(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれがインダクタンス素子を含む５個以上の電力回路を備え、常にそれら５個以上の電力回路の中の少なくとも１つがオン状態となるように、それら５個以上の電力回路を切り替えながら且つその切替え時に２個以上の電力回路のオン状態の期間が互いに重複するように制御される電力回路において、
上記５個以上の電力回路の中の互いに隣接する電力回路を同時にオン状態としないことを特徴とする電力回路。
【請求項２】
それぞれがインダクタンス素子を含む５個以上の電力回路および制御回路を備え、上記制御回路が上記５個以上の電力回路のオン・オフ状態を制御することによって、常にそれら５個以上の電力回路の中の少なくとも１つがオン状態となる電力回路において、
上記制御回路が、上記５個以上の電力回路を切り替えながら且つその切替え時に２個以上の電力回路のオン状態の期間が互いに重複するように制御する際に、それら５個以上の電力回路の中の互いに隣接する電力回路を同時にオン状態としないように制御することを特徴とする電力回路。
【請求項３】
それぞれがインダクタンス素子を含み所定の順番に並べられて配置された５個以上の電力回路および制御回路を備え、該制御回路が上記５個以上の電力回路のオン・オフ状態を制御することによって、常にそれら５個以上の電力回路の中の少なくとも１つがオン状態となる電力回路において、
上記制御回路は、上記５個以上の電力回路の中の第１の電力回路を第１の期間オン状態にし、上記第１の電力回路から少なくとも１つのオフ状態の電力回路を跨いだ位置に配置されている第２の電力回路を上記第１の期間に一部が重複する第２の期間オン状態にする制御を行うことを特徴とする電力回路。
【請求項４】
上記５個以上の電力回路を互いに磁気的に遮蔽する遮蔽板を設けたことを特徴とする請求項１、２または３に記載の電力回路。
【請求項５】
上記５個以上の電力回路が、それぞれＤＣ／ＤＣ変換回路であることを特徴とする請求項１、２、３または４に記載の電力回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は複数の電力回路からなる電力回路に関し、特に複数のＤＣ／ＤＣ変換回路から構成されるＤＣ／ＤＣコンバータに係わる。
【０００２】
【従来の技術】
複数の回路を並列に接続し、それら各回路動作を適当に制御することにより、高速化や大容量化などの効果を得ようとする試みはよく行われている。例えば、複数のＤＣ／ＤＣ変換回路を並列に接続し、それら各ＤＣ／ＤＣ変換回路の出力を平均化して大容量の直流電圧を取り出す回路が知られている。
【０００３】
ＤＣ／ＤＣコンバータは、変換時のロスが少なく高い変換効率であることが望まれるが、高効率を実現する形態のひとつとしては、共振型のＤＣ／ＤＣコンバータが知られている。以下に、大容量で高効率のＤＣ／ＤＣコンバータとして、並列接続された共振型ＤＣ／ＤＣコンバータの構成および動作を説明する。
【０００４】
図５は、５個の共振型ＤＣ／ＤＣ変換回路を並列に接続したＤＣ／ＤＣコンバータの回路図である。同図において、第１の共振型ＤＣ／ＤＣ変換回路（以下、第１のＤＣ／ＤＣと省略する）は、入力側直流電源とインダクタＬ１１との間にスイッチＳＷ１が設けられ、インダクタＬ１１の出力はダイオードＤ１１のアノードに接続されている。ダイオードＤ１１のカソードはインダクタＬ１２に接続されるとともに、コンデンサＣ１  およびダイオードＤ２１を介して接地されている。そして、インダクタＬ１１とコンデンサＣ１  によってＬＣ共振を行う。
【０００５】
第２〜第５の共振型ＤＣ／ＤＣ変換回路（以下、それぞれ第２〜第５のＤＣ／ＤＣと省略する）は、上記第１のＤＣ／ＤＣと同じ構成である。そして、第１〜第５のＤＣ／ＤＣの各インダクタＬ２１〜Ｌ２５の出力側が互いに接続されて共通出力となっている。共通出力は、コンデンサＣ０  を介して接地されている。
【０００６】
次に、上記構成の共振型ＤＣ／ＤＣコンバータの動作を説明する。まず、スイッチＳＷ１をオン状態にすると、入力側直流電源からインダクタＬ１１を介して供給される電流がコンデンサＣ１  に蓄積され、その電位が上昇する。その後、スイッチＳＷ１をオフ状態にすると、コンデンサＣ１  に蓄積された電荷はダイオードＤ１１に遮られているためにインダクタＬ１１へ逆流することはなく、出力電圧として消費され、その電位が徐々に低下していく。
【０００７】
以上の動作は、第２〜第５のＤＣ／ＤＣにおいても同じである。そして、各第１〜第５のＤＣ／ＤＣの出力は、それぞれインダクタＬ２１〜Ｌ２５とコンデンサＣ０  から構成されるフィルタによって平均化され、直流電圧として出力される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、第１〜第５のＤＣ／ＤＣのスイッチＳＷ１〜５のスイッチング動作は、その制御を簡単にするために、各スイッチＳＷ１〜５が同時にオン状態となるように制御しても直流電圧を得ることができる。しかしながら、第１〜第５のＤＣ／ＤＣから位相のそろった電圧波形が出力されると、出力波形のリップルが大きくなり、平滑化のためのフィルタのコンデンサの容量を大きくしなければならないという問題が生じる。
【０００９】
この問題を解決するために、例えば、図６に示すようなタイミングで、スイッチＳＷ１〜５のスイッチング状態を制御することが考えられる。すなわち、同図で例では、１周期を１２．５μ秒、各スイッチＳＷ１〜５のオン状態の時間を４μ秒とし、スイッチＳＷ１→ＳＷ２→ＳＷ３→ＳＷ４→ＳＷ５→ＳＷ１の順番でそれらスイッチＳＷ１〜５がオン状態となるように制御している。そして、任意のスイッチがオン状態となる期間と、その任意のスイッチの次のタイミングでオン状態となるスイッチのオン状態の期間とが重なる期間（この例では、１．５μ秒）を設け、常に少なくとも１つのスイッチがオン状態になるように制御する。このように、上述のような２つのスイッチのオン状態が重なる期間を設けることによって、並列接続された共振型ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧が連続的になるので、その出力側においてリップルを吸収するための上記フィルタへの負担が軽くなり、そのコンデンサを小型化したり、コンデンサの発熱を抑えることを可能にしている。
【００１０】
しかしながら、一般に、ＤＣ／ＤＣコンバータの全体構成を小型化したいという要求があり、そのために第１〜第５のＤＣ／ＤＣを互いに出来るだけ近接させて設計をするので、上述のように、２つのスイッチが同時にオン状態となる期間が存在すると、それら２つのスイッチによって動作を制御される２つのＤＣ／ＤＣ変換回路が、互いに影響を及ぼしあってしまう。例えば、スイッチＳＷ１およびＳＷ２が同時にオン状態となると、インダクタＬ１１およびＬ１２によって生成される磁束が互いに干渉しあい、それらインダクタＬ１１とＬ１２とが結合してトランス状態となるので、それらインダクタＬ１１およびＬ１２を流れる電流の波形が乱れる。インダクタＬ１１およびＬ１２を流れる電流の波形を図７を参照しながら説明する。
【００１１】
図７において、第１と第２のＤＣ／ＤＣとの間での相互作用がないと仮定したときのインダクタＬ１１およびＬ１２に流れる電流ＩＲ１，ＩＲ２の波形を実線で示す。この場合、電流ＩＲ１，ＩＲ２の波形は正弦半波である。
【００１２】
ところが、実際は、同図に破線で示すように、電流ＩＲ１の正弦半波の立下りが緩やかになり、また、電流ＩＲ２の正弦半波の立上りも緩やかになる。このため、スイッチングロスが発生し、熱に変換される電力が増加する。したがって、ＤＣ／ＤＣコンバータとして所望の電圧を得るためには、入力電流を増加させることになり、変換効率が悪化してしまうという問題がある。
【００１３】
このような問題は、上記並列接続された共振型ＤＣ／ＤＣコンバータに限ったものではなく、複数の回路を近接させて配置し、それら回路の動作状態による影響が隣接する回路に及ぶような構成の場合、考慮しなければならない。
【００１４】
本発明は、上記課題を解決するものであり、複数の電力回路から成る電力回路における各回路間の相互作用を低下させることを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に記載の電力回路は、それぞれがインダクタンス素子を含む５個以上の電力回路を備え、常にそれら５個以上の電力回路の中の少なくとも１つがオン状態となるように、それら５個以上の電力回路を切り替えながら且つその切替え時に２個以上の電力回路のオン状態の期間が互いに重複するように制御される構成である。そして、上記５個以上の電力回路の中の互いに隣接する電力回路を同時にオン状態としないように動作する。
【００１６】
本発明の請求項２に記載の電力回路は、それぞれがインダクタンス素子を含む５個以上の電力回路および制御回路を備え、上記制御回路が上記５個以上の電力回路のオン・オフ状態を制御することによって、常にそれら５個以上の電力回路の中の少なくとも１つがオン状態となる構成である。そして、上記制御回路が、上記５個以上の電力回路を切り替えながら且つその切替え時に２個以上の電力回路のオン状態の期間が互いに重複するように制御する際に、それら５個以上の電力回路の中の互いに隣接する電力回路を同時にオン状態としないように制御する。
【００１７】
本発明の請求項３に記載の電力回路は、それぞれがインダクタンス素子を含み所定の順番に並べられて配置された５個以上の電力回路および制御回路を備え、該制御回路が上記５個以上の電力回路のオン・オフ状態を制御することによって、常にそれら５個以上の電力回路の中の少なくとも１つがオン状態となる構成である。そして、上記制御回路は、上記５個以上の電力回路の中の第１の電力回路を第１の期間オン状態にし、上記第１の電力回路から少なくとも１つのオフ状態の電力回路を跨いだ位置に配置されている第２の電力回路を上記第１の期間に一部が重複する第２の期間オン状態にする制御を行う。
【００１８】
なお、上記電力回路において、上記５個以上の電力回路を互いに磁気的に遮蔽する遮蔽板を設けるようにしてもよい。また、上記５個以上の電力回路は、それぞれＤＣ／ＤＣ変換回路であってもよい。
【００１９】
上記請求項１〜４において、上記各複数の電力回路をＤＣ／ＤＣ変換回路として構成することによってＤＣ／ＤＣコンバータを構成する。
【００２０】
本発明の電力回路は、５個以上の電力回路を切り替えながら且つその切替え時に２個以上の電力回路のオン状態の期間が互いに重複するように制御される構成において、互いに隣接する電力回路が同時にオン状態とならないようにしたので、連続した出力電力を得ながら、互いに隣接する電力回路が同時にオン状態となることによって発生する相互作用が小さくなる。
【００２１】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の電力回路の一実施例の共振型ＤＣ／ＤＣコンバータの回路図である。同図において、従来の技術として説明した図５で使用した符号と同じ符号は、同一の素子を示す。また、図１において、それぞれ第１〜第５の共振型ＤＣ／ＤＣ変換回路（以下、それぞれ第１〜第５のＤＣ／ＤＣと省略する）の入力側にコンデンサＣ１１〜Ｃ１５を設けているが、これらコンデンサＣ１１〜Ｃ１５は、図５では省略したものである。したがって、図１に示す共振型ＤＣ／ＤＣコンバータの回路構成は図５を用いて説明した通りであり、ここでは省略する。また、ここでは、第１〜第５のＤＣ／ＤＣが、各請求項に記載の複数の電力回路に対応する。
【００２２】
上記共振型ＤＣ／ＤＣコンバータは、第１〜第５のＤＣ／ＤＣを電気的に並列接続することによって構成しているが、それらの物理的な配置は、その番号の順番（１、２、３、４、５）に一列に並べられている。
【００２３】
また、各第１〜第５のＤＣ／ＤＣの動作は、図５を用いて説明した動作と同じであり、各スイッチＳＷ１〜ＳＷ５がそれぞれ１２．５μ秒ごとに４μ秒間だけオン状態となるように制御される。この制御は、図２に示す制御回路によって実行される。
【００２４】
図２は、上記共振型ＤＣ／ＤＣコンバータの各スイッチＳＷ１〜ＳＷ５のオン・オフ状態を制御する制御回路である。カウンタ１０は、デコーダ機能が内蔵されたジョンソン・カウンタであり、クロック信号が入力される毎に、出力１→出力２→出力３→出力４→出力５→出力１という順番でサイクリックにパルスを出力する。ここでは、カウンタ１０に入力されるクロックの周期は２．５μ秒である。
【００２５】
カウンタ１０の出力１〜出力５から出力されるパルス信号は、それぞれパルス幅調整回路１１−１〜１１−５に入力される。パルス幅調整回路１１−１〜１１−５は、例えばワンショット・マルチバイブレータであり、入力パルス信号の立上り（または、立下り）のタイミングで４μ秒のパルス幅を有する信号を出力する。
【００２６】
パルス幅調整回路１１−１〜１１−５が出力する信号は、それぞれ、スイッチＳＷ１，ＳＷ４，ＳＷ２，ＳＷ５，ＳＷ３を制御する。スイッチＳＷ１〜ＳＷ５をトランジスタとすると、パルス幅調整回路１１−１〜１１−５が出力する信号は、それらトランジスタのベースに入力される。この信号によって、各スイッチＳＷ１〜ＳＷ５は、１２．５μ秒周期において、４μ秒のオン状態と８．５μ秒のオフ状態とを繰り返す。
【００２７】
図３は、スイッチＳＷ１〜ＳＷ５のオン・オフ状態を説明するタイムチャートである。同図に示すように、上記制御回路が出力する信号によって各スイッチＳＷ１〜ＳＷ５のオン・オフ状態を制御すると、スイッチＳＷ１のオン状態の期間と重複するオン状態の期間を有するスイッチは、スイッチＳＷ３およびスイッチＳＷ４である。以下では、各スイッチＳＷ１〜ＳＷ５がオン状態のとき、それぞれ対応する第１〜第５のＤＣ／ＤＣがオン状態であるという表現を用いる。
【００２８】
ここで、第１のＤＣ／ＤＣと第３のＤＣ／ＤＣとは互いに隣接しておらず、また第１のＤＣ／ＤＣと第４のＤＣ／ＤＣも互いに隣接していない。したがって、第１および第３のＤＣ／ＤＣ（または、第１および第４のＤＣ／ＤＣ）が同時にオン状態になり、それぞれインダクタＬ１１およびＬ１３（または、インダクタＬ１１およびＬ１４）に同時に電流が流れても、それらインダクタ間は所定間隔以上（少なくとも、１つのＤＣ／ＤＣ変換回路を跨ぐだけの距離）隔てられているので、それらインダクタが生成する磁束による相互の影響は非常に小さくなる。
【００２９】
このため、スイッチＳＷ１およびＳＷ３（または、スイッチＳＷ４）がオン状態の期間にインダクタＬ１１およびＬ１３（または、インダクタＬ１４）に流れる電流の波形はほぼ正弦半波となり、スイッチングロスが減少し、ＤＣ／ＤＣ変換の効率が向上する。
【００３０】
同様に、第２〜第５のＤＣ／ＤＣのそれぞれにおいても、任意のＤＣ／ＤＣ変換回路がオン状態となっている期間に、それと重複するようにオン状態となる他のＤＣ／ＤＣ変換回路は、上記任意のＤＣ／ＤＣ変換回路とは隣接していないＤＣ／ＤＣ変換回路である。したがって、上述の制御回路が出力する信号を用いて各スイッチＳＷ１〜ＳＷ５のオン・オフ状態を制御すると、第１〜第５のＤＣ／ＤＣのなかの少なくとも１つのＤＣ／ＤＣ変換回路をオン状態として動作させながら、互いに隣接するＤＣ／ＤＣ変換回路どうしを同時にオン状態にさせないように動作させることができる。この結果、第１〜第５のＤＣ／ＤＣのそれぞれにおいてスイッチングロスが減少し、共振型ＤＣ／ＤＣコンバータ全体でＤＣ／ＤＣ変換の効率が向上する。
【００３１】
なお、パルス幅調整回路１１−１〜１１−５と各スイッチＳＷ１〜ＳＷ５との接続関係は、図２に示したパターンに限定されず、互いに隣接するＤＣ／ＤＣ変換回路どうしを同時にオン状態にさせないように動作させる接続関係であればよく、例えば、パルス幅調整回路１１−１〜１１−５の出力をそれぞれスイッチＳＷ１，ＳＷ３，ＳＷ５，ＳＷ２，ＳＷ４に入力するようにしてもよい。
【００３２】
また、上記実施例では、５個のＤＣ／ＤＣ変換回路を並列に接続した構成であるが、５個以上であれば任意の数のＤＣ／ＤＣ変換回路から成る構成とすることができる。
【００３３】
上述の実施例では、スイッチングのタイミングを制御することによって、隣接するＤＣ／ＤＣ変換回路のインダクタに同時に電流が流れた場合の相互作用を防ぐ構成であるが、他の構成としては、図４に示すように、遮蔽板を用いる方法が考えられる。この場合、各インダクタＬ１１〜Ｌ１５に電流が流れたときに発生する磁束が他のインダクタへ到達しないように、各インダクタＬ１１〜Ｌ１５の間を互いに遮るように、遮蔽板２０を共振型ＤＣ／ＤＣコンバータが形成されている基板２１に取り付ける。遮蔽板２０は、例えば、ケイ素鋼板である。この構成においても、各インダクタＬ１１〜Ｌ１５間の相互作用を低下させることができる。
【００３４】
図１に戻る。コンデンサＣ１１〜Ｃ１５は、それぞれ第１〜第５のＤＣ／ＤＣへ供給する電荷を一時的に蓄積する。たとえば、第１のＤＣ／ＤＣにおいて、スイッチＳＷ１がオフ状態にときにコンデンサＣ１１に電荷が蓄積されてその電位が上昇する。そして、スイッチＳＷ１がオン状態になるとその電荷がインダクタＬ１１を介して流れる。このとき、もしスイッチＳＷ１およびＳＷ２が同時にオン状態になったとすると、コンデンサＣ１１とＣ１２との間の配線は短いので、コンデンサＣ１１とＣ１２の電位が互いに影響を及ぼしあい、インダクタＬ１１またはＬ１２に流れる電流が乱れる恐れがある。しかしながら、この実施例の共振型ＤＣ／ＤＣコンバータでは、隣接するＤＣ／ＤＣ変換回路どうしが同時にオン状態になることがないので、このような問題は発生せず、各インダクタＬ１１〜Ｌ１５を介して流れる電流は安定し、安定したＤＣ／ＤＣ変換を行うことができる。
【００３５】
また、上述のようなスイッチングのタイミングを制御することによる効果は、フィルタに対しても表れる。図１の例では、上記制御により、各インダクタＬ２１〜Ｌ２５間の相互作用が小さくなり、安定した平滑化が期待できる。この場合、それぞれインダクタＬ２１〜Ｌ２５を含む複数のフィルタが、各請求項の複数の電力回路に相当する。
【００３６】
このように、上述のようなスイッチＳＷ１〜ＳＷ５のオン・オフ状態のタイミング制御は、隣接するＤＣ／ＤＣ変換回路のインダクタの相互作用を防ぐだけでなく、隣接する回路が同時にオン状態になることによって発生する相互作用を防ぐ点において有効である。換言すれば、複数の回路を並べて配置し、常にそれら回路のうち少なくとも１つがオン状態（動作状態）であるような集積回路であって、互いに隣接する回路どうしが同時にオン状態になった場合に相互作用を発生する構成において、上記実施例で示したタイミング制御は、その相互作用を低下させるために有効である。
【００３７】
【発明の効果】
複数の電力回路からなる電力回路において、互いに隣接する電力回路が同時にオン状態になることを防ぐので、各電力回路間の相互作用を低下させることができる。
【００３８】
特に、複数のＤＣ／ＤＣ変換回路を接続して構成したＤＣ／ＤＣコンバータにおいて、隣接するＤＣ／ＤＣ変換回路が同時にオン状態にならないようにしたので、それら隣接するＤＣ／ＤＣ変換回路がそれぞれ有するインダクタ間の相互作用が減少し、スイッチングロスが低下するので、変換効率が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一例のＤＣ／ＤＣコンバータの回路図である。
【図２】上記ＤＣ／ＤＣコンバータのスイッチング動作を制御する制御回路のブロック図である。
【図３】上記ＤＣ／ＤＣコンバータの各ＤＣ／ＤＣ変換回路の動作を説明するタイムチャートである。
【図４】本発明のＤＣ／ＤＣコンバータの各ＤＣ／ＤＣ変換回路の間に設ける遮蔽板を示す模式図である。
【図５】複数のＤＣ／ＤＣ変換回路が並列接続されたＤＣ／ＤＣコンバータの一例を示す回路図である。
【図６】従来技術における各ＤＣ／ＤＣ変換回路の動作を説明するタイムチャートである。
【図７】従来技術における電流波形の乱れを説明する図である。
【符号の説明】
ＳＷ１〜ＳＷ５          スイッチ
Ｌ１１〜Ｌ１５              インダクタ（共振用）
Ｄ１１〜Ｄ１５              ダイオード
Ｃ１  〜Ｃ５                コンデンサ（共振用）
Ｄ２１〜Ｄ２５              ダイオード
Ｌ２１〜Ｌ２５              インダクタ
Ｃ０                      コンデンサ
Ｃ１１〜Ｃ１５              コンデンサ
１０                    カウンタ
１１−１〜１１−５      パルス幅調整回路
２０                    遮蔽板
【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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