(57)【要約】【課題】多段接続された複数のスイッチング電源を含む電源システムの動作の安定性を向上させる。【解決手段】変圧部は、外部電圧源からの電圧を降圧して複数のスイッチング電源へ出力する。また、制御部は、変圧部から出力された電圧とあらかじめ設定された基準電圧と外部から設定された増幅度とに基づいて、制御電圧を生成して出力する。変調部は、この制御電圧に基づいて、スイッチ部のオンとオフとのタイミング比を示すスイッチ制御信号を生成して出力する。スイッチ部は、このスイッチ制御信号が示すタイミング比で負荷に対する電圧の出力を制御する。【選択図】図１
2011024372.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに直列に接続されており、後段に接続された負荷へ電圧を出力する複数のスイッチング電源のうち初段の前記スイッチング電源に設けられた安定化回路であって、
オンまたはオフのいずれかの動作により、前記後段に接続された負荷への電圧の出力を制御するスイッチ部と、
前記スイッチ部の制御により前記負荷への電圧の出力が可能な間、外部から当該安定化回路へ入力された電圧を降圧して当該安定化回路が設けられたスイッチング電源と接続されている前記スイッチング電源へ出力する変圧部と、
前記変圧部から出力された電圧とあらかじめ設定された基準電圧と外部から設定された増幅度とに基づいて、制御電圧を生成して出力する制御部と、
前記制御部から出力された制御電圧に基づいて、前記スイッチ部がオンするタイミングとオフするタイミングとの比を示すスイッチ制御信号を生成して出力する変調部とを有し、
前記スイッチ部は、前記スイッチ制御信号が示すオンとオフとのタイミング比で前記負荷への電圧の出力を制御する安定化回路。
【請求項２】
請求項１に記載の安定化回路において、
前記制御部は、前記変圧部から出力された電圧を微分する微分部と、該微分部が微分した電圧と前記基準電圧との差分を前記増幅度で増幅する増幅部とを有し、前記増幅部が増幅した電圧と前記微分部が微分した電圧とに基づいて、前記制御電圧を生成して出力することを特徴とする安定化回路。
【請求項３】
請求項２に記載の安定化回路において、
前記変圧部から出力された電圧を平滑化して当該安定化回路が設けられたスイッチング電源と接続されている前記スイッチング電源と前記微分部とへ出力する平滑化フィルタをさらに有し、
前記微分部は、前記平滑化フィルタから出力された電圧を微分して出力することを特徴とする安定化回路。
【請求項４】
請求項２に記載の安定化回路において、
前記微分部は、前記変圧部の出力端子と接続された第１のキャパシタと、該第１のキャパシタと直列接続された第１の抵抗と、該直列接続された第１のキャパシタおよび第１の抵抗に対して並列に接続された第２の抵抗とを有する第１微分回路と、前記第１の抵抗および前記第２の抵抗に直列接続された第２のキャパシタと、該第２のキャパシタと直列接続された第３の抵抗と、該直列接続された第２のキャパシタおよび第３の抵抗に対して並列に接続された第４の抵抗とを有する第２微分回路とを含み、前記第１および前記第２のキャパシタのそれぞれのキャパシタンスおよび前記第１、前記第２、前記第３、前記第４の抵抗のそれぞれの抵抗値は外部から変更可能であり、
前記増幅部は、入力側の正極端子が前記基準電圧を出力する基準電圧源と接続され、該入力側の負極端子が前記第１および前記第２の抵抗と前記第２のキャパシタとに接続され、当該増幅部の出力端子が前記第３および前記第４の抵抗と前記変調部とに接続されており、前記増幅度は前記第１および前記第２のキャパシタと前記第１、前記第２、前記第３、前記第４の抵抗とに付随して定まる回路パラメータにより設定されることを特徴とする安定化回路。
【請求項５】
互いに直列に接続されており、後段に接続された負荷へ電圧を出力する複数のスイッチング電源のうち初段のスイッチング電源を用いて前記複数のスイッチング電源を安定的に動作させる安定化方法であって、
前記初段のスイッチング電源に設けられたスイッチ部のオンまたはオフのいずれかの動作により、前記後段に接続された負荷への電圧の出力を制御するスイッチ処理と、
前記スイッチ処理における制御により前記負荷への電圧の出力が可能な間、外部から当該安定化回路へ入力された電圧を降圧して当該初段のスイッチング電源と接続されている前記スイッチング電源へ出力する変圧処理と、
前記変圧処理により出力された電圧とあらかじめ設定された基準電圧と外部から設定された増幅度とに基づいて、制御電圧を生成して出力する制御処理と、
前記制御処理により出力された制御電圧に基づいて、前記スイッチ部がオンするタイミングとオフするタイミングとの比を示すスイッチ制御信号を生成して出力する変調処理とを有し、
前記スイッチ処理では、前記スイッチ制御信号が示す前記スイッチ部に対するオンとオフとのタイミング比で前記負荷への電圧の出力を制御する安定化方法。
【請求項６】
請求項５に記載の安定化方法において、
前記制御処理は、前記変圧処理により出力された電圧を微分する微分処理と、該微分処理により微分した電圧と前記基準電圧との差分を前記増幅度で増幅する増幅処理とを有し、前記増幅処理により増幅した電圧と前記微分処理により微分した電圧とに基づいて、前記制御電圧を生成して出力することを特徴とする安定化方法。
【請求項７】
請求項６に記載の安定化方法において、
前記変圧処理により出力された電圧を平滑化して当該初段のスイッチング電源と接続されている前記スイッチング電源へ出力する平滑化フィルタ処理をさらに有し、
前記微分処理では、前記平滑化フィルタ処理により出力された電圧を微分して出力することを特徴とする安定化方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、安定化回路および安定化方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体集積回路であるＬＳＩ（Large Scale Integration）の低消費電力化に伴い、当該ＬＳＩに対する入力電圧値の低電圧化が進められている。それにより、ＬＳＩへ電圧を供給する電源システムにおいてもＬＳＩへ供給するための出力電圧の低電圧化が進められている。
【０００３】
このような電源システムの一形態として、１段のコンバータで構成した電源システムが考えられている（例えば、非特許文献１参照。）。
【０００４】
図７に示すように、この電源システムに設けられたＡＣ（Alternating Current）／ＤＣ（Direct Current）コンバータ１０００は、ＡＣ電圧源３０００から入力した電圧値を、ＬＳＩ（図示せず）の入力規格として設定された所定の電圧値へ直接変圧する。そして、ＡＣ／ＤＣコンバータ１０００は、所定の電圧値の電圧を、ＬＳＩ（図示せず）と接続されたスイッチング電源２０００−１、２０００−２、２０００−３へ中間バス１３００を介して出力する。
【０００５】
しかし、この電源システムにおいては、スイッチング電源２０００−１、２０００−２、２０００−３へ出力する所定の電圧値（図７の例では、ＤＣ５Ｖ〜ＤＣ１２Ｖ）がＡＣ電圧源３０００から入力する電圧値（図７の例では、ＡＣ１００Ｖ）よりも非常に低い場合、ＡＣ／ＤＣコンバータ１０００において入力電圧に対する出力電圧の変圧比を非常に小さくしなければならない。そのためには、ＡＣ／ＤＣコンバータ１０００が具備するスイッチング素子（図示せず）のデューティ比を極めて小さくするか、若しくはＡＣ／ＤＣコンバータ１０００が具備するトランスの巻数比を極めて小さくすることが必要となる。
【０００６】
しかし、スイッチング素子のデューティ比を非常に小さくした場合、電圧の変換効率の低下を招いてしまうという問題点がある。また、トランスの巻数比を非常に小さくした場合、当該トランスから漏れ出す磁束が大きくなるため、やはり電圧の変換効率の低下を招いてしまうという問題点がある。
【０００７】
電圧の変換効率の低下を回避しつつ、入力された電圧値よりも非常に低い所定の電圧値まで降圧する方法としては、多段接続した複数のコンバータを用いる方法がある（例えば、非特許文献１参照。）。
【０００８】
この方法によれば、図８に示すように、ＡＣ／ＤＣコンバータ１０００は、ＡＣ電圧源３０００から出力されてきた電圧（図８の例では、ＡＣ１００Ｖ）を、図７に示したＡＣ／ＤＣコンバータ１０００の変圧比よりも大きな変圧比で、所定の電圧値（図８の例では、ＤＣ５Ｖ〜ＤＣ１２Ｖ）よりも高い電圧値（図８の例では、ＤＣ  −４８Ｖ）まで一旦降圧する。続いて、中間バスコンバータ１１００は、ＡＣ／ＤＣコンバータ１０００によって降圧された電圧を、所定の電圧値までさらに降圧する。そして、中間バスコンバータ１１００は、所定の電圧値の電圧を、ＬＳＩ（図示せず）と接続されたスイッチング電源２０００−１、２０００−２、２０００−３へ中間バス１３００を介して出力する。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】R.V.White、「Emerging on-board power architectures」、APEC2003、p.781−785
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかし、コンバータを多段接続した場合、後段のコンバータ（図８の例では、スイッチング電源２０００−１、２０００−２、２０００−３）がその前段に接続されているコンバータ（中間バスコンバータ１１００）に対して定電力負荷の役割を果たし、当該中間バスコンバータ１１００から出力されてきた電圧に対して負性抵抗性を示す。
【００１１】
一般的なコンバータは、降圧した電圧の出力対象となる負荷が通常の抵抗負荷であることを想定して設計されている。そのため、コンバータを多段接続して構成された電源システムにおいては、当該電源システムを安定的に動作させるために選択可能な回路定数が制限されてしまい、ひいては、これらのコンバータを含む電源システムの動作の安定性が低下してしまうという問題点がある。
【００１２】
本発明は、上述した課題を解決する安定化回路および安定化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】
【００１３】
上記課題を解決するために、本発明の安定化回路は、互いに直列に接続されており、後段に接続された負荷へ電圧を出力する複数のスイッチング電源のうち初段の前記スイッチング電源に設けられた安定化回路であって、オンまたはオフのいずれかの動作により、前記後段に接続された負荷への電圧の出力を制御するスイッチ部と、前記スイッチ部の制御により前記負荷への電圧の出力が可能な間、外部から当該安定化回路へ入力された電圧を降圧して当該安定化回路が設けられたスイッチング電源と接続されている前記スイッチング電源へ出力する変圧部と、前記変圧部から出力された電圧とあらかじめ設定された基準電圧と外部から設定された増幅度とに基づいて、制御電圧を生成して出力する制御部と、前記制御部から出力された制御電圧に基づいて、前記スイッチ部がオンするタイミングとオフするタイミングとの比を示すスイッチ制御信号を生成して出力する変調部とを有し、前記スイッチ部は、前記スイッチ制御信号が示すオンとオフとのタイミング比で前記負荷への電圧の出力を制御する。
【００１４】
また、上記課題を解決するために、本発明の安定化方法は、互いに直列に接続されており、後段に接続された負荷へ電圧を出力する複数のスイッチング電源のうち初段のスイッチング電源を用いて前記複数のスイッチング電源を安定的に動作させる安定化方法であって、前記初段のスイッチング電源に設けられたスイッチ部のオンまたはオフのいずれかの動作により、前記後段に接続された負荷への電圧の出力を制御するスイッチ処理と、前記スイッチ処理における制御により前記負荷への電圧の出力が可能な間、外部から当該安定化回路へ入力された電圧を降圧して当該初段のスイッチング電源と接続されている前記スイッチング電源へ出力する変圧処理と、前記変圧処理により出力された電圧とあらかじめ設定された基準電圧と外部から設定された増幅度とに基づいて、制御電圧を生成して出力する制御処理と、前記制御処理により出力された制御電圧に基づいて、前記スイッチ部がオンするタイミングとオフするタイミングとの比を示すスイッチ制御信号を生成して出力する変調処理とを有し、前記スイッチ処理では、前記スイッチ制御信号が示す前記スイッチ部に対するオンとオフとのタイミング比で前記負荷への電圧の出力を制御する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、多段接続された複数のスイッチング電源を含む電源システムの動作の安定性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施形態に従った電源システムの構成を示す図である。
【図２】図１に示した中間バスコンバータおよび複数のスイッチング電源それぞれの各伝達関数に対応する経路を示す図である。
【図３】中間バスコンバータの伝達関数を示す図である。
【図４】図１に示した制御部の構成を示す図である。
【図５】図４に示した増幅部の比例ゲイン（増幅度）を変化させたときの、負性抵抗と初段出力キャパシタンスとの間の特性を示す図である。
【図６】中間バスコンバータと接続されている負性抵抗が変化したときの、電源システムを安定的に動作させることが可能な比例ゲイン（増幅度）と初段出力キャパシタンスとの間の関係の一例を示す図である。
【図７】１段のコンバータだけを備える電源システムの構成の一例を示す図である。
【図８】複数のコンバータが多段接続された電源システムの構成の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態に従った電源システム（安定化回路および安定化方法を含む）を説明する。
【００１８】
本実施形態の電源システムにおいては、中間バスコンバータ１と、スイッチング電源２−１〜２−ｎとが、中間バス４を介して多段に接続されている。スイッチング電源の台数ｎは任意でよいが、本実施形態では、図１に示すように、その台数ｎが「２」である場合について説明する。
【００１９】
なお、以下では、電源システム内の中間バスコンバータ１やスイッチング電源２−１〜２−ｎが直列に接続されている接続位置のうち当該電源システムにて電圧を供給する外部電圧源３と最も近い接続位置を「初段」といい、外部電圧源３から２番目に近い接続位置を「２段目」という。
【００２０】
図１の例では、中間バスコンバータ１が、「初段に設けられたスイッチング電源」に相当する。また、スイッチング電源２−１、２−２が、２段目に設けられたスイッチング電源に相当する。
【００２１】
さらに、以下では、２段目に設けられたｎ台（この例では、２台）のスイッチング電源２−１〜２−ｎのうちｋ番目のスイッチング電源を、スイッチング電源２−ｋ（ｋ：１〜ｎ）と表記する。なお、スイッチング電源２−１、２−２の例としては、ＰＯＬ（Point Of Load）コンバータが挙げられる。
【００２２】
中間バスコンバータ１が有する２つの入力端子には、外部電圧源３が接続されている。また、中間バスコンバータ１が有する２つの出力端子には、スイッチング電源２−１〜２−２のそれぞれが、中間バスコンバータ１に対して互いに並列に接続されている。
【００２３】
この中間バスコンバータ１は、外部電圧源３から出力されてきた電圧値Ｅiの電圧を入力し、その電圧を「所定の電圧値Ｖb」に降圧してスイッチング電源２−１、２−２のそれぞれへ出力する。
【００２４】
本実施形態では、スイッチング電源２−１は、スイッチ部２１１が導通している間、中間バスコンバータ１から出力されてきた所定の電圧値Ｖbの電圧を、当該スイッチング電源２−１に対する出力負荷として接続されている負荷抵抗Ｒ21へ出力する。
【００２５】
また、スイッチング電源２−２は、スイッチ部２２１が導通している間、中間バスコンバータ１から出力されてきた所定の電圧値Ｖbの電圧を、当該スイッチング電源２−２に対する出力負荷として接続されている負荷抵抗Ｒ22へ出力する。
【００２６】
つぎに、中間バスコンバータ１の詳細な構成について説明する。
【００２７】
中間バスコンバータ１には、安定化回路１０と、ダイオード１５と、ダイオード１６と、基準電圧源１７と、平滑化フィルタ１８とが設けられている。
【００２８】
安定化回路１０は、外部電圧源３から出力されてきた電圧を降圧してスイッチング電源２−１、２−２へ出力する際に、中間バスコンバータ１およびスイッチング電源２−１、２−２を安定的に動作させるための回路である。
【００２９】
この安定化回路１０には、変圧部１１と、制御部１２と、変調部１３と、スイッチ部１４とが設けられている。
【００３０】
変圧部１１は、その入力側において、正極端子が外部電圧源３の正極側と接続され、負極端子がスイッチ部１４と接続されている。
【００３１】
また、変圧部１１は、その出力側において、正極端子がダイオード１５のアノードと接続され、負極端子がダイオード１６のカソードと平滑キャパシタンスＣiとバルクキャパシタンスＣbとに接続されている。
【００３２】
変圧部１１は、スイッチ部１４が外部電圧源３と変圧部１１の入力側とを導通させた場合、外部電圧源３から出力されてきた電圧と制御部１２から出力されてきた電圧とを入力し、これらの電圧を所定の電圧値Ｖbの電圧へ変圧してダイオード１５へ出力する。
【００３３】
ダイオード１５は、変圧部１１から出力されてきた電圧によって流れる電流を一方向のみ（当該ダイオード１５のアノード側からカソード側）へ出力する。本実施形態では、ダイオード１５は、当該電流を、変圧部１１の出力側の正極端子から損失抵抗ｒLおよび平滑インダクタンスＬiへ向かう方向のみへ出力する。
【００３４】
ダイオード１６は、ダイオード１５から出力されてきた電流が変圧部１１の出力側の負極端子へ流れることを防止する。
【００３５】
平滑化フィルタ１８は、変圧部１１から出力されてきた電圧を平滑化するためのフィルタである。
【００３６】
本実施形態では、平滑化フィルタ１８には、平滑インダクタンスＬiと、平滑キャパシタンスＣiとが設けられている。なお、平滑化フィルタ１８の内部には、平滑インダクタンスＬｉを有するコイル（図示せず）の抵抗成分である損失抵抗ｒLが存在する。
【００３７】
平滑インダクタンスＬiは、ダイオード１５から出力されてきた電流の変動を抑制することで、複数のスイッチング電源２−１、２−２へ流れる電流を平滑化する。
【００３８】
平滑キャパシタンスＣiは、一方の端子が平滑インダクタンスＬiおよび中間バスコンバータ１の出力側の正極端子と接続され、他方の端子が変圧部１１の出力側の負極端子と接続されている。この平滑キャパシタンスＣiは、変圧部１１から出力されてきた電圧を一定値（この例では、所定の電圧値Ｖb）に保つ動作（いわゆる平滑化）を行う。
【００３９】
制御部１２は、入力側の正極端子が基準電圧源１７と接続され、入力側の負極端子が平滑キャパシタンスＣiと平滑インダクタンスＬiとに接続されている。
【００４０】
また、本実施形態では、制御部１２が入力電圧を増幅する割合である「増幅度」は、「外部から設定可能」である。
【００４１】
なお、この「増幅度」は、制御部１２が入力した電圧と当該制御部１２が出力する電圧との関係を示す伝達関数（具体的には、図３にて後述する「制御ゲインＧｃ（ｓ）」）に相当する。
【００４２】
この制御部１２は、基準電圧源１７から出力されてきた「基準電圧」の基準電圧値Ｅriと、変圧部１１から出力されてきた電圧の所定の電圧値Ｖbと、外部から設定された増幅度とに基づいて、スイッチ部１４のデューティ比Ｄを制御するための「制御電圧」を生成して変調部１３へ出力する。
【００４３】
ここで、デューティ比Ｄとは、所定期間のうちのスイッチ部１４のオンするタイミングとスイッチ部１４のオフするタイミングとの「タイミング比」のことを指す。なお、本実施形態では、スイッチ部１４の定常状態におけるデューティ比Ｄが、Ｄ＝Ｄ1である場合を例に挙げて説明する。
【００４４】
変調部１３は、制御部１２から出力されてきた制御電圧に基づいて、所定期間においてスイッチ部１４を遮断する「オフ」のタイミングとスイッチ部１４を遮断しない「オン」のタイミングとの比を示す「スイッチ制御信号」を生成してスイッチ部１４へ出力する。なお、このタイミングが変化することにより、外部電圧源３から変圧部１１へ入力される電圧の平均値が変化する。
【００４５】
スイッチ部１４は、外部電圧源３の負極側と、変圧部１１の入力側の２つの端子のうち１つの端子との間に設けられている。
【００４６】
スイッチ部１４は、変調部１３から出力されてきたスイッチ制御信号が示す当該スイッチ部１４をオフするタイミングで、外部電圧源３と変圧部１１との間の接続状態を非導通状態とする。
【００４７】
また、スイッチ部１４は、スイッチ制御信号が示す当該スイッチ部１４をオンするタイミングで、外部電圧源３と変圧部１１とを導通させる。この場合、外部電圧源３から出力されてきた電圧値Ｅiの電圧が安定化回路１０内の変圧部１１へ入力されて、さらに変圧部１１の負荷側から降圧された電圧が出力される。
【００４８】
バルクキャパシタンスＣbは、中間バス４上に設けられており、その一方の端子が中間バスコンバータ１の出力側の正極端子と接続され、他方の端子が中間バスコンバータ１の出力側の負極端子と接続されている。つまり、バルクキャパシタンスＣbの両端には、中間バスコンバータ１から出力されてきた所定の電圧値Ｖbの電圧が印加される。
【００４９】
つぎに、スイッチング電源２−１、２−２の構成について説明する。スイッチング電源２−１、２−２の構成は互いに同じであるため、以下では、スイッチング電源２−１について説明する。
【００５０】
スイッチング電源２−１は、スイッチ部２１１と、ダイオード２１２と、ダイオード２１３と、平滑用インダクタンスＬ21と、平滑用キャパシタンスＣ21と、増幅部ＡＭＰ21と、直流電圧源Ｅｒ21とを有する。
【００５１】
スイッチ部２１１は、中間バスコンバータ１の出力側正極端子とダイオード２１２が有するアノードとの間に設けられている。スイッチ部２１１は、増幅部ＡＭＰ21から出力されてきた電圧の電圧値に応じて、中間バスコンバータ１とダイオード２１２との間の接続状態を導通または非導通のいずれかの状態に制御する。
【００５２】
スイッチ部２１１が中間バスコンバータ１とダイオード２１２とを導通させた場合、中間バスコンバータ１から出力されてきた所定の電圧値Ｖbの電圧がダイオード２１２のアノードへ入力される。なお、スイッチ部２１１の例としては、スイッチング素子が挙げられる。
【００５３】
ダイオード２１２は、中間バスコンバータ１から出力されてきた所定の電圧値Ｖbの電圧によって流れる電流を一方向のみへ出力する。本実施形態では、ダイオード２１２は、当該電流を、スイッチ部２１１から損失抵抗ｒ21および平滑インダクタンスＬ21へ向かう方向のみへ出力する。
【００５４】
ダイオード２１３は、ダイオード２１２から出力されてきた電流が負荷抵抗Ｒ21の負極端子へ直接流れ込むことを防止する。
【００５５】
平滑インダクタンスＬ21と平滑キャパシタンスＣ21とは、中間バスコンバータ１から出力されてきた所定の電圧値Ｖbの電圧を平滑化するための平滑化フィルタを構成する。
【００５６】
平滑用インダクタンスＬ21は、ダイオード２１２から出力されてきた電流の変動を抑制することで、負荷抵抗Ｒ21へ流れる電流を平滑化する。
【００５７】
平滑キャパシタンスＣ21は、負荷抵抗Ｒ21の両端へ印加される電圧の電圧値Ｖ１を一定にする（いわゆる平滑化）する役割を果たす。
【００５８】
増幅部ＡＭＰ21は、直流電圧源Ｅｒ21から出力されてきた電圧Ｅｒ21と、平滑キャパシタンスＣ21から出力されてきた電圧との差を増幅した電圧を生成してスイッチ部２１１へ出力する。
【００５９】
つぎに、図１に示した中間バスコンバータ１へ入力される電圧と、中間バスコンバータ１から出力される電圧との関係について、図２〜図３を参照して説明する。
【００６０】
なお、中間バスコンバータ１における入力電圧に対する出力電圧の割合を表す一巡伝達関数Ｔ1（ｓ）は、図２に矢印で示す経路に対応する。なお、ｓは、ラプラス演算子である。
【００６１】
そして、図３に示すように、この一巡伝達関数Ｔ1（ｓ）は、制御ゲインＧc（ｓ）と、変調ゲインＧPWM（ｓ）と、変圧ゲインＧvdo（ｓ）と、入出力ゲインＧvvo（ｓ）と、負荷ゲインＧvro（ｓ）と、交流ゲイン１／Ｐ（ｓ）とを含んでいる。
【００６２】
制御ゲインＧc（ｓ）は、図１に示した制御部１２における入力電圧に対する出力電圧の割合、つまり制御部１２の増幅度に相当する伝達関数である。
【００６３】
制御ゲインＧc（ｓ）は、基準電圧源１７から出力されてきた基準電圧値ΔＥri（ｓ）と、中間バスコンバータ１から出力されてきた所定の電圧値ΔＶb（ｓ）とを入力する。そして、制御ゲインＧc（ｓ）は、基準電圧値ΔＥri（ｓ）から所定の電圧値ΔＶb（ｓ）を減算した差分を算出し、この差分と制御ゲインＧc（ｓ）とを乗算した値をＧPWM（ｓ）へ出力する。
【００６４】
変調ゲインＧPWM（ｓ）は、変調部１３によって制御されるスイッチ部１４のデューティ比Ｄに応じて定まる伝達関数である。
【００６５】
この変調ゲインＧPWM（ｓ）は、制御ゲインＧc（ｓ）から出力されてきた値を入力し、この値と変調ゲインＧPWM（ｓ）とを乗算した値をデューティ比ΔＤ（ｓ）として変圧ゲインＧvdo（ｓ）へ出力する。
【００６６】
変圧ゲインＧvdo（ｓ）は、図１に示した変圧部１１の入力電圧の直流成分に対する出力電圧の直流成分の変換比に対応する伝達関数である。
【００６７】
この変圧ゲインＧvdo（ｓ）は、変調ゲインＧPWM（ｓ）から出力されてきたデューティ比ΔＤ（ｓ）を入力し、このΔＤ（ｓ）と変圧ゲインＧvdo（ｓ）とを乗じた値を、変圧部１１の出力電圧の直流成分として出力する。
【００６８】
入出力ゲインＧvvo（ｓ）は、開ループにおける外部電圧源３から入力された電圧ΔＥi（ｓ）に対する変圧部１１の出力電圧の割合を示す伝達関数である。
【００６９】
負荷ゲインＧvro（ｓ）は、開ループにおける入力電圧に対する負荷電圧の割合を示す伝達関数である。
【００７０】
交流ゲイン１／Ｐ（ｓ）は、変圧部１１へ入力された電圧の交流成分に対する変圧部１１から出力される電圧の交流成分の割合を示す伝達関数であり、中間バスコンバータ１の一巡伝達関数Ｔ1（ｓ）の分母に相当する。
【００７１】
この交流ゲイン１／Ｐ（ｓ）は、変圧ゲインＧvdo（ｓ）に付随する出力と、入出力ゲインＧvvo（ｓ）に付随する出力と、負荷ゲインＧvro（ｓ）に付随する出力とを加算した値を入力する。そして、交流ゲイン１／Ｐ（ｓ）は、当該入力した値と交流ゲイン１／Ｐ（ｓ）とを乗算した値を、所定の電圧値Ｖbの電圧として、スイッチング電源２−１、２−２と、制御部１２の伝達関数である制御ゲインＧc（ｓ）とへ出力する。
【００７２】
つぎに、図３に示した制御ゲインＧc（ｓ）を有する制御部１２の具体的な構成例について説明する。
【００７３】
この制御部１２をＰ（比例）−Ｄ（微分）制御を行うように構成した場合、図４に示すような構成の一形態で実現することが可能である。
【００７４】
この微分部１２２は、変圧部１１から出力されてきた所定の電圧値Ｖbの時間変化に応じた電圧値を有する電圧を変調部１３へ出力するＤ（微分）制御を行う。微分部１２２の例としては、微分回路が挙げられる。
【００７５】
図４の例においては、微分部１２２には、第１微分回路１２３と、第２微分回路１２４とが設けられている。
【００７６】
この第１微分回路１２３は、変圧部１１から出力されてきた所定の電圧値Ｖbの電圧を微分して増幅部１２１の入力側の負極端子と第２微分回路１２４とへ出力する。
【００７７】
なお、第１微分回路１２３には、第１のキャパシタＣi2と、第１の抵抗Ｒi2と、第２の抵抗Ｒi1とが設けられている。
【００７８】
第１のキャパシタＣi2が有する２つの端子のうち一方の端子は、変圧部１１が所定の電圧値Ｖbの電圧を出力する出力側と接続されている。
【００７９】
また、第１の抵抗Ｒi2は、第１のキャパシタＣi2と直列接続されている。
【００８０】
また、第２の抵抗Ｒi1は、互いに直列に接続されている第１のキャパシタＣi2および第１の抵抗Ｒi2に対して、並列に接続されている。
【００８１】
また、第２微分回路１２４は、第１微分回路１２３から出力されてきた電圧を微分して変調部１３へ出力する。
【００８２】
この第２微分回路１２４には、第２のキャパシタＣf1と、第３の抵抗Ｒf1と、第４の抵抗Ｒf2とが設けられている。
【００８３】
第２のキャパシタＣf1は、第１の抵抗Ｒi2および第２の抵抗Ｒi1と直列接続されている。
【００８４】
また、第３の抵抗Ｒf1は、第２のキャパシタＣf1と直列接続されている。
【００８５】
また、第４の抵抗Ｒf2は、互いに直列に接続されている第２のキャパシタＣf1および第３の抵抗Ｒf1に対して、並列に接続されている。
【００８６】
なお、制御部１２の増幅度（制御ゲインＧc（ｓ））は、微分部１２２が有する各素子（例えば、第１のキャパシタＣi2、第１の抵抗Ｒi2、第２の抵抗Ｒi1、第２のキャパシタＣf1、第３の抵抗Ｒf1、第４の抵抗Ｒf2）に付随して定まる「回路パラメータ」によって設定することが可能である。
【００８７】
本実施形態においては、第１のキャパシタＣi2、第１の抵抗Ｒi2、第２の抵抗Ｒi1、第２のキャパシタＣf1、第３の抵抗Ｒf1、第４の抵抗Ｒf2のそれぞれは、その抵抗値やキャパシタンスを外部から変更可能に構成されている場合を例に挙げて説明する。
【００８８】
また、本実施形態においては、増幅部１２１は、第１微分回路１２３から出力されてきた電圧と基準電圧源１７から出力されてきた基準電圧値Ｅriとの差分を算出する。そして、増幅部１２１は、この差分と比例ゲインｋpとの乗算値と同じ電圧値の電圧を変調部１３へ出力するＰ（比例）制御を行う。
【００８９】
この増幅部１２１の一例としては、比例回路が挙げられる。なお、増幅部１２１は、アナログの演算増幅器で構成するに限らず、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）などを用いてデジタル処理によりＰ制御を行うように構成してもよい。
【００９０】
つぎに、上述した構成を有する電源システムが安定的に動作するための条件について説明する。
【００９１】
中間バスコンバータ１の出力端子と接続されているスイッチング電源２−１〜２−ｎ（本実施形態では、ｎ＝２）すべての入力アドミタンスの合計値Ｙ2i（ｓ）は、スイッチング電源２−１〜２−ｎすべての入力インピーダンスの合計値Ｚ2i（ｓ）の逆数であり、以下の式１で表わされる。
【００９２】
【数１】
2011024372.tif 000003
【００９３】
上述した式１に示したＹ2ki（ｓ）は、ｋ番目のスイッチング電源２−ｋの入力アドミタンスであり、以下の式２で求められる。
【００９４】
【数２】
2011024372.tif 000004
【００９５】
なお、式２に示したＺ2ki（ｓ）は、ｋ番目のスイッチング電源２−ｋの入力インピータンスであり、各スイッチング電源２−ｋの入力アドミタンスＹ2ki（ｓ）の逆数と同じ値を有する。
【００９６】
また、式２に示したＴ2k（ｓ）は、ｋ番目のスイッチング電源２−ｋの一巡伝達関数である。また、式２に示したＤ2kは、ｋ番目のスイッチング電源２−ｋの定常状態におけるスイッチング素子（図１に示したスイッチ部２１１、２２１）のデューティ比である。
【００９７】
また、式２に示したＺ2ki_o（ｓ）は、ｋ番目のスイッチング電源２−ｋにおいて帰還をかけない開ループのときの、当該スイッチング電源２−ｋが具備する平滑インダクタンスと平滑キャパシタンス（スイッチング電源２−１の例では、平滑用インダクタンスＬ21と平滑キャパシタンスＣ21）とによって構成される平滑化フィルタの入力インピーダンスである。また、Ｒ2Kは、ｋ番目のスイッチング電源２−ｋの出力側に接続された負荷抵抗（スイッチング電源２−１の例では、負荷抵抗Ｒ21）である。
【００９８】
一般的に、２段目のスイッチング電源２−１、２−２のそれぞれには、小型化と高速応答性とが要求される。そのため、ｋ番目のスイッチング電源２−ｋに付随する一巡伝達関数Ｔ2k（ｓ）のクロスオーバ周波数は、初段に設けられた中間バスコンバータ１に付随する一巡伝達関数Ｔ1（ｓ）のクロスオーバ周波数よりも十分高く設定する必要がある。
【００９９】
そのため、初段の一巡伝達関数Ｔ1（ｓ）が有意の範囲では、一巡伝達関数Ｔ2k（ｓ）は「１」と比べて非常に大きく、一巡伝達関数Ｔ2k（ｓ）＞＞１とみなすことが可能である。
【０１００】
従って、２段目に設けられたｋ番目のスイッチング電源２−ｋの入力アドミタンスＹ2ki（ｓ）は、以下の式３で表わされる。
【０１０１】
【数３】
2011024372.tif 000005
【０１０２】
この式３に示したように、スイッチング電源の入力インピーダンスＺ2ki（ｓ）は、負性抵抗Ｒnegで近似することが可能である。
【０１０３】
さらに、式３を式１へ代入することにより、以下の式４に示す関係が得られる。
【０１０４】
【数４】
2011024372.tif 000006
【０１０５】
図２および図３に示した中間バスコンバータ１の一巡伝達関数Ｔ1（ｓ）は、以下の式５で表わされる。
【０１０６】
【数５】
2011024372.tif 000007
【０１０７】
さらに、式３を式５へ代入することにより、中間バスコンバータ１の一巡伝達関数Ｔ1（ｓ）は、以下の式６で表すことができる。
【０１０８】
【数６】
2011024372.tif 000008
【０１０９】
なお、式６に示したＣは、変圧部１１の出力側に接続されているキャパシタンスの合計値（以下、「初段出力キャパシタンスＣ」という）である。本実施形態では、初段出力キャパシタンスＣは、中間バスコンバータ１の平滑用キャパシタンスＣiと、中間バス用に設けられたバルクキャパシタンスＣbとを用いて、Ｃ＝Ｃi＋Ｃbと表わすことができる。
【０１１０】
また、式６に示した変圧ゲインＧvdo、ωoおよびδのそれぞれは、以下に示す式７〜９で表わされる。
【０１１１】
【数７】
2011024372.tif 000009
【０１１２】
【数８】
2011024372.tif 000010
【０１１３】
【数９】
2011024372.tif 000011
【０１１４】
また、図４に示したように、制御部１２がＰ−Ｄ制御を行うように構成されている場合、制御部１２の伝達関数である制御ゲインＧc（ｓ）は、以下の式１０で表わすことができる。
【０１１５】
【数１０】
2011024372.tif 000012
【０１１６】
この式１０を式６へ代入して、中間バスコンバータ１の一巡伝達関数Ｔ1（ｓ）に付随する特性方程式を求めることにより、以下の式１１に示す関係式が得られる。
【０１１７】
【数１１】
2011024372.tif 000013
【０１１８】
ここで、電源システムが安定的に動作するための必要十分条件は、式１１におけるラプラス演算子ｓの１次の項の係数が正であることである。そのため、式７〜式９を考慮した場合、電源システムが安定的に動作するための関係式として以下の式１２に示す関係式が得られる。
【０１１９】
【数１２】
2011024372.tif 000014
【０１２０】
また、式１２を用いて、電源システムが安定的に動作する初段出力キャパシタンスＣの最小値Ｃminを算出すると、以下の式１３に示す関係式が得られる。
【０１２１】
【数１３】
2011024372.tif 000015
【０１２２】
図５は、式１３の関係式において、比例ゲインｋpを変更したときの、負性抵抗Ｒnegと初段出力キャパシタンスＣとの関係を示す特性線の例である。
【０１２３】
なお、図５に示す特性線４１は、比例ゲインｋp＝０（Unregulated）であり、かつ初段出力キャパシタンスＣ＝Ｃminである場合における特性線である。また、特性線４２は、比例ゲインｋp＝０．１５であり、かつ初段出力キャパシタンスＣ＝Ｃminである場合における特性線である。また、特性線４３は、比例ゲインｋp＝０．３であり、かつ初段出力キャパシタンスＣ＝Ｃminである場合における特性線である。
【０１２４】
各特性線４１、４２、４３の上側の領域が、比例ゲインｋp＝０、０．１５、０．３である場合に電源システムが安定的に動作する領域であり、各特性線４１、４２、４３の下側の領域が、比例ゲインｋp＝０、０．１５、０．３である場合に電源システムの動作が不安定となる領域である。
【０１２５】
以下、中間バスコンバータ１から出力された所定の電圧値Ｖbの電圧に対する負性抵抗Ｒnegが小さくなったとき、つまり、中間バスコンバータ１に対する負荷が重くなったときの、中間バスコンバータ１の動作について説明する。
【０１２６】
なお、以下では、中間バスコンバータ１が、図６に示す点Ｐ１に対応する負性抵抗Ｒneg_1に対して、初段出力キャパシタンスＣ＝Ｃ1および比例ゲインｋp＝０．１５で動作している場合を例に挙げて説明する。
【０１２７】
ここで、負性抵抗Ｒnegの値がＲneg_1からＲneg_2へ変化した場合、増幅部１２１の比例ゲインｋp（この例では、ｋp＝「０．１５」）を変更することなく電源システムを安定的に動作させるためには、初段出力キャパシタンスＣの値を大きくすることが必要となる。図６に示した例では、中間バスコンバータ１の初段出力キャパシタンスＣを、Ｃ1からＣ2以上となるように変更する必要がある。
【０１２８】
しかし、本発明によれば、初段出力キャパシタンスＣの値の変更を行わない場合でも、増幅部１２１の比例ゲインｋp（増幅度）を大きくすることにより電源システムを安定的に動作させることが可能となる。なお、図５に示した例では、負性抵抗ＲnegがＲneg_1からＲneg_2へ変化した場合に、点Ｐ２に対応するＣ1に初段出力キャパシタンスＣを固定したままの状態で比例ゲインｋpを０．１５から０．３へ変更することにより、電源システムを安定的に動作させることが可能である。
【０１２９】
このことは、平滑インダクタンスＬiと初段出力キャパシタンスＣとから定まる回路定数を選定するときの自由度が拡大することに相当する。
【０１３０】
つぎに、上述した構成を有する電源システムの動作について説明する。
【０１３１】
なお、以下の説明の前提として、中間バスコンバータ１が有するスイッチ部１４は、変調部１３から出力されてきたスイッチ制御信号が示すオンとオフとのタイミング比に応じて、デューティ比Ｄ1で外部電圧源３と変圧部１１との間の接続状態を導通または非導通のいずれかの状態に制御している。
【０１３２】
まず、変圧部１１は、スイッチ部１４が外部電圧源３と変圧部１１とを導通させた場合、外部電圧源３から出力されてきた電圧を入力し、その電圧を所定の電圧値Ｖbへ変圧してダイオード１５へ出力する。
【０１３３】
すると、ダイオード１５は、変圧部１１から出力されてきた電圧によって流れる電流を損失抵抗ｒLおよび平滑インダクタンスＬiへ出力する。なお、ダイオード１６は、ダイオード１５から出力されてきた電流が変圧部１１の出力側の負極端子へ流れることを防止する。
【０１３４】
その後、平滑化フィルタ１８は、ダイオード１５から出力されてきた所定の電圧値Ｖbの電圧を平滑化し、平滑化した電圧をスイッチング電源２−１、２−２と制御部１２とへ出力する。
【０１３５】
すると、制御部１２は、基準電圧源１７から出力されてきた基準電圧の基準電圧値Ｅriと、変圧部１１から出力されてきた電圧の所定の電圧値Ｖbと、外部から設定された増幅度とに基づいて、スイッチ部１４のデューティ比Ｄを制御するための制御電圧を生成して変調部１３へ出力する。
【０１３６】
すると、変調部１３は、制御部１２から出力されてきた制御電圧に基づいて、所定期間においてスイッチ部１４をオフするタイミングとスイッチ部１４をオンするタイミングとの比を示すスイッチ制御信号を生成してスイッチ部１４へ出力する。
【０１３７】
なお、負性抵抗Ｒnegが小さくなった場合（つまり、中間バスコンバータ１に対する負荷が重くなった場合）、制御部１２の増幅度（制御ゲインＧc（ｓ））を大きくすることにより電源システムを安定的に動作させることが可能である。図４に示した構成例では、制御部１２が具備する増幅部１２１の比例ゲインｋp（増幅度）を大きくすることにより、電源システムを安定的に動作させることができる。
【０１３８】
以上で、初段に設けられた中間バスコンバータ１が、外部電圧源３から出力されてきた電圧を所定の電圧値Ｖbに降圧してスイッチング電源２−１、２−２のそれぞれへ出力するときの一連の動作が終了する。
【０１３９】
以上説明したように、本発明によれば、制御部１２に微分部１２２を設け、その微分部１２２の「回路パラメータ」を変更することにより、電源システムを安定的に動作させるための回路定数を変更する。
【０１４０】
これにより、複数のスイッチング電源が互いに直列に接続された多段接続方式の電源システムにおいて、電源システムを安定的に動作させることのできる回路定数の自由度を拡大することができ、ひいてはこのような電源システムの安定性を改善することができる。
【０１４１】
以上、実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明の要旨を逸脱しない範囲で当業者が理解し得る各種の変形が可能である。
【符号の説明】
【０１４２】
１  中間バスコンバータ
１１  変圧部
１２  制御部
１２１  増幅部
１２２  微分部
１２３  第１微分回路
１２４  第２微分回路
１３  変調部
１４  スイッチ部
１５、１６  ダイオード
１７  基準電圧源
１８  平滑化フィルタ
２−１、２−２  スイッチング電源
３  外部電圧源
【図１】
2011024372.tif 000016
【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】
2011024372.tif 000022
【図８】
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