの逆流防止機能により電流が遮断される。
Cs4⇒Mos4H⇒Lr34⇒Cr34⇒Mos3H
Cr23⇒Lr23⇒Mos3H⇒Cs3⇒Mos2H
Cr13⇒Lr13⇒Mos3H⇒Cs3⇒Cs2⇒Mos1H【００８０】
次いで、各回路Ａ１〜Ａ４の低圧側MOSFETであるMos1L、Mos2L、Mos3L、Mos4Lがオン状態となると、電圧差があるため、コンデンサCr34に充電されたエネルギが平滑コンデンサCs3に、平滑コンデンサCs1、Cs2に蓄えられた一部のエネルギがコンデンサCr13、Cr23に、以下に示す経路で移行する。なお、Mos3Lでは、整流用パルスがオフ状態の時もMOSFETの寄生ダイオードによりソースからドレインに電流が流れるため、ＬＣ直列体LC13、LC23、LC34の共振周期の1/2の期間ｔで電流が流れ、その後寄生ダイオードの逆流防止機能により電流が遮断される。
Cr34⇒Lr34⇒Mos4L⇒Cs3⇒Mos3L
Cs2⇒Mos3L⇒Lr23⇒Cr23⇒Mos2L
Cs1⇒Cs2⇒Mos3L⇒Lr13⇒Cr13⇒Mos1L【００８１】
このように、コンデンサCr13、Cr23、Cr34の充放電により、平滑コンデンサCs1、Cs2、Cs4から平滑コンデンサCs3にエネルギを移行する。そして、電圧端子VHhとVHl間に入力された電圧V2を、約1/4倍に降圧された電圧V1にして電圧端子VLとVcom間に出力する。また、各コンデンサCr13、Cr23、Cr34には、インダクタLr13、Lr23、Lr34が直列に接続されてＬＣ直列体を構成するため、上記エネルギの移行は共振現象を利用したものとなり、大きなエネルギ量を効率よく移行できる。【００８２】
また、この実施の形態においても、上記実施の形態９と同様に、各ＬＣ直列体LC13、LC23、LC34を流れる電流値を最小のものと等しくして、該電流値を低減できる。このため、エネルギ移行用のＬＣ直列体LC13、LC23、LC34のインダクタLr、コンデンサCrの電流定格を低減でき、インダクタLrとコンデンサCrを小形化することができる。
また、出力用端子となる電圧端子VL、Vcomを他の回路に挟まれた中間に位置する回路Ａ３の平滑コンデンサCs3の両端子に接続しているため、上記実施の形態９と同様に、ＬＣ直列体LC13、LC23、LC34のコンデンサCr13、Cr23、Cr34の電圧定格を低減でき、コンデンサをさらに小型化できる。【００８３】
また、整流回路Ａ３のMOSFETは、駆動用インバータ回路Ａ１、Ａ２、Ａ４のMOSFETと同時にオン状態とし、期間ｔの範囲内で駆動用インバータ回路Ａ１、Ａ２、Ａ４のMOSFETより早くオフ状態とする。整流回路Ａ３のMOSFETのオン期間を該MOSFETの導通期間ｔと一致させると導通損失を最小にできるが、上記のようにMOSFETのオン状態を早く終了させても、寄生ダイオードを介して導通するためその期間もエネルギは移行でき、また制御に係る遅延などによる問題を回避でき、信頼性が向上する。
また、この実施の形態においても、整流用ゲート信号のパルスを、駆動用ゲート信号のパルスの立ち上がりタイミングから期間ｔの範囲内で発生させるため、ＬＣ直列体LC13、LC23、LC34の共振周期の1/2の期間ｔで電流が流れた後、電流は遮断され逆流しない。このため、ＬＣ直列体LC13、LC23、LC34の共振現象を効果的に利用でき、しかも整流回路Ａ３にMOSFETを用いたことで導通損失が低減できるため、変換効率の高いＤＣ／ＤＣ電力変換装置が実現できる。【００８４】
また、駆動用ゲート信号と整流用ゲート信号とを別々に生成する様にしたため、整流回路Ａ３のMOSFETを駆動用インバータ回路Ａ１、Ａ２、Ａ４のMOSFETとは別に容易に制御でき、上述した所望の動作を確実に実現でき、変換効率の高いＤＣ／ＤＣ電力変換装置が確実に実現できる。【００８５】
なお、この実施の形態１０においても、上記実施の形態４〜６のように、コンデンサCrに流れる電流を検出して整流回路Ａ３のゲート信号を形成してもよい。【００８６】
また、上記実施の形態９、１０では、入出力用の電圧端子VL、Vcomを平滑コンデンサCs3の両端子に接続したが、平滑コンデンサCs2の両端子に接続しても良く、上記実施の形態９、１０と同様の効果が得られる。さらに、整流回路の段数を増やした場合においても、他の回路に挟まれた中間に位置する回路の平滑コンデンサCsの両端子に電圧端子VL、Vcomを接続しても同様の効果が得られる。【００８７】
実施の形態１１．
上記実施の形態９ではV1⇒V2の昇圧形ＤＣ／ＤＣ電力変換装置について示し、上記実施の形態１０ではV2⇒V1の降圧形ＤＣ／ＤＣ電力変換装置について示したが、この実施の形態では、上記実施の形態９、１０の機能を併せ持って双方向のエネルギ移行を実現する昇降圧形のＤＣ／ＤＣ電力変換装置について示す。
この実施の形態によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置の回路構成の主要部は、上記実施の形態９、１０と同様に図１３で示す回路構成のもので、この場合、昇圧時には回路Ａ３を駆動用インバータ回路に、回路Ａ１、Ａ２、Ａ４を整流回路に用い、降圧時には回路Ａ３を駆動用インバータ回路に、回路Ａ１、Ａ２、Ａ４を整流回路に用いる。【００８８】
この場合、電圧端子VL、Vcom、VHh、VHlの電圧を制御回路に入力し、上記実施の形態３と同様に、電圧端子の電圧に基づいて整流用ゲート信号と駆動用ゲート信号とを制御回路にて切り替えることにより、昇降圧形のＤＣ／ＤＣ電力変換装置を実現する。また、上記実施の形態５で示したように、検出電流を用いて昇圧動作用の整流用ゲート信号を生成する回路と降圧動作用の整流用ゲート信号を生成する回路とを備え、整流用ゲート信号と駆動用ゲート信号とを切り替えることによっても、昇降圧形のＤＣ／ＤＣ電力変換装置を実現できる。【００８９】
実施の形態１２．
次に、この発明の実施の形態１２によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置を図について説明する。図１６はこの発明の実施の形態１２によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置の回路構成を示す。
この実施の形態１２では、電圧端子VLとVcom間の電圧V1から電圧端子VHhとVHl間の電圧V2へエネルギを移行する昇圧形のＤＣ／ＤＣ電力変換装置について示す。上記実施の形態９と同様に、電圧V2は電圧V1の約４倍となっており、V1は50V、V2は約200Vとする。
図１６に示すように、図１３で示した上記実施の形態９によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置における回路Ａ１〜Ａ４の替わりに、回路A1c〜A4cを用い、回路A3cは回路Ａ３と同様の構成、回路A1c、A2c、A4cは、２つのMOSFET（Mos1L、Mos1H）（Mos2L、Mos2H）（Mos4L、Mos4H）をそれぞれダイオード（Di1L、Di1H）（Di2L、Di2H）（Di4L、Di4H）に置き換えている。即ち、駆動用インバータ回路A3cは、低圧側素子、高圧側素子としての２つのMOSFET（Mos3L、Mos3H）を直列接続して平滑コンデンサCs3の両端子間に接続して構成される。また整流回路A1c、A2c、A4cは、低圧側素子、高圧側素子としてのそれぞれ２つのダイオード（Di1L、Di1H）（Di2L、Di2H）（Di4L、Di4H）を直列接続して各平滑コンデンサCs1、Cs2、Cs4の両端子間に接続して構成される。これに伴い、MOSFETを駆動するためのゲート駆動回路113、フォトカプラ123H、123L、電源Vs3、ゲート信号Gate3H、Gate3Lは、MOSFET（Mos3L、Mos3H）に対するもの以外は削除され、この場合、制御回路から駆動用ゲート信号Gate3H、Gate3Lのみが出力される。その他の構成は、図１３で示した上記実施の形態９と同じである。【００９０】
次に、動作について説明する。
駆動用インバータ回路A3cは、電圧端子VL−Vcom間に入力されるエネルギを、MOSFET（Mos3L、Mos3H）のオンオフ動作により高電圧側に送り、整流回路A1c、A2c、A4cは、駆動用インバータ回路A3cで駆動された電流を整流し、エネルギを高電圧側へ移行する。
駆動用ゲート信号Gate3H、Gate3Lは、上記実施の形態９と同様に生成されるが、上記実施の形態９では整流回路内のMOSFETを流れていた電流が、この実施の形態では整流回路A1c、A2c、A4c内のダイオードを流れるため、導通損失が発生するものであるが、上記実施の形態９と同様の昇圧動作により、ＬＣ直列体LC13、LC23、LC34の共振現象を効果的に利用でき、変換効率の高いＤＣ／ＤＣ電力変換装置が実現できる。
また、各ＬＣ直列体LC13、LC23、LC34に流れる電流およびコンデンサCr13、Cr23、Cr34の電圧も上記実施の形態９の場合とほぼ同様である。【００９１】
即ち、この実施の形態においても、上記実施の形態９と同様に、各ＬＣ直列体LC13、LC23、LC34を流れる電流値を最小のものと等しくして、該電流値を低減できる。このため、エネルギ移行用のＬＣ直列体LC13、LC23、LC34のインダクタLr、コンデンサCrの電流定格を低減でき、インダクタLrとコンデンサCrを小形化することができる。また、出力用端子となる電圧端子VL、Vcomを他の回路に挟まれた中間に位置する回路Ａ３の平滑コンデンサCs3の両端子に接続しているため、上記実施の形態９と同様に、ＬＣ直列体LC13、LC23、LC34のコンデンサCr13、Cr23、Cr34の電圧定格を低減でき、コンデンサをさらに小型化できる。【００９２】
実施の形態１３．
次に、この発明の実施の形態１３によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置を図について説明する。図１７はこの発明の実施の形態１３によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置の回路構成を示す。
この実施の形態１３では、電圧端子VHh、VHl間の電圧V2から電圧端子VL、Vcom間の電圧V1へエネルギを移行する降圧形のＤＣ／ＤＣ電力変換装置について示す。上記実施の形態１０と同様に、電圧V2は電圧V1の約４倍となっており、V1は50V、V2は約200Vとする。
この実施の形態では図１７に示すように、図１３で示した上記実施の形態１０によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置における回路Ａ１〜Ａ４の替わりに、回路A1d〜A4dを用い、回路A1d、A2d、A4dは回路Ａ１、Ａ２、Ａ４と同様の構成、回路A3dは、２つのMOSFET（Mos3L、Mos3H）をそれぞれダイオード（Di3L、Di3H）に置き換えている。即ち、駆動用インバータ回路A1d、A2d、A4dは、低圧側素子、高圧側素子としてのそれぞれ２つのMOSFETを直列接続して平滑コンデンサCs1、Cs2、Cs4の両端子間に接続して構成される。また整流回路A3dは、低圧側素子、高圧側素子としての２つのダイオード（Di3L、Di3H）を直列接続して平滑コンデンサCs3の両端子間に接続して構成される。これに伴い、図１３における回路Ａ３内のMOSFETを駆動するためのゲート駆動回路113、フォトカプラ123H、123L、電源Vs3、ゲート信号Gate3H、Gate3Lは削除され、この場合、制御回路から駆動用ゲート信号Gate1H、Gate2H、Gate4H、Gate1L、Gate2L、Gate4Lのみが出力される。その他の構成は、図１３で示した上記実施の形態１０と同じである。【００９３】
駆動用ゲート信号Gate1H、Gate2H、Gate4H、Gate1L、Gate2L、Gate4Lは、上記実施の形態１０と同様に生成されるが、上記実施の形態１０では整流回路内のMOSFETを流れていた電流が、この実施の形態では整流回路A3d内のダイオードを流れるため、導通損失が発生するものであるが、上記実施の形態１０と同様の降圧動作により、ＬＣ直列体LC13、LC23、LC34の共振現象を効果的に利用でき、変換効率の高いＤＣ／ＤＣ電力変換装置が実現できる。
また、各ＬＣ直列体LC13、LC23、LC34に流れる電流およびコンデンサCr13、Cr23、Cr34の電圧も上記実施の形態１０の場合とほぼ同様である。【００９４】
即ち、この実施の形態においても、上記実施の形態１０と同様に、各ＬＣ直列体LC13、LC23、LC34を流れる電流値を最小のものと等しくして、該電流値を低減できる。このため、エネルギ移行用のＬＣ直列体LC13、LC23、LC34のインダクタLr、コンデンサCrの電流定格を低減でき、インダクタLrとコンデンサCrを小形化することができる。また、出力用端子となる電圧端子VL、Vcomを他の回路に挟まれた中間に位置する回路Ａ３の平滑コンデンサCs3の両端子に接続しているため、上記実施の形態９と同様に、ＬＣ直列体LC13、LC23、LC34のコンデンサCr13、Cr23、Cr34の電圧定格を低減でき、コンデンサをさらに小型化できる。【００９５】
実施の形態１４．
次に、この発明の実施の形態１４によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置を説明する。図１８、図１９は、この発明の実施の形態１４によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置の回路構成を示すもので、特に図１８は主要部を示し、図１９はゲート信号生成部を示す。
この実施の形態１４では、電圧端子VLとVcom間に入力された電圧V1を、約４倍に昇圧された電圧V2にして電圧端子VHhとVHl間に出力する機能を有する昇圧形のＤＣ／ＤＣ電力変換装置について示す。【００９６】
この実施の形態では、図１８に示すように、図１にて示した上記実施の形態１による回路構成と電圧端子の位置が異なっている。低電圧側の正極電圧端子VLは平滑コンデンサCs3とCs4の接続点に接続され、接地された低電圧側の負極電圧端子Vcomは平滑コンデンサCs2とCs3の接続点に接続されている。また、高電圧側の正極電圧端子VHhは平滑コンデンサCs4の高電圧側端子に接続され、高電圧側の負極電圧端子VHlは平滑コンデンサCs1の低電圧側端子に接続されている。即ち、上記実施の形態１では、低電圧側電圧端子VL、Vcomを平滑コンデンサCs1の両端子に接続したが、この実施の形態では、他の回路に挟まれた中間に位置する回路Ａ３の平滑コンデンサCs3の両端子に接続して、電圧V1を平滑コンデンサCs3の端子間に入力する。その他の回路構成は、上記実施の形態１と同様であり、各段のＬＣ直列体LC12、LC13、LC14におけるインダクタLrとコンデンサCrのインダクタンス値と容量値から定まる共振周期の値は、それぞれ等しくなるように設定されている。【００９７】
回路Ａ３およびＡ２は、電圧端子VL−Vcom間に入力されるエネルギを、MOSFET（Mos3L、Mos3H）（Mos2L、Mos2H）のオンオフ動作により高電圧側と低電圧側に送る駆動用インバータ回路に用いられる。また、回路Ａ４は、駆動用インバータ回路Ａ３、Ａ２で駆動された電流を整流し、エネルギを移行する整流回路として用いられる。回路Ａ１は、駆動用インバータ回路としての役割と、整流回路としての役割の両方を有しているが、後述する駆動用ゲート信号で駆動するため、ここでは駆動用インバータ回路と称す。
図１９に示すように、ゲート信号Gate1L、Gate1H、Gate2L、Gate2H、Gate3L、Gate3H、Gate4L、Gate4Hは、ゲート信号生成部となる制御回路13eにて生成される。制御回路13eには、駆動用インバータ回路Ａ３、Ａ２、Ａ１を駆動するための駆動用ゲート信号Gate3L、Gate3H、Gate2L、Gate2H、Gate1L、Gate1H、を生成する駆動用ゲート信号生成部130Aと、整流回路Ａ４を駆動するための整流用ゲート信号Gate4L、Gate4Hを生成する整流用ゲート信号生成部130Bを有している。この場合、マイクロコンピュータ等の信号処理回路において、駆動用ゲート信号および整流用ゲート信号を生成している。【００９８】
次に動作について説明する。
平滑コンデンサCs1、Cs2、Cs3、Cs4の容量値は、ＬＣ直列体のコンデンサCr12、Cr13、Cr14の容量値と比較して十分大きな値に設定される。
上述したように、電圧端子VL−Vcom間に入力された電圧V1を、約４倍に昇圧された電圧V2にして電圧端子VHh−VHl間に出力するため、電圧端子VHh−VHl間に負荷が接続され、電圧V2は4×V1よりも低い値となっている。定常状態では、平滑コンデンサCs3には電圧V1の電圧が充電されており、平滑コンデンサCs1、Cs2、Cs4には平均的に(V2-V1)/3の電圧が充電されている。【００９９】
駆動用ゲート信号Gate3L、Gate3H、Gate2L、Gate2H、Gate1L、Gate1Hは、LrとCrによるＬＣ直列共振にて定まる共振周期２ｔとほぼ同じ周期Ｔでディーティー約50％のオンオフ信号である。また、整流用ゲート信号Gate4L、Gate4Hのパルスは、上記実施の形態１における整流用ゲート信号と同様に、駆動用ゲート信号の各パルスと立ち上がりが一致すると共に立ち下がりタイミングが所定時間τH、τL早くなっている（図３参照）。
この場合、駆動用インバータ回路である回路Ａ１が整流の役割を有するため、駆動用ゲート信号の周期Ｔを共振周期２ｔとほぼ同じとすることにより、回路Ａ１に流れる電流の逆流を防止する。【０１００】
各回路Ａ１〜Ａ４の低圧側MOSFETであるMos1L、Mos2L、Mos3L、Mos4Lがオン状態となると、電圧差があるため、平滑コンデンサCs3、Cs2、Cs1に蓄えられた一部のエネルギがコンデンサCr14に、コンデンサCr13、Cr12に充電されたエネルギが平滑コンデンサCs2、Cs1に、以下に示す経路で移行する。なお、Mos4Lでは、整流用パルスがオフ状態の時もMOSFETの寄生ダイオードによりソースからドレインに電流が流れるため、ＬＣ直列体LC14の共振周期の1/2の期間ｔで電流が流れ、その後寄生ダイオードの逆流防止機能により電流が遮断される。
Cs1⇒Cs2⇒Cs3⇒Mos4L⇒Lr14⇒Cr14⇒Mos1L
Cr13⇒Lr13⇒Mos3L⇒Cs2⇒Cs1⇒Mos1L
Cr12⇒Lr12⇒Mos2L⇒Cs1⇒Mos1L【０１０１】
次いで、各回路Ａ１〜Ａ４の高圧側MOSFETであるMos1H、Mos2H、Mos3H、Mos4Hがオン状態となると、電圧差があるため、コンデンサCr14に充電されたエネルギが平滑コンデンサCs4、Cs3、Cs2、Cs1に、平滑コンデンサCs2、Cs3に蓄えられた一部のエネルギがコンデンサCr13、Cr12に、以下に示す経路で移行する。なお、Mos4Hでは、整流用パルスがオフ状態の時もMOSFETの寄生ダイオードによりソースからドレインに電流が流れるため、ＬＣ直列体LC14の共振周期の1/2の期間ｔで電流が流れ、その後寄生ダイオードの逆流防止機能により電流が遮断される。
Cr14⇒Lr14⇒Mos4H⇒Cs4⇒Cs3⇒Cs2⇒Mos1H
Cs2⇒Cs3⇒Mos3H⇒Lr13⇒Cr13⇒Mos1H
Cs2⇒Mos2H⇒Lr12⇒Cr12⇒Mos1H【０１０２】
このように、コンデンサCr12、Cr13、Cr14の充放電により、平滑コンデンサCs3から平滑コンデンサCs1、Cs2、Cs4にエネルギを移行する。そして、電圧端子VLとVcom間に入力された電圧V1を、約４倍に昇圧された電圧V2にして電圧端子VHhとVHl間に出力する。また、各コンデンサCr12、Cr13、Cr14には、インダクタLr12、Lr13、Lr14が直列に接続されてＬＣ直列体LC13、LC13、LC14を構成するため、上記エネルギの移行は共振現象を利用したものとなり、大きなエネルギ量を効率よく移行できる。【０１０３】
また、上記実施の形態１と同様に、各ＬＣ直列体LC12、LC13、LC14を流れる電流値を最小のものと等しくして、該電流値を低減できる。このため、エネルギ移行用のＬＣ直列体LC12、LC13、LC14のインダクタLr、コンデンサCrの電流定格を低減でき、インダクタLrとコンデンサCrを小形化することができる。
また、この実施の形態では、整流回路Ａ４にMOSFETを用いたため、ダイオードを用いたものに比して導通損失が低減でき、電力変換の効率が向上できる。【０１０４】
また、整流回路Ａ４のMOSFETは、駆動用インバータ回路Ａ３、Ａ２、Ａ１のMOSFETと同時にオン状態とし、期間ｔの範囲内で駆動用インバータ回路Ａ３、Ａ２、Ａ１のMOSFETより早くオフ状態とする。整流回路Ａ４のMOSFETのオン期間を該MOSFETの導通期間ｔと一致させると導通損失を最小にできるが、上記のようにMOSFETのオン状態を早く終了させても、寄生ダイオードを介して導通するためその期間もエネルギは移行でき、また制御に係る遅延などによる問題を回避でき、信頼性が向上する。
また整流用ゲート信号を、駆動用ゲート信号の立ち上がりタイミングから期間ｔの範囲内で発生させるため、ＬＣ直列体LC12、LC13、LC14の共振周期の1/2の期間ｔで電流が流れた後、電流は遮断され逆流しない。このため、ＬＣ直列体LC12、LC13、LC14の共振現象を効果的に利用でき、しかもMOSFETを用いたことで導通損失が低減できるため、変換効率の高いＤＣ／ＤＣ電力変換装置が実現できる。【０１０５】
また、制御回路13eに、駆動用ゲート信号生成部130Aと整流用ゲート信号生成部130Bとを有して、駆動用ゲート信号Gate3L、Gate3H、Gate2L、Gate2H、Gate1L、Gate1Hと整流用ゲート信号Gate4L、Gate4Hとを別々に生成する様にしたため、整流回路Ａ４のMOSFETを駆動用インバータ回路Ａ３、Ａ２、Ａ１のMOSFETとは別に容易に制御でき、上述した所望の動作を確実に実現でき、変換効率の高いＤＣ／ＤＣ電力変換装置が確実に実現できる。【０１０６】
なお、この実施の形態１４では、駆動用インバータ回路Ａ３、Ａ２、Ａ１のゲート信号と整流回路Ａ４のゲート信号を制御回路13eにおいて形成したが、上記実施の形態４〜６のように、コンデンサCrに流れる電流を検出して整流回路Ａ４のゲート信号を形成してもよい。【０１０７】
実施の形態１５．
上記実施の形態１４では、電圧V1を、約４倍の電圧V2に昇圧する昇圧形のＤＣ／ＤＣ電力変換装置について示したが、この実施の形態では、電圧V2から電圧V1に降圧する降圧形のＤＣ／ＤＣ電力変換装置について示す。
この実施の形態によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置の回路構成の主要部は図１８で示す回路構成と同様であるが、この場合、回路Ａ４を駆動用インバータ回路に、回路Ａ３、Ａ２を整流回路に用いる。回路Ａ１は、駆動用インバータ回路としての役割と、整流回路としての役割の両方を有しているが、後述する駆動用ゲート信号で駆動するため、ここでは駆動用インバータ回路と称す。また、ゲート信号生成部である制御回路13fは、図２０に示す。なお、この場合、平滑コンデンサCs3の両端子に接続される電圧端子VL、Vcomは、平滑コンデンサCs3の端子間から電圧V1を出力する出力用端子となり、負荷が接続される。【０１０８】
図２０に示すように、ゲート信号Gate1L、Gate1H、Gate2L、Gate2H、Gate3L、Gate3H、Gate4L、Gate4Hは、制御回路13fにて生成される。制御回路13fには、駆動用インバータ回路Ａ４、Ａ１を駆動するための駆動用ゲート信号Gate4L、Gate4H、Gate1L、Gate1Hを生成する駆動用ゲート信号生成部130Aと、整流回路Ａ３、Ａ２を駆動するための整流用ゲート信号Gate3L、Gate3H、Gate2L、Gate2Hを生成する整流用ゲート信号生成部130Bを有している。なお、この実施の形態においてもマイクロコンピュータ等の信号処理回路において、駆動用ゲート信号および整流用ゲート信号を生成している。【０１０９】
次に動作について説明する。
平滑コンデンサCs1、Cs2、Cs3、Cs4の容量値は、ＬＣ直列体のコンデンサCr12、Cr13、Cr14の容量値と比較して十分大きな値に設定される。
電圧端子VHh−VHl間に入力された電圧V2を、約1/4倍に降圧された電圧V1にして電圧端子VL−Vcom間に出力するため、電圧端子VL−Vcom間に負荷が接続され、電圧V2は4×V1よりも高い値となっている。
駆動用ゲート信号Gate4L、Gate4H、Gate1L、Gate1Hは、LrとCrによるＬＣ直列共振にて定まる共振周期２ｔとほぼ同じ周期Ｔでディーティー約50％のオンオフ信号である。整流用ゲート信号Gate3L、Gate3H、Gate2L、Gate2Hは、駆動用ゲート信号と立ち上がりが一致すると共に立ち下がりタイミングが所定時間τＨ、τＬ早くなっている。
この場合、駆動用インバータ回路である回路Ａ１が整流の役割を有するため、駆動用ゲート信号の周期Ｔを共振周期２ｔとほぼ同じとすることにより、回路Ａ１に流れる電流の逆流を防止する。【０１１０】
各回路Ａ１〜Ａ４の高圧側MOSFETであるMos1H、Mos2H、Mos3H、Mos4Hがオン状態となると、電圧差があるため、平滑コンデンサCs4、Cs3、Cs2に蓄えられた一部のエネルギがコンデンサCr14に、コンデンサCr13、Cr12に充電されたエネルギが平滑コンデンサCs3、Cs2に、以下に示す経路で移行する。なお、Mos3H、Mos2Hでは、整流用パルスがオフ状態の時もMOSFETの寄生ダイオードによりソースからドレインに電流が流れるため、ＬＣ直列体LC13、LC12の共振周期の1/2の期間ｔで電流が流れ、その後寄生ダイオードの逆流防止機能により電流が遮断される。
Cs2⇒Cs3⇒Cs4⇒Mos4H⇒Lr14⇒Cr14⇒Mos1H
Cr13⇒Lr13⇒Mos3H⇒Cs3⇒Cs2⇒Mos1H
Cr12⇒Lr12⇒Mos2H⇒Cs2⇒Mos1H【０１１１】
次いで、各回路Ａ１〜Ａ４の低圧側MOSFETであるMos1L、Mos2L、Mos3L、Mos4Lがオン状態となると、電圧差があるため、コンデンサCr14に充電されたエネルギが平滑コンデンサCs3、Cs2、Cs1に、平滑コンデンサCs1、Cs2に蓄えられた一部のエネルギがコンデンサCr13、Cr12に、以下に示す経路で移行する。なお、Mos3L、Mos2Lでは、整流用パルスがオフ状態の時もMOSFETの寄生ダイオードによりソースからドレインに電流が流れるため、ＬＣ直列体LC13、LC12の共振周期の1/2の期間ｔで電流が流れ、その後寄生ダイオードの逆流防止機能により電流が遮断される。
Cr14⇒Lr14⇒Mos4L⇒Cs3⇒Cs2⇒Cs1⇒Mos1L
Cs1⇒Cs2⇒Mos3L⇒Lr13⇒Cr13⇒Mos1L
Cs1⇒Mos2L⇒Lr12⇒Cr12⇒Mos1L【０１１２】
このように、コンデンサCr14、Cr13、Cr12の充放電により、電圧端子VHhとVHl間に入力された電圧V2を、約1/4倍に降圧された電圧V1にして電圧端子VLとVcom間に出力する。また、各コンデンサCr14、Cr13、Cr12には、インダクタLr14、Lr13、Lr12が直列に接続されてＬＣ直列体を構成するため、上記エネルギの移行は共振現象を利用したものとなり、大きなエネルギ量を効率よく移行できる。【０１１３】
また、この実施の形態においても、上記実施の形態１４と同様に、各ＬＣ直列体LC14、LC13、LC12を流れる電流値を最小のものと等しくして、該電流値を低減できる。このため、エネルギ移行用のＬＣ直列体LC14、LC13、LC12のインダクタLr、コンデンサCrの電流定格を低減でき、インダクタLrとコンデンサCrを小形化することができる。
また、この実施の形態では、整流回路Ａ３、Ａ２にMOSFETを用いたため、ダイオードを用いたものに比して導通損失が低減でき、電力変換の効率が向上できる。【０１１４】
また、整流回路Ａ３、Ａ２のMOSFETは、駆動用インバータ回路Ａ４、Ａ１のMOSFETと同時にオン状態とし、期間ｔの範囲内で駆動用インバータ回路Ａ４、Ａ１のMOSFETより早くオフ状態とする。整流回路Ａ３、Ａ２のMOSFETのオン期間を該MOSFETの導通期間ｔと一致させると導通損失を最小にできるが、上記のようにMOSFETのオン状態を早く終了させても、寄生ダイオードを介して導通するためその期間もエネルギは移行でき、また制御に係る遅延などによる問題を回避でき、信頼性が向上する。
また、この実施の形態においても、整流用ゲート信号のパルスを、駆動用ゲート信号のパルスの立ち上がりタイミングから期間ｔの範囲内で発生させるため、ＬＣ直列体LC12、LC13、LC14の共振周期の1/2の期間ｔで電流が流れた後、電流は遮断され逆流しない。このため、ＬＣ直列体LC12、LC13、LC14の共振現象を効果的に利用でき、しかも整流回路Ａ３、Ａ２にMOSFETを用いたことで導通損失が低減できるため、変換効率の高いＤＣ／ＤＣ電力変換装置が実現できる。【０１１５】
また、駆動用ゲート信号と整流用ゲート信号とを別々に生成する様にしたため、整流回路Ａ３、Ａ２のMOSFETを駆動用インバータ回路Ａ４、Ａ１のMOSFETとは別に容易に制御でき、上述した所望の動作を確実に実現でき、変換効率の高いＤＣ／ＤＣ電力変換装置が確実に実現できる。【０１１６】
なお、この実施の形態１５においても、上記実施の形態４〜６のようにコンデンサCrに流れる電流を検出して整流回路Ａ３、Ａ２のゲート信号を形成してもよい。【０１１７】
また、上記実施の形態１４、１５では、入出力用の電圧端子VL、Vcomを平滑コンデンサCs3の両端子に接続したが、平滑コンデンサCs2の両端子に接続しても良く、上記実施の形態１４、１５と同様の効果が得られる。さらに、整流回路の段数を増やした場合においても、他の回路に挟まれた中間に位置する回路の平滑コンデンサCsの両端子に電圧端子VL、Vcomを接続しても同様の効果が得られる。【０１１８】
また、上記実施の形態１４ではV1⇒V2の昇圧形ＤＣ／ＤＣ電力変換装置について示し、上記実施の形態１５ではV2⇒V1の降圧形ＤＣ／ＤＣ電力変換装置について示したが、上記実施の形態１４、１５の機能を併せ持って双方向のエネルギ移行を実現することもできる。この場合、電圧端子VL、Vcom、VHh、VHlの電圧を制御回路に入力し、上記実施の形態３と同様に、電圧端子の電圧に基づいて整流用ゲート信号と駆動用ゲート信号とを制御回路にて切り替えることにより、昇降圧形のＤＣ／ＤＣ電力変換装置を実現する。また、上記実施の形態５で示したように、検出電流を用いて昇圧動作用の整流用ゲート信号を生成する回路と降圧動作用の整流用ゲート信号を生成する回路とを備え、整流用ゲート信号と駆動用ゲート信号とを切り替えることによっても、昇降圧形のＤＣ／ＤＣ電力変換装置を実現できる。【０１１９】
また、上記実施の形態１４、１５において、各整流回路を、低圧側素子、高圧側素子としてそれぞれ２つのダイオードを直列接続して各平滑コンデンサの両端子間に接続して構成しても良い。その場合、MOSFETを駆動するためのゲート駆動回路、フォトカプラ、電源ゲート信号は、駆動用インバータ回路に対するもの以外は削除され、制御回路から駆動用ゲート信号のみが出力される。整流回路内では電流がダイオードを流れるため、導通損失が発生するものであるが、上記各実施の形態１４、１５と同様の動作により、ＬＣ直列体LC12、LC13、LC14の共振現象を効果的に利用でき、変換効率の高いＤＣ／ＤＣ電力変換装置が実現できる。【０１２０】
実施の形態１６．
次に、この発明の実施の形態１６によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置を説明する。図２１は、この発明の実施の形態１６によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置の主要部の回路構成を示している。ゲート信号生成部は、実施の形態１で示した図２と同じである。
この実施の形態１６では、電圧端子VLとVcom間に入力された電圧V1を、約４倍に昇圧された電圧V2にして電圧端子VHとVcom間に出力する機能を有する昇圧形のＤＣ／ＤＣ電力変換装置について示す。【０１２１】
この実施の形態では、図２１に示すように、図１にて示した上記実施の形態１とインダクタLrの配置が異なる。即ち、エネルギ移行用のコンデンサCr12、Cr13、Cr14は、回路Ａ１と他の回路との間で中間端子間に接続されているが、該コンデンサCr12、Cr13、Cr14を充放電する経路に接続されるインダクタLr0、Lr1、Lr2、Lr3、Lr4は、複数のMOSFETを接続する接続線と平滑コンデンサCs1、Cs2、Cs3、Cs4の端子との間に接続される。
接続の詳細を説明する。平滑コンデンサCs4の高圧側端子とMos4Hのドレイン端子の間にインダクタLr4、Cs3の高圧側端子とMos3Hのドレイン端子の間にインダクタLr3、Cs2の高圧側端子とMos2Hのドレイン端子の間にインダクタLr2、Cs1の高圧側端子とMos1Hのドレイン端子の間にインダクタLr1、Cs1の低圧側端子とMos1Lのソース端子の間にインダクタLr0がそれぞれ挿入されている。【０１２２】
各コンデンサCrの容量値は略等しく、各インダクタLrのインダクタンス値も略等しくなっており、各コンデンサCrの充放電経路において、インダクタLrとコンデンサCrのインダクタンス値と容量値から定まる共振周期の値は、それぞれ等しくなるように設定されている。この実施の形態では、各コンデンサCrの充放電経路内には、当該コンデンサCrと２個のインダクタLrとが含まれるため、インダクタLrのインダクタンス値をLr、コンデンサCrの容量値をCrとすると、共振周期は、2π（2Lr・Cr）0.5で計算される。【０１２３】
上記実施の形態１と同様に、回路Ａ１は、電圧端子VL−Vcom間に入力されるエネルギを、MOSFET（Mos1L、Mos1H）のオンオフ動作により高電圧側に送る駆動用インバータ回路に用いられる。回路Ａ２、Ａ３、Ａ４は、駆動用インバータ回路で駆動された電流を整流し、エネルギを移行する整流回路として用いられる。ゲート信号Gate1L、Gate1H、Gate2L、Gate2H、Gate3L、Gate3H、Gate4L、Gate4Hについても、実施の形態１と同様である（図３参照）。【０１２４】
次に動作について説明する。
平滑コンデンサCs1、Cs2、Cs3、Cs4の容量値は、コンデンサCr12、Cr13、Cr14の容量値と比較して十分大きな値に設定される。
上述したように、電圧端子VL−Vcom間に入力された電圧V1を、約４倍に昇圧された電圧V2にして電圧端子VH−Vcom間に出力するため、電圧端子VH−Vcom間に負荷が接続され、電圧V2は4×V1よりも低い値となっている。定常状態では、平滑コンデンサCs1には電圧V1の電圧が充電されており、平滑コンデンサCs2、Cs3、Cs4には平均的に(V2-V1)/3の電圧が充電されている。【０１２５】
低圧側MOSFETへのゲート信号の駆動用パルス１ｂおよび整流用パルス２ｂにより各回路Ａ１〜Ａ４の低圧側MOSFETであるMos1L、Mos2L、Mos3L、Mos4Lがオン状態となると、電圧差があるため、平滑コンデンサCs1、Cs2、Cs3に蓄えられた一部のエネルギが、以下に示す経路でコンデンサCr12、Cr13、Cr14に移行する。なお、Mos2L、Mos3L、Mos4Lでは、整流用パルス２ｂがオフ状態の時もMOSFETの寄生ダイオードによりソースからドレインに電流が流れるため、上記共振周期の1/2の期間ｔで電流３ｂが流れ、その後寄生ダイオードの逆流防止機能により電流が遮断される。
Cs1⇒Lr1⇒Mos2L⇒Cr12⇒Mos1L⇒Lr0
Cs1⇒Cs2⇒Lr2⇒Mos3L⇒Cr13⇒Mos1L⇒Lr0
Cs1⇒Cs2⇒Cs3⇒Lr3⇒Mos4L⇒Cr14⇒Mos1L⇒Lr0【０１２６】
次いで、高圧側MOSFETへのゲート信号の駆動用パルス１ａおよび整流用パルス２ａにより各回路Ａ１〜Ａ４の高圧側MOSFETであるMos1H、Mos2H、Mos3H、Mos4Hがオン状態となると、電圧差があるため、コンデンサCr12、Cr13、Cr14に充電されたエネルギが、以下に示す経路で平滑コンデンサCs2、Cs3、Cs4に移行する。なお、Mos2H、Mos3H、Mos4Hでは、整流用パルス２ａがオフ状態の時もMOSFETの寄生ダイオードによりソースからドレインに電流が流れるため、上記共振周期の1/2の期間ｔで電流３ａが流れ、その後寄生ダイオードの逆流防止機能により電流が遮断される。
Cr12⇒Mos2H⇒Lr2⇒Cs2⇒Lr1⇒Mos1H
Cr13⇒Mos3H⇒Lr3⇒Cs3⇒Cs2⇒Lr1⇒Mos1H
Cr14⇒Mos4H⇒Lr4⇒Cs4⇒Cs3⇒Cs2⇒Lr1⇒Mos1H【０１２７】
このように、コンデンサCr12、Cr13、Cr14の充放電により、平滑コンデンサCs1から平滑コンデンサCs2、Cs3、Cs4にエネルギを移行する。そして、電圧端子VLとVcom間に入力された電圧V1を、約４倍に昇圧された電圧V2にして電圧端子VHとVcom間に出力する。また、各コンデンサCr12、Cr13、Cr14の充放電経路には、２個のインダクタLr（Lr0〜Lr4）が直列に接続されているため、上記エネルギの移行は共振現象を利用したものとなり、大きなエネルギ量を効率よく移行できる。
また、上記実施の形態１と同様に、各コンデンサCr、インダクタLrを流れる電流値を低減でき、インダクタLrとコンデンサCrを小形化することができる。【０１２８】
また、整流回路Ａ２、Ａ３、Ａ４のMOSFETは、駆動用インバータ回路Ａ１のMOSFETと同時にオン状態とし、期間ｔの範囲内で駆動用インバータ回路Ａ１のMOSFETより早くオフ状態とする。整流回路Ａ２、Ａ３、Ａ４のMOSFETのオン期間を該MOSFETの導通期間ｔと一致させると導通損失を最小にできるが、上記のようにMOSFETのオン状態を早く終了させても、寄生ダイオードを介して導通するためその期間もエネルギは移行でき、また制御に係る遅延などによる問題を回避でき、信頼性が向上する。
また、この実施の形態においても、整流用ゲート信号のパルスを、駆動用ゲート信号のパルスの立ち上がりタイミングから期間ｔの範囲内で発生させるため、共振周期の1/2の期間ｔで電流が流れた後、電流は遮断され逆流しない。このため、インダクタLrとコンデンサCrとによる共振現象を効果的に利用でき、しかも整流回路Ａ２、Ａ３、Ａ４にMOSFETを用いたことで導通損失が低減できるため、変換効率の高いＤＣ／ＤＣ電力変換装置が実現できる。【０１２９】
また、駆動用ゲート信号と整流用ゲート信号とを別々に生成する様にしたため、整流回路Ａ２、Ａ３、Ａ４のMOSFETを駆動用インバータ回路Ａ１のMOSFETとは別に容易に制御でき、上述した所望の動作を確実に実現でき、変換効率の高いＤＣ／ＤＣ電力変換装置が確実に実現できる。【０１３０】
なお、この実施の形態１６においても、上記実施の形態４〜６のように、コンデンサCrに流れる電流を検出して整流回路Ａ２、Ａ３、Ａ４のゲート信号を形成してもよい。【０１３１】
この実施の形態１６では、エネルギ移行用のコンデンサCrを充放電する経路に接続されるインダクタLr0〜Lr4を、複数のMOSFETを接続する接続線と平滑コンデンサCs1、Cs2、Cs3、Cs4の端子との間に接続する構成を、上記実施の形態１に適用した場合を示した。このようなインダクタLr0〜Lr4の配置は、上記各実施の形態２〜１５にも同様に適用することができ、各実施の形態と同様の効果が得られる。【０１３２】
実施の形態１７．
次に、この発明の実施の形態１７によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置を説明する。図２２は、この発明の実施の形態１７によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置の回路構成を示すもので、主要部を示す。
この実施の形態１７では、電圧端子VLとVcom間に入力された電圧V1を、約４倍に昇圧された電圧V2にして電圧端子VHとVcom間に出力するとともに、約２倍に昇圧された電圧V3にして電圧端子VMとVcom間に出力する機能を有する昇圧形のＤＣ／ＤＣ電力変換装置について示す。この場合、入力端子、出力端子との組み合わせは、VL−Vcom、VH−VcomとVL−Vcom、VM−Vcomとの２組である。【０１３３】
図２２に示すように、平滑コンデンサCs2の高電圧側端子に電圧端子VMが接続されている。それ以外は、ゲート信号生成部も含めて実施の形態１と同様の回路構成である。
この実施の形態は、上記実施の形態１と同様の昇圧動作をするものであるが、電圧端子VMを備えたため、電圧V2に加えて電圧V3も出力することができる。
入出力端子の対は３組以上でも良く、このように入出力端子の対を複数組備えることにより、複数レベルの電圧に昇圧することができ、回路設計の自由度が向上する。【０１３４】
なお、この実施の形態では、昇圧形のＤＣ／ＤＣ電力変換装置について述べたが、実施の形態２のような降圧形のＤＣ／ＤＣ電力変換装置においても、中間の電圧端子VMを備ええれば電圧V1に加えて電圧V3も出力することができる。また、実施の形態３のような双方向のＤＣ／ＤＣ電力変換装置においても、中間の電圧端子VMを備えれば電圧V1に加えて電圧V3も出力することができる。
また、このように入出力端子の対を複数組備えることは、上記各実施の形態４〜１６にも同様に適用することができ、各実施の形態と同様の効果が得られる。【０１３５】
また、上記各実施の形態では、駆動用インバータ回路、整流回路内の半導体スイッチング素子に、ソース、ドレイン間に寄生ダイオードが形成されているパワーMOSFETを用いたが、ＩＧＢＴ等、制御電極でオンオフ動作が制御できる他の半導体スイッチング素子でも良く、その場合ダイオードが逆並列接続されたものを用い、このダイオードがパワーMOSFETの寄生ダイオードの機能を果たす。これにより、上記各実施の形態と同様の制御により同様の効果が得られる。
また、上記各実施の形態は、整流回路の段数を変化させた、いろいろな電圧比のＤＣ／ＤＣ電力変換装置へも、発明を適用できることは言うまでもない。【０１３６】
実施の形態１８．
上記各実施の形態によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置を構成する複数の回路において、回路内のMOSFET、ゲート駆動回路、フォトカプラ等を駆動するために備えられた電源Vsk（Vs1〜Vs4）について、以下に説明する。
図２３は、電源Vskの回路構成を示す図である。各回路、例えば上記実施の形態１の回路Ａ１〜Ａ４の電源Vskは、各回路内の平滑コンデンサCs(k)（Cs1〜Cs4）に発生する電圧を入力電圧Vsi(k)として出力端子Vsh(k)−Com(k)間に出力電圧Vso(k)を生成する。
電圧Vso(k)とVsi(k)の基準電圧をCom(k)としている。平滑コンデンサCs(k)の高電圧側の端子は、ｐ形のMOSFETＭ２のソース端子に接続され、MOSFETＭ２のドレイン端子はダイオードＤ１のカソード端子とチョークコイルＬ１の一方の端子とに接続されている。ダイオードＤ１のアノード端子は基準電圧Com(k)に接続され、チョークコイルＬ１の他方の端子はコンデンサＣ２の一方の端子に接続され、コンデンサＣ２の他方の端子は基準電圧Com(k)に接続されている。コンデンサCs(k)、コンデンサＣ２、MOSFETＭ２、ダイオードＤ１、チョークコイルＬ１で非絶縁降圧形のDC/DCコンバータ１０を構成し、このDC/DCコンバータ１０を介して入力電圧Vsi(k)は出力電圧Vso(k)に変換される。【０１３７】
コンデンサＣ１とコンデンサＣ２とツェナーダイオードＺ１とは並列に接続され、ツェナーダイオードＺ１のアノード端子側は基準電圧Com(k)に接続され、ツェナーダイオードＺ１のカソード端子側はチョークコイルＬ１の端子に接続されている。このＣ１、Ｃ２、Ｚ１の並列体に出力電圧Vso(k)が発生する。電圧Vso(k)は、クロック発生回路ｄ１、誤差増幅回路ｄ２、コンパレータ回路ｄ３に供給され、各回路ｄ１〜ｄ３は動作する。なお、誤差増幅回路ｄ２、コンパレータ回路ｄ３への電圧Vso(k)の供給は、図示を省略する。
クロック発生回路ｄ１の出力は、抵抗Ｒ３とコンデンサＣ３とで構成する鋸波形成部を介して、コンパレータ回路ｄ３の入力の一方に入力される。誤差増幅回路ｄ２の入力の一方には、抵抗Ｒ２とツェナーダイオードＺ２とで構成される目標電圧が入力され、入力の他方には、Vso(k)の測定電圧が抵抗Ｒ３とＲ４で分圧されて入力されている。また、誤差増幅回路ｄ２の出力は、コンパレータ回路ｄ３の入力の他方に入力され、その接続点は抵抗Ｒ５とＲ６の接続点に接続される。抵抗Ｒ５の他方の端子は電圧Vso(k)の出力端子Vsh(k)に接続され、抵抗Ｒ６の他方の端子は基準電圧Com(k)に接続される。
コンパレータ回路ｄ３の出力端子は、ｎ形のMOSFETＭ１のゲート端子に接続され、MOSFETＭ１のソース端子は基準電圧Com(k)に、ドレイン端子は抵抗Ｒ７の一方の端子に接続されている。抵抗Ｒ７の他方の端子は、MOSFETＭ２のゲート端子と抵抗Ｒ８の一方の端子とに接続されている。また、抵抗Ｒ８の他方の端子は、MOSFETＭ２のソース端子に接続されている。【０１３８】
このように構成される電源Vskの動作について説明する。降圧動作の場合、エネルギ源がVH−Vcom間に接続されるので、平滑コンデンサCs(k)には電圧が発生し電源Vskが動作する。
一方、昇圧動作の場合、VL−Vcom間にエネルギ源が接続されて平滑コンデンサCs1に電圧が発生するが、それ以外の平滑コンデンサCs(k)は、動作開始時には電圧が発生していない状態である。しかし、平滑コンデンサCs1の電圧で電源Vs1が動作して、回路Ａ１内のMOSFETがオンオフ動作することにより、回路Ａ２〜Ａ４のMOSFETの寄生ダイオードが動作し、エネルギが平滑コンデンサCs2、Cs3、Cs4に移行する。この寄生ダイオードを用いた動作の電力変換効率は良いものではないが、各平滑コンデンサCs(k)にエネルギが移行するのに１秒も時間を要しない。このように、各平滑コンデンサCs(k)に電圧が発生し各電源Vskが動作する。【０１３９】
動作の詳細について述べる。平滑コンデンサCs(k)に電圧が形成されると、抵抗Ｒ１を介してコンデンサＣ１、Ｃ２を充電する。電圧はツェナーダイオードＺ１のツェナー電圧となり、ここでは１６Ｖとしている。この電圧の供給により、Ｃ１、Ｃ２、Ｚ１の並列体に出力電圧Vso(k)が発生して、クロック発生回路ｄ１、誤差増幅回路ｄ２、コンパレータ回路ｄ３に供給され、各回路ｄ１〜ｄ３は動作するとともに、電源Vskが動作する。
抵抗Ｒ１は、電力損失を抑えるため比較的大きな抵抗値にしているため、電源Vskの動作前における抵抗Ｒ１を介したエネルギ供給では、各回路内のMOSFETを動作させるのに十分ではない。電源Vskが動作開始すると、非絶縁形のDC/DCコンバータ１０が動作して該DC/DCコンバータ１０を介して電圧Vsi(k)から電圧Vso(k)に変換され、そのエネルギ量は、各回路内のMOSFETを動作させるのに十分である。【０１４０】
図２４は、コンパレータ回路ｄ３の誤差増幅回路ｄ２側の入力端子の電圧Ｄａと、クロック発生回路ｄ１側の入力端子の電圧Ｄｂと、出力端子の電圧Ｄｃと、MOSFETＭ２のゲート電圧Ｄｄを示す。誤差増幅回路ｄ２は、２つの入力端子間の電圧がゼロになるような電圧Ｄａを出力する。すなわち、出力電圧Vso(k)（１５Ｖ）が、ツェナーダイオードＺ２が定める目標電圧（１５Ｖ）になるように電圧Ｄａを定める。電圧Ｄｂは鋸波状の電圧であり、クロック発生回路ｄ１からの矩形波電圧をＣＲ回路を介することにより形成されている。電圧ＤａとＤｂがコンパレータ回路ｄ３で比較されて矩形波電圧Ｄｃが形成される。例えば、出力電圧Vso(k)を抑える場合には、電圧Ｄａが低くなり、結果として矩形波電圧Ｄｃのハイ電圧期間は短くなる。矩形波電圧ＤｃによりMOSFETＭ１がオンオフし、MOSFETＭ１のソース端子の電圧を基準としてMOSFETＭ２のゲート端子の電圧がロウハイと変化する。MOSFETＭ２はｐ形MOSFETなので、ロウでオン、ハイでオフの動作となる。抵抗Ｒ７とＲ８との分圧により、MOSFETＭ２のゲート・ソース間電圧は最大定格以内になるようになっている。このようにMOSFETＭ２が、オン時間を制御されてオンオフ動作することにより、平滑コンデンサCs(k)からエネルギを移行し出力端子Com(k)、Vsh(k)間の電圧Vso(k)が所定の電圧（１５Ｖ）になるように制御される。【０１４１】
この実施の形態では、ＤＣ／ＤＣ電力変換装置を構成する各回路を駆動する電源Vskを、各回路内の平滑コンデンサCs(k)から非絶縁形のDC/DCコンバータ１０を介して電力供給するように構成した。このため、入力電圧部と各電源Vsk間の配線やそのためのコネクタ等が不要で、またトランスを用いて各電源間を絶縁する必要もなく、小型で変換効率の良い電源構成となる。これにより、ＤＣ／ＤＣ電力変換装置の高効率化、小型化が図れる。【０１４２】
なお、上記実施の形態では、入力電圧Vsi(k)が２０Ｖ以上を想定してDC/DCコンバータ１０は降圧形の回路構成を示したが、入力電圧Vsi(k)が低い、例えば１０Ｖ以下の場合は昇圧形のDC/DCコンバータ１０を用いる。【０１４３】
また上記実施の形態では、ＤＣ／ＤＣ電力変換装置の各回路を駆動する電源Vskの基準電圧をCom(k)とし、各回路内のゲート駆動回路等の制御部を基準電圧Com(k)で構成しているが、各回路内のゲート駆動回路等の制御部を電圧端子Vcomの電圧基準で構成し、電源Vskの基準電圧をVcomとして電圧Vcom基準でMOSFETＭ２を駆動しても良く、配線の引き回しが多少複雑になるが、変換効率の良い電源構成となる。
【産業上の利用可能性】
【０１４４】
駆動用インバータ回路と整流回路とから成る複数の回路毎に平滑コンデンサを並列配置して、エネルギ移行用コンデンサの充放電を利用するＤＣ／ＤＣ電力変換装置に広く適用できる。
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【手続補正書】
【提出日】平成21年3月5日(2009.3.5)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体スイッチング素子から成る高圧側素子および低圧側素子を直列接続して平滑コンデンサの正負端子間に接続して成る回路を複数個直列に接続して、該複数の回路の内、所定の１回路と他の各回路との間にそれぞれエネルギ移行用のコンデンサを接続し、かつ、該コンデンサを充放電する経路にインダクタを配し、
上記複数の回路の内、所定の回路を駆動用インバータ回路に用い、他の回路を整流回路に用いて、上記コンデンサの充放電により直流／直流変換を行うことを特徴とするＤＣ／ＤＣ電力変換装置。
【請求項２】
上記各回路内の上記高圧側素子と上記低圧側素子との接続点を中間端子として、上記所定の１回路と他の各回路との間となる該中間端子間に、上記コンデンサと上記インダクタとの直列体をそれぞれ接続したことを特徴とする請求項１に記載のＤＣ／ＤＣ電力変換装置。
【請求項３】
上記各回路内の上記高圧側素子と上記低圧側素子との接続点を中間端子として、上記所定の１回路と他の各回路との間となる該中間端子間に上記コンデンサをそれぞれ接続し、上記高圧側素子および上記低圧側素子の接続線と上記平滑コンデンサの端子との間に上記インダクタをそれぞれ接続したことを特徴とする請求項１に記載のＤＣ／ＤＣ電力変換装置。
【請求項４】
上記駆動用インバータ回路内の上記各半導体スイッチング素子のオンオフ制御のための駆動用ゲート信号を生成する駆動用ゲート信号生成手段と、上記整流回路内の上記各半導体スイッチング素子のオンオフ制御のための整流用ゲート信号を、上記駆動用ゲート信号とは別に生成する整流用ゲート信号生成手段とを備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のＤＣ／ＤＣ電力変換装置。
【請求項５】
上記各コンデンサのコンデンサ容量と該各コンデンサの充放電経路内の上記各インダクタのインダクタンスとで決まる共振周期はそれぞれ等しく、
上記整流用ゲート信号は、上記駆動用ゲート信号の各パルスの立ち上がりタイミングから上記共振周期の１／２の期間の範囲内で発生されるパルスから成ることを特徴とする請求項４に記載のＤＣ／ＤＣ電力変換装置。
【請求項６】
上記整流用ゲート信号の各パルスは、上記駆動用ゲート信号のパルスと、立ち上がりタイミングが一致すると共に立ち下がりタイミングが所定時間早いことを特徴とする請求項５に記載のＤＣ／ＤＣ電力変換装置。
【請求項７】
上記整流用ゲート信号の各パルスは、パルス幅が上記共振周期の１／２と該一致することを特徴とする請求項５に記載のＤＣ／ＤＣ電力変換装置。
【請求項８】
上記整流回路に接続される上記コンデンサを流れる電流を検出する電流検出手段を備え、上記整流用ゲート信号生成手段は、上記電流検出手段による検出電流に応じて上記整流用ゲート信号を生成することを特徴とする請求項５に記載のＤＣ／ＤＣ電力変換装置。
【請求項９】
上記直流／直流変換は昇圧動作による電力変換であり、上記所定の１回路が上記駆動用インバータ回路であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のＤＣ／ＤＣ電力変換装置。
【請求項１０】
上記直流／直流変換は降圧動作による電力変換であり、上記所定の１回路以外の他の各回路が上記駆動用インバータ回路であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のＤＣ／ＤＣ電力変換装置。
【請求項１１】
上記所定の１回路は、両側が上記複数の回路内の他の回路に接続されて中間に位置することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のＤＣ／ＤＣ電力変換装置。
【請求項１２】
上記各回路は、該回路を動作させるための電源回路を備え、該各電源回路は、上記各回路内の平滑コンデンサからＤＣ／ＤＣコンバータを介して電力供給することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のＤＣ／ＤＣ電力変換装置。
【請求項１３】
上記平滑コンデンサの端子に接続される、該ＤＣ／ＤＣ電力変換装置の入出力用端子の対を複数組備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のＤＣ／ＤＣ電力変換装置。
【請求項１４】
半導体スイッチング素子から成る高圧側素子および低圧側素子を直列接続して平滑コンデンサの正負端子間に接続して成る駆動用インバータ回路と、ダイオード素子から成る高圧側素子および低圧側素子を直列接続して平滑コンデンサの正負端子間に接続して成る整流回路とを、合わせて複数個直列に接続して、該複数の回路の内、所定の１回路と他の各回路との間にそれぞれエネルギ移行用のコンデンサを接続し、かつ、該コンデンサを充放電する経路にインダクタを配し、
上記コンデンサの充放電により直流／直流変換を行うことを特徴とするＤＣ／ＤＣ電力変換装置。
【請求項１５】
上記各回路内の上記高圧側素子と上記低圧側素子との接続点を中間端子として、上記所定の１回路と他の各回路との間となる該中間端子間に、上記コンデンサと上記インダクタとの直列体をそれぞれ接続したことを特徴とする請求項１４に記載のＤＣ／ＤＣ電力変換装置。
【請求項１６】
上記各回路内の上記高圧側素子と上記低圧側素子との接続点を中間端子として、上記所定の１回路と他の各回路との間となる該中間端子間に上記コンデンサをそれぞれ接続し、上記高圧側素子および上記低圧側素子の接続線と上記平滑コンデンサの端子との間に上記インダクタをそれぞれ接続したことを特徴とする請求項１４に記載のＤＣ／ＤＣ電力変換装置。
【請求項１７】
上記各コンデンサのコンデンサ容量と該各コンデンサの充放電経路内の上記各インダクタのインダクタンスとで決まる共振周期はそれぞれ等しく設定されることを特徴とする請求項１４〜１６のいずれか１項に記載のＤＣ／ＤＣ電力変換装置。
【請求項１８】
上記直流／直流変換は昇圧動作による電力変換であり、上記所定の１回路が上記駆動用インバータ回路であることを特徴とする請求項１４〜１６のいずれか１項に記載のＤＣ／ＤＣ電力変換装置。
【請求項１９】
上記直流／直流変換は降圧動作による電力変換であり、上記所定の１回路以外の他の各回路が上記駆動用インバータ回路であることを特徴とする請求項１４〜１６のいずれか１項に記載のＤＣ／ＤＣ電力変換装置。
【請求項２０】
上記所定の１回路は、両側が上記複数の回路内の他の回路に接続されて中間に位置することを特徴とする請求項１４〜１６のいずれか１項に記載のＤＣ／ＤＣ電力変換装置。
【請求項２１】
上記駆動用インバータ回路は、該回路を動作させるための電源回路を備え、該電源回路は、上記駆動用インバータ回路内の平滑コンデンサからＤＣ／ＤＣコンバータを介して電力供給することを特徴とする請求項１４〜１６のいずれか１項に記載のＤＣ／ＤＣ電力変換装置。
【請求項２２】
上記平滑コンデンサの端子に接続される、該ＤＣ／ＤＣ電力変換装置の入出力用端子の対を複数組備えることを特徴とする請求項１４〜１６のいずれか１項に記載のＤＣ／ＤＣ電力変換装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
第１の発明によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置は、半導体スイッチング素子から成る高圧側素子および低圧側素子を直列接続して平滑コンデンサの正負端子間に接続して成る回路を複数個直列に接続する。上記複数の回路の内、所定の１回路と他の各回路との間にそれぞれエネルギ移行用のコンデンサを接続し、かつ、該コンデンサを充放電する経路にインダクタを配す。そして、上記複数の回路の内、所定の回路を駆動用インバータ回路に用い、他の回路を整流回路に用いて、上記コンデンサの充放電により直流／直流変換を行うものである。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
第２の発明によるＤＣ／ＤＣ電力変換装置は、半導体スイッチング素子から成る高圧側素子および低圧側素子を直列接続して平滑コンデンサの正負端子間に接続して成る駆動用インバータ回路と、ダイオード素子から成る高圧側素子および低圧側素子を直列接続して平滑コンデンサの正負端子間に接続して成る整流回路とを、合わせて複数個直列に接続する。上記複数の回路の内、所定の１回路と他の各回路との間にそれぞれエネルギ移行用のコンデンサを接続し、かつ、該コンデンサを充放電する経路にインダクタを配す。そして、上記コンデンサの充放電により直流／直流変換を行うものである。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
この発明による第１、第２のＤＣ／ＤＣ電力変換装置は、駆動用インバータ回路と整流回路とを、合わせて複数個直列に接続して、所定の１回路と他の各回路との間にそれぞれコンデンサを接続すると共に該コンデンサを充放電する経路にインダクタを配する。このため、コンデンサとインダクタとの共振現象を利用して変換効率を向上できると共に、コンデンサおよびインダクタに流れる電流値を低減でき、各コンデンサおよび各インダクタの電流定格を低減して装置構成を小型化できる。
【国際調査報告】
2008032424.tif 000027
2008032424.tif 000028
2008032424.tif 000029
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