(57)【要約】【課題】大電流出力が容易で、任意の出力電圧で電力を安定して供給することが可能なＤＣ／ＤＣコンバータを提供する。【解決手段】入力端子２及び出力端子４間の入出力線５と共通線６との間に配置されたタンクキャパシタＣＴ、バケットキャパシタＣＢ、及びソースキャパシタＣＳを備える。バケットキャパシタＣＢはタンクキャパシタＣＴ及びソースキャパシタＣＳより小容量である。バケットキャパシタＣＢは、タンクキャパシタＣＴに接続することで充電され、ソースキャパシタＣＳは、バケットキャパシタＣＢに接続することで充電され、出力端子から負荷に放電する。【選択図】図３
2019041534.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力端子と出力端子間を接続する入出力線、該入出力線と２端子対回路を構成するように対向する共通線との間に配置されたタンクキャパシタと、
前記入出力線と前記共通線との間に配置されたソースキャパシタと、
前記入出力線と前記共通線との間に配置され、前記タンクキャパシタ及び前記ソースキャパシタより小容量のバケットキャパシタと、
前記バケットキャパシタを前記タンクキャパシタに接続することで充電させ、前記ソースキャパシタを前記バケットキャパシタに接続することで充電させるように、前記２端子対回路の接続関係を制御する制御回路と、
を備え、前記２端子対回路の前記出力端子側の出力ポートから負荷に放電することを特徴とするＤＣ／ＤＣコンバータ。
【請求項２】
前記バケットキャパシタの容量は、前記タンクキャパシタ及び前記ソースキャパシタの１／１０〜１／１００であ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】
前記バケットキャパシタに接続した中間ノードと前記共通線とに接続する第１スイッチと、
前記入力端子と前記中間ノードとに接続する第２スイッチと、
前記入出力線において、アノードを前記入力端子に、カソードを前記バケットキャパシタに接続した第１ダイオードと、
前記入出力線において、前記第１ダイオードに直列接続され、アノードを前記バケットキャパシタに、カソードを前記ソースキャパシタに接続した第２ダイオードと
を更に備えることを特徴とする請求項１又は２に記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。
【請求項４】
前記タンクキャパシタと前記第２スイッチとの間の配線、前記第１及び第２スイッチと前記中間ノードとの間の配線、及び前記第１スイッチと前記共通線との間の配線が銅板であることを特徴とする請求項３に記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。
【請求項５】
前記タンクキャパシタが、前記入出力線と前記共通線との間に擬似的なＨ型接続回路を構成するように配置された第１キャパシタ及び第２キャパシタを含み、
前記入出力線及び前記共通線間で、特定のタイミングにおいて前記第１及び第２キャパシタが並列接続、他のタイミングにおいて前記第１及び第２キャパシタが直列接続となるように前記Ｈ型接続回路の回路接続を変更する複数のスイッチから構成されたタンクスイッチと、
導通時に前記入出力線において、前記バケットキャパシタを前記入力端子に接続するバケットスイッチと、
導通時に前記入出力線において、前記ソースキャパシタを前記バケットキャパシタに接続するソーススイッチと
を更に備え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６】
入力端子と出力端子間を接続する入出力線、該入出力線と２端子対回路を構成するように対向する共通線との間にそれぞれ配置されたタンクキャパシタ、バケットキャパシタ及びソースキャパシタ、前記バケットキャパシタに接続した中間ノードと前記共通線とを接続する第１スイッチ、前記入力端子と前記中間ノードとを接続する第２スイッチを備えるＤＣ／ＤＣコンバータの電力供給方法であって、
前記第１スイッチを導通状態にして、基準電圧を前記入出力線と前記共通線との間に印加して前記タンクキャパシタ、前記バケットキャパシタ及び前記ソースキャパシタを充電するステップと、
前記第１スイッチを遮断状態にして、前記ソースキャパシタから前記２端子対回路の前記出力端子側の出力ポートに接続した負荷に放電するステップと、
前記放電時に前記出力ポートから出力電圧を取得するステップと、
前記出力電圧が下限設定値を下回れば、前記第１スイッチを導通状態にして前記タンクキャパシタから第１設定時間で前記バケットキャパシタを充電するステップと、
前記第１設定時間後に前記第１スイッチを遮断状態にするとともに前記第２スイッチを導通状態にして、前記バケットキャパシタから第２設定時間で前記ソースキャパシタを充電するステップと、
を含み、前記バケットキャパシタの容量は、前記タンクキャパシタ及び前記ソースキャパシタの１／１０〜１／１００であり、前記出力電圧が上限設定値を上回るまで、前記タンクキャパシタから前記バケットキャパシタの充電、及び前記バケットキャパシタから前記ソースキャパシタの充電を繰り返すことを特徴とする電力供給方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、急速充電が可能な電力供給装置に好適なＤＣ／ＤＣコンバータ及びこのＤＣ／ＤＣコンバータによる電力供給方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
直流電圧の昇降圧には、インダクタを用いたＤＣ／ＤＣコンバータが従来から使われている。インダクタを用いたＤＣ／ＤＣコンバータでは、幅広い入力電圧で、高電圧及び大電流の出力が得られる。例えば、入力電圧及び消費電力の異なる複数の負荷に対して、安定した電圧を出力する直流給電システムが提案されている（特許文献１参照。）。しかし、インダクタを用いるためスペースが必要となり、小型携帯機器などには適さない。また、インダクタに磁束が発生するため輻射ノイズが発生し、ノイズ対策が必要となる。
【０００３】
近年、キャパシタ間の電荷の遷移によって出力電圧を発生させるチャージポンプを用いたＤＣ／ＤＣコンバータが開発されている。例えば、昇圧回路として、電気二重層キャパシタ（ＥＤＬＣ）を用いたチャージポンプが提案されている（特許文献２参照。）。また、チャージポンプは、外付け部品はコンデンサとダイオードと少なく、輻射ノイズが小さい。そのため、携帯電話などのモバイル機器、発光ダイオード（ＬＥＤ）や液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）などの小型機器の小電力電源に適している。
【０００４】
キャパシタは、近年急速に大容量化が進み製造販売されるようになり、電池の代替として使用が可能となっている。しかし、キャパシタを使用する場合、使用するにしたがって出力電圧が降下してしまい、負荷に安定した電圧を供給できない。そのため、幅広い入力電圧で大電流を必要とする無人搬送車（ＡＶＧ）などには対応できない。また、キャパシタを直列接続及び並列接続に切り替えて昇圧しているので、出力電圧が基準電圧の約２倍となり、任意の出力電圧を得ることができない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−７８２６７号公報
【特許文献２】特開２０１６−４６９９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記問題点を鑑み、本発明は、大電流出力が容易で、任意の出力電圧で電力を安定して供給することが可能なＤＣ／ＤＣコンバータ及びこのＤＣ／ＤＣコンバータによる電力供給方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１の態様は、(a)入力端子と出力端子間を接続する入出力線、この入出力線と２端子対回路を構成するように対向する共通線との間に配置されたタンクキャパシタと、(b)入出力線と共通線との間に配置されたソースキャパシタと、(c)入出力線と共通線との間に配置され、タンクキャパシタ及びソースキャパシタより小容量のバケットキャパシタと、(d)バケットキャパシタをタンクキャパシタに接続することで充電させ、ソースキャパシタをバケットキャパシタに接続することで充電させるように、２端子対回路の接続関係を制御する制御回路を備えるＤＣ／ＤＣコンバータであることを要旨とする。第１の態様は２端子対回路の出力端子側の出力ポートから負荷に放電する。
【０００８】
本発明の第２の態様は、第１の態様で述べたような入力端子と出力端子間を接続する入出力線、この入出力線と２端子対回路を構成するように対向すると共通線との間にそれぞれ配置されたタンクキャパシタ、バケットキャパシタ及びソースキャパシタ、バケットキャパシタに接続した中間ノードと共通線とを接続する第１スイッチ、入力端子と中間ノードとを接続する第２スイッチを備えるＤＣ／ＤＣコンバータの電力供給方法に関する。この第２の態様に係る電力供給方法は、(a)第１スイッチを導通状態にして、基準電圧を入出力線と共通線との間に印加してタンクキャパシタ、バケットキャパシタ及びソースキャパシタを充電するステップと、(b)第１スイッチを遮断状態にして、ソースキャパシタから２端子対回路の出力端子側の出力ポートに接続した負荷に放電するステップと、(c)放電時に出力ポートから出力電圧を取得するステップと、(d)出力電圧が下限設定値を下回れば、第１スイッチを導通状態にしてタンクキャパシタから第１設定時間でバケットキャパシタを充電するステップと、(e)第１設定時間後に第１スイッチを遮断状態にするとともに第２スイッチを導通状態にして、バケットキャパシタから第２設定時間でソースキャパシタを充電するステップを含む。更に、第２の態様に係る電力供給方法においては、バケットキャパシタの容量は、タンクキャパシタ及びソースキャパシタの１／１０〜１／１００であり、出力電圧が上限設定値を上回るまで、タンクキャパシタからバケットキャパシタの充電、及びバケットキャパシタからソースキャパシタの充電を繰り返す。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、大電流出力が容易で、任意の出力電圧で電力を安定して供給することが可能なＤＣ／ＤＣコンバータ及びこのＤＣ／ＤＣコンバータによる電力供給方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータの一例を示す概略図である。
【図２】図１に示したＤＣ／ＤＣコンバータの（ａ）充電時、（ｂ）放電開始時、（ｃ）電荷継ぎ足し時を説明する概略図である。
【図３】本発明の第２の実施形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータの一例を示す概略図である。
【図４】図３に示したＤＣ／ＤＣコンバータの２段直列接続を示す概略図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータに用いる制御回路の接続の一例を示す概略図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータに用いる制御回路の一例を説明する概略図である。
【図７】本発明の第２の実施形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータの実装の一例を示す平面概略図である。
【図８】図７に示したＤＣ／ＤＣコンバータの実装の一例を示す側面外略図である。
【図９】本発明の第２の実施形態に係る電力供給方法の一例を示すフローチャートである。
【図１０】本発明の第２の実施形態に係る電力供給方法の説明に用いるＤＣ／ＤＣコンバータの概略図である。
【図１１】本発明の第２の実施形態に係る電力供給方法を説明するタイミングチャートである。
【図１２】本発明の第２の実施形態に係る電力供給方法によるＤＣ／ＤＣコンバータの動作波形の一例を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下図面を参照して、本発明の第１及び第２の実施形態を説明する。図面の記載において同一あるいは類似部分には同一あるいは類似な符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、層の厚みと幅との関係、各層の厚みの比率などは現実のものとは異なることに留意すべきである。また、図面の相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。
【００１２】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータは、図１に示すように、入出力線５と、この入出力線５と共に２端子対回路を構成するように対向する共通線６との間にそれぞれ配置された、タンクキャパシタ（ＣＴ１、ＣＴ２）、バケットキャパシタＣＢ、及びソースキャパシタＣＳを備えて、擬似的な「はしご型回路」を構成している。入出力線５は、入力端子２及び出力端子４の間に接続されている。共通線６は入出力線５に対応して配線され、共通線６の入力端子２に対応する側の端子と、入力端子２とで入力ポートを構成している。又、共通線６の出力端子４に対応する側の端子と、出力端子４とで出力ポートを構成している。第１の実施形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータは、図１に示すように、更に、バケットキャパシタＣＢをタンクキャパシタ（ＣＴ１、ＣＴ２）に接続することで充電させ、ソースキャパシタＣＳをバケットキャパシタＣＢに接続することで充電させるように、図１に示した２端子対回路の接続関係を制御する制御回路１０ａを備えている。
【００１３】
図１に示すように、入出力線５及び共通線６間で、タンクキャパシタ（ＣＴ１、ＣＴ２）の第１キャパシタＣＴ１及び第２キャパシタＣＴ２が、第１タンクスイッチ（Ｓａ１、Ｓａ２）と第２タンクスイッチＳｂを介してＨ型接続されている。更に、図１に示すように、入出力線５及び共通線６間には、ソースキャパシタＣＳとバケットキャパシタＣＢが並列接続されている。図１に示した擬似的なＨ型接続回路は、特定のタイミングにおいて、第２タンクスイッチＳｂが遮断状態（オフ）、且つ第１タンクスイッチ（Ｓａ１、Ｓａ２）が導通状態（オン）になれば、入出力線５及び共通線６間に第１キャパシタＣＴ１及び第２キャパシタＣＴ２を並列接続する。しかし、他のタイミングにおいて第２タンクスイッチＳｂが導通状態になれば、入出力線５及び共通線６間に第１及び第２キャパシタＣＴ１、ＣＴ２が直列接続される。入出力線５において、バケットキャパシタＣＢは、バケットスイッチＳｃが導通状態になることにより入力端子２に接続される。そして、入出力線５において、ソースキャパシタＣＳは、ソーススイッチＳｄが導通状態になることによりバケットキャパシタＣＢに接続される。
【００１４】
タンクキャパシタ（ＣＴ１、ＣＴ２）、バケットキャパシタＣＢ、及びソースキャパシタＣＳとして、大電流での使用が可能なＥＤＬＣなどのキャパシタが用いられる。第１及び第２キャパシタＣＴ１、ＣＴ２には、大容量のキャパシタが用いられる。バケットキャパシタＣＢには、第１及び第２キャパシタＣＴ１、ＣＴ２の１／ｎ（ｎは２以上の整数）の小容量のキャパシタが用いられる。ソースキャパシタＣＳには、第１及び第２キャパシタＣＴ１、ＣＴ２と同程度の容量を有するキャパシタが用いられる。また、第１及び第２タンクスイッチＳａ１、Ｓａ２、Ｓｂ、バケットスイッチＳｃ、ソーススイッチＳｄとして、電磁接触器の機械的なスイッチング素子の他、より好ましい態様として半導体スイッチング素子が用いられる。半導体スイッチング素子としては、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）、静電誘導トランジスタ（ＳＩＴ）、バイポーラトランジスタ（ＢＪＴ）、ゲートターンオフサイリスタ（ＧＴＯ）、静電誘導サイリスタ（ＳＩサイリスタ）等が好適である。
【００１５】
図２を用いて第１の実施形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータの動作を説明する。はじめに、図２（ａ）に示すように、第１タンクスイッチＳａ１ 、Ｓｓ２を導通状態、第２タンクスイッチＳｂを遮断状態、バケットスイッチＳｃを導通状態、ソーススイッチＳｄを導通状態として、タンク部側から入力電圧（基準電圧）Ｖinで充電する。図２（ｂ）に示すように、負荷をソース部の出力端子４に接続し、すべてのスイッチを遮断状態にして出力電圧Ｖoutで放電を開始する。出力電圧Ｖoutが所定の設定値を下回ったら、図２（ｃ）に示すように、第２タンクスイッチＳｂを導通状態にして、第１及び第２キャパシタＣＴ１、ＣＴ２を直列に接続し、タンクキャパシタ（ＣＴ１、ＣＴ２）の出力を入力電圧Ｖinの２倍の電圧にする。この状態でバケットスイッチＳｃを導通状態にすることにより、バケットキャパシタＣＢに充電を行う。その後、ソーススイッチＳｄを導通状態にすることにより、バケットキャパシタＣＢからソースキャパシタＣＳに電荷を継ぎ足して負荷に供給する電圧を回復させる。
【００１６】
第１の実施形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータは、バケットキャパシタＣＢの容量が、タンクキャパシタ（ＣＴ１、ＣＴ２）及びソースキャパシタＣＳの１／ｎ、例えば１／１０以下と小さい。従来の直列、並列の切り替えによる昇圧回路は、ｎ＝１の場合、もしくはバケットキャパシタがない場合に相当する。したがって、従来の昇圧回路では、出力電圧が基準電圧の２倍、あるいは整数倍になってしまい、任意の電圧にできない。本発明では、タンクキャパシタ（ＣＴ１、ＣＴ２）及びソースキャパシタＣＳの１／ｎと小容量のバケットキャパシタＣＢを介することにより任意の電圧に設定が可能となる。ｎの値が小さいと、設定できる電圧が粗くなる。ｎの値は大きいほうがリップルの少ない出力が得られるが、ｎの値が大きいと制御回路の働く頻度が増加する。出力電圧のリップルを１％〜１０％程度にすることを考慮して、ｎの値としては、１０〜１００が望ましい。
【００１７】
インダクタを用いたチョッパ方式のＤＣ／ＤＣコンバータ、あるいは、コンデンサを用いたディクソンチャージポンプでは、どちらも動作周波数は数ｋＨｚから数ＭＨｚである。それに対して、第１の実施形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータでは、動作周波数は高くとも数Ｈｚ程度である。このように、第１の実施形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータは、従来の方式のＤＣ／ＤＣコンバータに比べて、スイッチの切り替え回数が少ないため、スイッチへの負担が少なく、同時にノイズを発生しにくい。
【００１８】
また、従来のチャージポンプでは、基準電圧の整数倍の電圧しか発生できないので、出力電圧を安定して制御することはできない。本発明では、小容量のバケットキャパシタＣＢから電荷を継ぎ足してソースキャパシタＣＳからの出力電圧を制御している。その結果、出力を任意の電圧にきめ細かく安定して設定することができる。また、ＥＤＬＣを用いることにより、幅広い電圧及び大電流にも対応することができ、無人搬送車（ＡＧＶ）などに応用することが可能となる。
【００１９】
（第２の実施形態）
第２の実施形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータは、図３に示すように、タンクキャパシタＣＴ、バケットキャパシタＣＢ、ソースキャパシタＣＳ、第１スイッチＳＷ１、第２スイッチＳＷ２、第１ダイオードＤ１、及び第２ダイオードＤ２を備える。第１スイッチＳＷ１は、バケットキャパシタＣＢに接続した中間ノード８と共通線６とに接続する。第２スイッチＳＷ２は、入力端子２と中間ノード８とに接続する。第１ダイオードＤ１は、入出力線５において、アノードを入力端子２に、カソードをバケットキャパシタＣＢに接続する。第２ダイオードＤ２は、入出力線５において、第１ダイオードＤ１に直列接続され、アノードをバケットキャパシタＣＢに、カソードをソースキャパシタＣＳに接続する。第２の実施形態は、第１及び第２ダイオードＤ１、Ｄ２を用いることによりスイッチの数を減らして簡略化した点が第１の実施形態と異なる。他の構成は、第１の実施形態と同様であるので、重複する記載は省略する。
【００２０】
第１スイッチＳＷ１を導通状態、第２スイッチＳＷ２を遮断状態にすると、タンクキャパシタＣＴ、バケットキャパシタＣＢ、及びソースキャパシタＣＳは、入出力線５と共通線６の間で並列接続となる。この状態で入力端子２に入力電圧（基準電圧）Ｖinを印加すると、タンクキャパシタＣＴ，バケットキャパシタＣＢ、及びソースキャパシタＣＳに電荷を流入させて充電することができる。第１スイッチＳＷ１を遮断状態、第２スイッチＳＷ２を導通状態にすると、タンクキャパシタＣＴとバケットキャパシタＣＢが直列接続となる。この状態で、第２ダイオードＤ２を通してソースキャパシタＣＳに電荷を遷移させ充電することが可能となる。第１及び第２スイッチＳＷ１を遮断状態にすると、ソースキャパシタＣＳは、第１及び第２ダイオードＤ１、Ｄ２により、タンクキャパシタＣＴ及びバケットキャパシタＣＢと切り離される。この状態で、出力端子４に負荷を接続すると、ソースキャパシタＣＳから電荷が放出されて負荷に電力を供給することができる。なお、出力電圧Ｖoutは、ダイオードを通して充電されるので、フル充電でも入力電圧Ｖinよりもダイオードの順方向電圧の分だけ低くなる。
【００２１】
第２の実施形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータは、バケットキャパシタＣＢをｎ＝１のときの容量とすれば、１段ディクソンチャージポンプに相当する。従来のディクソンチャージポンプの場合、１０段以上で用いるのが通常であり、１段で用いることはあまり例がない。また、ディクソンチャージポンプは微小電力用途であり、大電力用途に用いられた例はない。更に、ディクソンチャージポンプでは、出力電圧が基準電圧の整数倍になってしまい、任意の電圧にできない。
【００２２】
第２の実施形態でも、第１の実施形態と同様にバケットキャパシタＣＢの容量は、タンクキャパシタＣＴあるいはソースキャパシタＣＳの１／ｎ、例えば１／１０〜１／１００である。例えば、ｎ＝１０とすれば、タンクキャパシタＣＴ及びバケットキャパシタＣＢを直列接続してソースキャパシタＣＳを充電すれば、出力電圧Ｖoutを（Ｖin＋Ｖin／１０）とすることができる。バケットキャパシタＣＢの容量を選ぶことにより、任意に出力電圧Ｖoutを調整することが可能となる。
【００２３】
また、ソースキャパシタＣＳからの放電が持続すると、出力電圧Ｖoutは徐々に低下する。出力電圧Ｖoutを監視し、設定値より低下した場合に、バケットキャパシタＣＢから電荷を継ぎ足して充電する。バケットキャパシタＣＢの容量をタンクキャパシタＣＴあるいはソースキャパシタＣＳの１／１０とすれば、電圧（Ｖin／１０）で継ぎ足し充電ができる。したがって、放電による出力電圧Ｖoutの低下を解消し、一定の出力電圧Ｖoutで負荷に電力を供給することが可能となる。
【００２４】
第２の実施形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータを直列で接続すれば、出力電圧を高くすることができる。図４に示すように、ＤＣ／ＤＣコンバータを２段直列接続する。例えば、入力電圧Ｖinが２４Ｖであれば、出力電圧Voutは、約４８Ｖとなる。ＤＣ／ＤＣコンバータをｍ段直列接続すれば、出力電圧Voutを（ｍVin）と高くすることが可能となる。
【００２５】
第１及び第２スイッチＳＷ１、ＳＷ２を制御する回路について説明する。図５に示すように、第１及び第２スイッチＳＷ１、ＳＷ２として、オン抵抗（導通ロス）の小さな半導体スイッチング素子であるＩＧＢＴが用いられる。制御回路１０ｂは、出力端子４の出力電圧Ｖoutを取得して、第１及び第２スイッチＳＷ１、ＳＷ２それぞれのゲート電極にゲート信号ＧＳ１、ＧＳ２を伝達して切り換えの制御を行う。
【００２６】
例えば、図６に示すように、第１及び第２スイッチＳＷ１、ＳＷ２には、それぞれ４個のＩＧＢＴが並列接続で用いられる。第１スイッチＳＷ１のＩＧＢＴは、コレクタ電極が中間ノード８に、エミッタ電極が共通線６に、ゲート電極が制御回路１０ｂのフォトカプラ１４にそれぞれ接続される。第２スイッチＳＷ２のＩＧＢＴは、コレクタ電極がタンクキャパシタＣＴに、エミッタ電極が中間ノード８に、ゲート電極が制御回路１０ｂのフォトカプラ１４にそれぞれ接続される。なお、第２スイッチＳＷ２には、中間ノード８の電位Ｖpを基準としたゲート電圧を与える必要がある。
【００２７】
制御回路１０ｂは、マイクロコントローラ１２、フォトカプラ１４及びＤＣ電源１６を備える。マイクロコントローラ１２は、ソースキャパシタＣＳから出力電圧Ｖoutを監視する。フォトカプラ１４は、マイクロコントローラ１２から送られたゲート信号ＧＳ１、ＧＳ２を第１及び第２スイッチＳＷ１、ＳＷ２それぞれのゲート電極に伝達する。ＤＣ電源１６は、フォトカプラ１４に電力を供給する。
【００２８】
本発明では、複数のキャパシタの充放電を繰り返すのが基本動作である。また、大電流をスイッチングしなければならない。そのため、通常のプリント基板での実装はできない。また、第１及び第２スイッチＳＷ１、ＳＷ２は複数のＩＧＢＴの並列動作が必要で、ＩＧＢＴのコレクタ電流の急激な変化によるゲート回路への誘導によるノイズが発生しやすい。そのため、銅板を用いて回路を構成する。
【００２９】
図７及び図８に、第２の実施形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータの実装例の一部を示す。図７及び図８に示すように、第１及び第２スイッチＳＷ１、ＳＷ２のＩＧＢＴをそれぞれ端子板２０に取り付ける。第１スイッチＳＷ１のそれぞれのゲート電極を銅板３１で接続する。第２スイッチＳＷ２のそれぞれのゲート電極を銅板３２で接続する。銅板３１、３２には、フォトカプラ１４からのリード線２８が接続される。第１スイッチＳＷ１のコレクタ電極、及び第２スイッチＳＷ２のエミッタ電極を銅板２４で接続する。銅板２４はリード線２５により中間ノード８に接続される。第スイッチＳＷ１のエミッタ電極を銅板２６で接続する。銅板２６はリード線２７により共通線６に接続される。第２スイッチＳＷ２のコレクタ電極を銅板２２で接続する。銅板２２はタンクキャパシタＣＴに接続される。
【００３０】
第２の実施形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータの実装では、厚さが０．５ｍｍと厚い銅板を使用する。図７に示すように、銅板２２、２４、２６、３１、３２は広い面積を有している。そのため、低抵抗の電流路を確保でき、大電流を流すことができる。また、電流路を広く取っているので、誘導によるノイズの発生を抑制することができる。
【００３１】
次に、第２の実施形態に係る電力供給方法を、図９に示したフローチャートを用いて説明する。全キャパシタの充電時には、入力端子２に入力電圧Ｖinが印加される。ＤＣ／ＤＣコンバータの放電時には、出力端子４に負荷が接続される。マイクロコントローラ１２は、出力電圧Ｖoutに対応するソースキャパシタＣＳのソース電圧Ｖｓを取得して、第１及び第２スイッチＳＷ１、ＳＷ２の切り換えを行う。切り換えの下限設定値をＶset1、上限設定値をＶset2とする。
【００３２】
ステップＳ１０で、第１スイッチＳＷ１を導通状態にして、入力電圧Ｖinを入出力線５に印加する。タンクキャパシタＣＴ、バケットキャパシタＣＢ及びソースキャパシタＣＳがそれぞれ充電される。
【００３３】
ステップＳ１１で、ソース電圧Ｖｓを取得して、ソース電圧Ｖｓが下限設定値Vset1を上回っているか判定される。ソース電圧Ｖｓが下限設定値Vset1を下回れば、ステップＳ１０に戻り、充電を繰り返す。
【００３４】
ソース電圧Ｖｓが下限設定値Vset1を上回っていれば、ステップＳ１２で、第１スイッチＳＷ１を遮断状態にする。ソースキャパシタＣＳから出力端子４に接続した負荷に放電が開始される。
【００３５】
ステップＳ１３で、負荷への放電時に、ソースキャパシタＣＳのソース電圧Ｖｓを取得する。ソース電圧Ｖｓが下限設定値Vset1を上回っているか判定される。ソース電圧Ｖｓが下限設定値Vset1を上回れば、ステップＳ１２に戻り、放電を続ける。
【００３６】
ソース電圧Ｖsが下限設定値Vset1を下回っていれば、ステップＳ１４で、第１スイッチＳＷ１を導通状態にする。タンクキャパシタＣＴから第１設定時間Ｔ１でバケットキャパシタＣＢが充電される。なお、これ以降も、負荷への放電は続けられる。
【００３７】
第１設定時間Ｔ１後に、ステップＳ１５で、第１スイッチＳＷ１を遮断状態にするとともに第２スイッチＳＷ２を導通状態にする。タンクキャパシタＣＴ及びバケットキャパシタＣＢから第２設定時間Ｔ２でソースキャパシタＣＳが充電される。
【００３８】
ステップＳ１６で、ソース電圧Ｖｓを取得する。ソース電圧Ｖｓが上限設定値Vset2を上回っているか判定される。ソース電圧Ｖｓが上限設定値Vset2を下回っていれば、ステップＳ１４に戻り、ソース電圧Ｖｓが上限設定値Vset2を上回るまで、ステップＳ１４及びＳ１５を繰り返す。
【００３９】
ソース電圧Ｖsが上限設定値Vset2を上回っていれば、ステップＳ１７で、第２スイッチＳＷ２を遮断状態にする。以後、ソース電圧Ｖｓを監視しながら、ステップＳ１３〜Ｓ１６を繰り返す。
【００４０】
図１０に示したタンク電圧Ｖｔ、バケット電圧Ｖｂ及びソース電圧Ｖｓの動作波形を図１１に示す。図１１に示すように、放電中はソース電圧Ｖｓが低下し続ける。制御回路１０ｂでソース電圧Ｖｓが下限設定値Ｖset1を下回ったと判定されたら、第１スイッチＳＷ１が導通状態になり、第１設定時間Ｔ１の間タンクキャパシタＣＴからバケットキャパシタＣＢが充電される。この時、タンクキャパシタＣＴからバケットキャパシタＣＢに電荷が移動するため、タンク電圧Ｖｔが減少する。次に、第２スイッチＳＷ２が導通状態になり、第２設定時間Ｔ２の間タンクキャパシタＣＴ及びバケットキャパシタＣＢからソースキャパシタＣＳが充電される。第２スイッチＳＷ２が導通状態になると、瞬間的にバケット電圧Ｖｂ及びソース電圧Ｖｓは増加する。第２設定時間Ｔ２の間は、負荷への放電のためバケット電圧Ｖｂ及びソース電圧Ｖｓは減少を続ける。この時、タンクキャパシタＣＴからの電荷の移動は少ないため、タンク電圧Ｖｔはほとんど変化しない。このように、上記の操作を、ソース電圧Ｖｓが上限設定値Ｖset2を上回るまで続ける。
【００４１】
図１２に、第２の実施形態に係る電力供給方法で得られたタンク電圧Ｖｔ、バケット電圧Ｖｂ及びソース電圧Ｖｓの動作波形を示す。図１２に示すように、第１スイッチＳＷ１から第２スイッチＳＷ２に切り替えるたびにバケット電圧Ｖｂ及びソース電圧Ｖｓがパルス状に増加している。一方、タンク電圧Ｖｔは第１スイッチＳＷ１が導通状態になるたびに減少している。バケットキャパシタＣＢからの電荷の継ぎ足しにより、ソース電圧Ｖｓが一定の範囲内で制御されていることが判る。
【００４２】
以上説明したように、本発明の第２の実施形態によれば、小容量のバケットキャパシタＣＢから電荷を継ぎ足しているので、出力電圧Ｖoutを任意に設定でき、出力電圧Ｖoutの低下を抑制し、一定の出力電圧Ｖoutで負荷に電力を供給することができる。その結果、出力を任意の電圧にきめ細かく安定して設定することができる。また、ＥＤＬＣを用いることにより、幅広い電圧及び大電流にも対応することができ、無人搬送車（ＡＧＶ）などに応用することが可能となる。更に、従来の方式に比べて、スイッチの切り替え回数が少ないため、スイッチへの負担が少なく、同時にノイズの発生もしにくい。
【００４３】
（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は、第１ないし第２の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を包含するということを理解すべきである。したがって、本発明はこの開示から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ限定されるものである。
【符号の説明】
【００４４】
２…入力端子
４…出力端子
５…入出力線
６…共通線
８…中間ノード
１０ａ，１０ｂ…制御回路
１２…マイクロコントローラ
１４…フォトカプラ
１６…ＤＣ電源
２０…端子板
２２，２４，２６，３１，３２…銅板
２５，２７，２８…リード線
ＣＴ…タンクキャパシタ
ＣＢ…バケットキャパシタ
ＣＳ…ソースキャパシタ
Ｄ１…第１ダイオード
Ｄ２…第２ダイオード
Ｓａ１、Ｓａ２…第１タンクスイッチ
Ｓｂ…第２タンクスイッチ
Ｓｃ…バケットスイッチ
Ｓｄ…ソーススイッチ
ＳＷ１…第１スイッチ
ＳＷ２…第２スイッチ
【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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