(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源と、該直流電源に並列接続された入力用の平滑コンデンサと、第１の電流共振用コンデンサと第２の電流共振用コンデンサとを直列接続した直列回路と、第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子を直列接続して前記直列回路に並列接続して前記直流電源からの直流をスイッチングして交流に変換するスイッチング手段と、前記交流を整流平滑する直流手段と、前記スイッチング手段と前記電流共振用コンデンサの直列接続回路との間にトランスと電流共振用リアクトルと電流バランス用リアクトルと直列接続して形成される直列共振手段と、前記スイッチング素子をデットタイムを有してオン・オフする制御手段とを有する直列共振型スイッチング電源を、複数台並列に接続した直流電源装置であって、
前記複数台の直列共振型スイッチング電源の前記電流バランス用のリアクトルは、
前記直列共振手段のトランスの一次側巻線に接続された前記電流共振用リアクトルと前記電流共振用コンデンサとの間に接続され、かつそれぞれの電流バランス用リアクトルの鉄心が各直列共振型スイッチング電源の各リアクトルの鉄心に互いに共通接続されていることを特徴とする直流電源装置。
【請求項２】
前記各直列共振型スイッチング電源の各制御手段は、互いに等間隔の位相差で当該直列共振型スイッチング電源のスイッチング素子を制御することを特徴とする請求項１記載の直流電源装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は複数の直列共振型スイッチング電源を並列接続した直流電源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に共振型スイッチング電源は、共振回路を利用してスイッチングトランジスタに加わる電圧又は電流を正弦波状にするものであり、スイッチングトランジスタがＯＮ又はＯＦＦする瞬間の電圧又は電流を零にしてスイッチングトランジスタの電力損失を大幅に低下させる。
【０００３】
このような共振型スイッチング電源のスイッチング素子は、近年は高性能のＦＥＴ型が用いられる。
【０００４】
例えば、従来の直列共振型スイッチング電源を複数台並列に接続した直流電源装置においては、周波数制御によって複数のスイッチング電源を同位相で動作させるのが一般的であった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、複数のスイッチング電源を同位相で動作させるため、各スイッチング電源の出力のリップルが同位相で重畳し、リップル電流が大きなものとなるという課題があった。
【０００６】
また、各スイッチング電源を構成する素子のバラツキにより、各スイッチング電源に流れる電流に差が生じ、結果として所望の電圧出力を得ることができないという課題があった。
【０００７】
しかも、この共振型スイッチング電源は周波数制御のため、互いの電流のバランスを取ることが困難であり、このため大容量の直流電源装置においては、小型化が阻害されていたという課題があった。
【０００８】
本発明は以上の課題を解決するためになされたもので、複数の直列共振型スイッチング電源を並列に接続した直流電源装置において、出力電流のリップルを減少し、かつ複数の直列共振型スイッチング電源に流れる電流を簡単な構成でバランスさせる。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１は、直流電源と、該直流電源に並列接続された入力用の平滑コンデンサと、第１の電流共振用コンデンサと第２の電流共振用コンデンサとを直列接続した直列回路と、第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子を直列接続して前記直列回路に並列接続して前記直流電源からの直流をスイッチングして交流に変換するスイッチング手段と、前記交流を整流平滑する直流手段と、前記スイッチング手段と前記電流共振用コンデンサの直列接続回路との間にトランスと電流共振用リアクトルと電流バランス用リアクトルと直列接続して形成される直列共振手段と、前記スイッチング素子をデットタイムを有してオン・オフする制御手段とを有する直列共振型スイッチング電源を、複数台並列に接続した直流電源装置である。
【００１０】
前記複数台の直列共振型スイッチング電源の前記電流バランス用のリアクトルは、前記直列共振手段のトランスの一次側巻線に接続された前記電流共振用リアクトルと前記電流共振用コンデンサとの間に接続され、かつそれぞれの電流バランス用リアクトルの鉄心が各直列共振型スイッチング電源の各リアクトルの鉄心に互いに共通接続されていることを要旨とする。
【００１１】
請求項２は、各直列共振型スイッチング電源の各制御手段は、互いに等間隔の位相差で当該直列共振型スイッチング電源のスイッチング素子を制御することを要旨とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は本実施の形態の直流電源装置の概略構成図である。この直流電源装置は、直列共振型スイッチング電源ＰＵ１、ＰＵ２、ＰＵ３を互いに並列に接続している。
【００１４】
直列共振型スイッチング電源ＰＵ１は、直流源１に対する入力端子２ａ、２ｂに入力平滑コンデンサＣ１１の両端を接続している。
【００１５】
また、電流共振用コンデンサＣ１２と電流共振用コンデンサＣ１３とを直列接続して入力平滑コンデンサＣ１１に並列接続している。
【００１６】
また、ＦＥＴ型トランジスタＱ１１（以下単にスイッチング素子Ｑ１１という）とＦＥＴ型トランジスタＱ１２（以下単にスイッチング素子Ｑ１２という）とを直列接続して、入力平滑コンデンサＣ１１、電流共振用コンデンサＣ１２、Ｃ１３に並列接続している。
【００１７】
また、スイッチング素子Ｑ１１には電圧共振用コンデンサＣ１４が並列に設けられ、スイッチング素子Ｑ１２には電圧共振用コンデンサＣ１５が並列に設けられている。
【００１８】
さらに、トランスＴ１の一次巻線Ｎ１１の一端がスイッチング素子Ｑ１１とスイッチング素子Ｑ１２の接続点ａに接続され、かつトランスＴ１の一次巻線Ｎ１１の他端が電流共振用リアクトルＬ１１、電流バランス用のリアクトルＬ１２を介して電流共振用コンデンサＣ１２、Ｃ１３の接続点ｂに接続している。
【００１９】
さらに、トランスＴ１の二次巻線Ｎ１２の一端は整流ダイオードＤ１１に接続され、二次巻線Ｎ１２の他端は整流ダイオードＤ１２に接続されている。この転流ダイオードＤ１２のカソードと整流ダイオードＤ１１のカソードは共通接続されいる。すなわち、トランスＴ１の二次側はフォワード方式にされている。
【００２０】
また、出力平滑コンデンサＣ１６の一端が整流ダイオードＤ１１のカソードに接続され、出力平滑コンデンサＣ１６の他端が二次巻線Ｎ１２の中性点ｃに接続されている。
【００２１】
さらに、出力用のリアクトルＬ１３と出力平滑コンデンサＣｏとを直列接続して出力平滑コンデンサＣ１６に並列接続している。
【００２２】
また、出力端子５ａを出力平滑コンデンサＣｏ、Ｃ１６の一端に接続し、かつ出力端子５ｂを出力平滑コンデンサＣｏとリアクトルＬ１３の接続点ｄに接続している。
【００２３】
一方、直列共振型スイッチング電源ＰＵ１に並列接続されている直列共振型スイッチング電源ＰＵ２、ＰＵ３の構成は直列共振型スイッチング電源ＰＵ１と同様であるが、それぞれを区別するために回路部品は直列共振型スイッチング電源ＰＵ２においては記号の番号は先頭に「２」を付加し、直列共振型スイッチング電源ＰＵ３においては、記号の番号は先頭に「３」を付加している。但し、直列共振型スイッチング電源ＰＵ２、ＰＵ３は出力用のリアクトルＬ１３は備えてはいない。
【００２４】
そして、直列共振型スイッチング電源ＰＵ２は、入力平滑コンデンサＣ２１の一端を入力端子２ａ及び直列共振型スイッチング電源ＰＵ１の入力平滑コンデンサＣ１１の一端に共通接続し、かつ入力平滑コンデンサＣ２１の他端を入力端子２ｂ及び直列共振型スイッチング電源ＰＵ１の入力平滑コンデンサＣ１１の他端に共通接続している。また、直列共振型スイッチング電源ＰＵ２は、出力平滑コンデンサＣ２６の一端を出力端子５ａ及び直列共振型スイッチング電源ＰＵ１の出力平滑コンデンサＣ１６、ＣＯの一端に共通接続し、かつ出力平滑コンデンサＣ２６の他端を出力端子５ｂ及び直列共振型スイッチング電源ＰＵ１の出力平滑コンデンサＣ１６の他端に共通接続することによって、直列共振型スイッチング電源ＰＵ１に対して並列接続している。
【００２５】
さらに、直列共振型スイッチング電源ＰＵ３は、入力平滑コンデンサＣ３１の一端を入力端子２ａ及び直列共振型スイッチング電源ＰＵ１の入力平滑コンデンサＣ１１の一端と、直列共振型スイッチング電源ＰＵ２の入力平滑コンデンサＣ２１の一端とに共通接続し、かつ入力平滑コンデンサＣ３１の他端を入力端子２ｂ及び直列共振型スイッチング電源ＰＵ１の入力平滑コンデンサＣ１１の他端と、直列共振型スイッチング電源ＰＵ２の入力平滑コンデンサＣ２１の他端に共通接続している。また、直列共振型スイッチング電源ＰＵ３は、出力平滑コンデンサＣ３６の一端を出力端子５ａ及び直列共振型スイッチング電源ＰＵ１の出力平滑コンデンサＣ１６、ＣＯの一端と、直列共振型スイッチング電源ＰＵ２の出力平滑コンデンサＣ２６の一端とに共通接続し、かつ出力平滑コンデンサＣ３６の他端を出力端子５ｂ及び直列共振型スイッチング電源ＰＵ１の出力平滑コンデンサＣ１６の他端と、直列共振型スイッチング電源ＰＵ２の出力平滑コンデンサＣ２６の他端とに共通接続することによって、直列共振型スイッチング電源ＰＵ１及び直列共振型スイッチング電源ＰＵ２に対して並列接続している。
【００２６】
さらに、電流バランス用のリアクトルＬ１２、Ｌ２２及びＬ３２は、それぞれの鉄心が共通接続されている。すなわち、それぞれ同じ誘導電流が流れるようにされている。
【００２７】
上記のように構成された直流電源の動作を図２の波形図を用いて以下に説明する。
【００２８】
直列共振型スイッチング電源ＰＵ１、ＰＵ２及びＰＵ３のスイッチング素子Ｑ１１，Ｑ１２、スイッチング素子Ｑ２１，Ｑ２２、スイッチング素子Ｑ３１，Ｑ３２は図２（Ａ）（Ｂ）に示すようにデッドタイムを有して交互にオンする。
【００２９】
（１）直列共振型スイッチング電源ＰＵ１の動作
（ａ）スイッチング素子Ｑ１１がオン期間の説明
直列共振型スイッチング電源ＰＵ１のスイッチング素子Ｑ１１がオンの期間は、直流入力端子２ａ、スイッチング素子Ｑ１１、一次巻線Ｎ１１、リアクトルＬ１１，電流バランス用のリアクトルＬ１２、コンデンサＣ１３、  直流入力端子２ｂの回路ルート並びにコンデンサＣ１２，スイッチング素子Ｑ１１、一次巻線Ｎ１１、リアクトルＬ１１，電流バランス用のリアクトルＬ１２の回路ルートによって、図２（Ｅ）のような波形の電流ＩＤＱ１１が流れる。
【００３０】
この電流ＩＤＱ１１は、一次巻線Ｎ１１とリアクトルＬ１１及びコンデンサＣ１２，Ｃ１３との直列共振に基く電流である。また、この電流ＩＤＱ１１は、正弦波に近似した波形であり、ターンオフ時のゼロ電流スイッチが可能となっていることを示している。
【００３１】
また、スイッチング素子Ｑ１１がオンの期間には、トランスＴ１の二次巻線Ｎ１２、ダイオードＤ１１、コンデンサＣ１６の回路ルートで出力電流Ｉ０１を得ることになる。
【００３２】
（ｂ）スイッチング素子Ｑ１１がオンからオフになる期間の説明
次に、スイッチング素子Ｑ１１がオンからオフになる期間（デッドタイム）は、直流入力端子２ａ、コンデンサＣ１４、一次巻線Ｎ１１、リアクトルＬ１１，Ｌ１２、コンデンサＣ１３、直流入力端子２ｂの回路ルート並びに一次巻線Ｎ１１、リアクトルＬ１１，Ｌ１２、コンデンサＣ１３，Ｃ１５の回路ルートによって電流が流れ、図２（Ｃ）のようにＱ１１の電圧ＶＤＳＱ１１が変化し、トランジスタＱ１１のゼロボルトスイッチが達成される。この電圧ＶＤＳＱ１１は、一次巻線Ｎ１１とリアクトルＬ１１及びコンデンサＣ１４，Ｃ１５との共振に基くものである。
【００３３】
（ｃ）スイッチング素子Ｑ１２がオンの期間の動作
直列共振型スイッチング電源ＰＵ１のスイッチング素子Ｑ１２がオンの期間は、直流入力端子２ａ、コンデンサＣ１２、電流バランス用のリアクトルＬ１２、リアクトルＬ１１、一次巻線Ｎ１１、スイッチング素子Ｑ１２、直流入力端子２ｂの回路ルート並びにコンデンサＣ１３、電流バランス用のリアクトルＬ１２、リアクトルＬ１１、一次巻線Ｎ１１、スイッチング素子Ｑ１２の回路ルートによって、図２（Ｆ）のような波形の電流ＩＤＱ１２が流れる。
【００３４】
また、スイッチング素子Ｑ１２がオンの期間には、トランスＴ１の二次巻線Ｎ１２、ダイオードＤ１２、コンデンサＣ１６の回路ルートで出力電流Ｉ０１を得ることになる。
【００３５】
（ｄ）スイッチング素子Ｑ１２がオンからオフになる期間の説明
直流入力端子２ａ、コンデンサＣ１２、電流バランス用のリアクトルＬ１２、リアクトルＬ１１、一次巻線Ｎ１１、コンデンサＣ１５、直流入力端子２ｂの回路ルート並びに一次巻線Ｎ１１、コンデンサＣ１４、コンデンサＣ１２、バランス用リアクトルＬ１２、リアクトルＬ１１の回路ルートによって、電流が流れ、図２（Ｄ）のようにスイッチング素子Ｑ１２の電圧ＶＤＳＱ１２が変化する。
【００３６】
直列共振型スイッチング電源ＰＵ２及びＰＵ３の動作は、上記直列共振型スイッチング電源ＰＵ１とほぼ同様なので、その説明は省略する。
【００３７】
直列共振型スイッチング電源ＰＵ１，ＰＵ２，ＰＵ３は、それぞれ２π／３位相差でスイッチング動作を行い、互いの電流バランス用のリアクトルＬ１２、Ｌ２２、Ｌ３２に同じ電流を流すことによって直列共振型スイッチング電源ＰＵ１〜ＰＵ３における電流のバランスをとり、かつ出力のリップルを抑えるようにしている。
【００３８】
この理由を図３〜図５を用いて説明する。例えば、バランス用リアクトルＬ１２〜Ｌ３２の鉄心同士が共通接続していない場合に、何らかの理由で直列共振型スイッチング電源ＰＵ３に流れる電流Ｉ３が直列共振型スイッチング電源ＰＵ１及び直列共振型スイッチング電源ＰＵ２と比較して大きいと、それぞれのトランスＴ１の一次巻線側に流れる電流Ｉ１〜Ｉ３は図３のようになる。
【００３９】
しかし、本発明においては、バランス用のリアクトルＬ１２〜Ｌ３２の鉄心同士を共通接続して設けられているので、このようにはならない。
【００４０】
すなわち、図３のｔ時点における電流の状態を図４に示して説明すると、直列共振型スイッチング電源ＰＵ３の電流Ｉ３が大きくなると、電源ＰＵ３のバランス用リアクトルＬ３２に生ずる電圧は、電源ＰＵ１、ＰＵ２、ＰＵ３の中で最も大きくなり、その電圧の向きは図４に示した向きとなり、電源ＰＵ３では電圧降下として働き、電源ＰＵ１、ＰＵ２では電圧上昇として働く。
【００４１】
このため、各直列共振型スイッチング電源ＰＵ１、ＰＵ２、ＰＵ３の各リアクトル（Ｌ１２、Ｌ２２、Ｌ３２）を流れる電流Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３は図５に示すように均一にバランスが取られる。
【００４２】
従って、出力平滑コンデンサＣｏ、リアクトルＬ１３を介しての総合電流Ｉ０は図５に示すようにリップルが少ない波形となる。
【００４３】
図６は他の実施例を示すものであり、直列共振型スイッチング電源ＰＵ１，直列共振型スイッチング電源ＰＵ２，直列共振型スイッチング電源ＰＵ３の内で、いずれかが故障し、そのスイッチング電源からの電力供給が停止したときの状態を検出する方法である。
【００４４】
この実施の形態においては図６に示すように、リアクトルＬａと抵抗Ｒａとからなるバランス検出回路１０を備え、このバランス検出回路１０のリアクトルＬａを各直列共振型スイッチング電源（ＰＵ１、ＰＵ２、ＰＵ３）の各リアクトルＬ１２、Ｌ２２、Ｌ３２に電磁的に結合している。
【００４５】
このため、例えば何れかの直列共振型スイッチング電源が故障した場合は、故障したスイッチング電源のために電流バランスをとることができなくなり、バランス検出回路１０のリアクトルＬａに電圧を生じる。
【００４６】
すなわち、バランス検出回路１０を設けることによって、各直列共振型スイッチング電源のリアクトルＬ１２、Ｌ２２、Ｌ３２を流れる電流の状態を検出することが可能となっている。
【００４７】
【発明の効果】
以上のように請求項１によれば、直流電源を構成する互いに並列接続された複数の直列共振型スイッチング電源の各電流バランス用のリアクトルをトランスの一次巻線に直列接続し、かつ各電流バランス用のリアクトルを互いに磁気的に結合している。
【００４８】
このため、各直列共振型直流スイッチング電源を流れる電流をバランスさせることができ、よって直流電源装置を小型化することが可能となる。
【００４９】
請求項２によれば、各直列共振型スイッチング電源の各スイッチング素子を互いに等間隔の位相差でオンオフ制御することにより、本直流電源装置の出力電流のリップルを少なくすることができると共に、各直列共振型直流スイッチング電源を流れる電流をバランスさせることができる。
【００５０】
請求項３によれば、各直列共振型スイッチング電源の各リアクトルに電磁結合されたリアクトルに検出巻線を設け、この巻線に電圧の誘導があるかどうかを検知するようにしたので、いずれかの電源が故障しているかを検知することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態の直流電源装置の概略構成図である。
【図２】本実施の形態の直流電源装置の動作を説明する波形図である。
【図３】電流バランスが得られる理由を説明する説明図である。
【図４】電流バランスが得られる理由を説明する説明図である。
【図５】リップルが抑えられる理由を説明する説明図である。
【図６】他の実施の形態の直流電源装置の概略構成図である。
【符号の説明】
ＰＵ１  直列共振型スイッチング電源
ＰＵ２  直列共振型スイッチング電源
ＰＵ３  直列共振型スイッチング電源
１  直流源
Ｃ１１  入力平滑コンデンサ
Ｃ１２  電流共振用コンデンサ
Ｑ１１  スイッチング素子
Ｑ１２  スイッチング素子
Ｃ１４  電圧共振用コンデンサ
Ｔ１  トランス
Ｎ１１  一次巻線
Ｌ１１  電流共振用リアクトル
【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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