(57)【要約】【課題】双方向型のスイッチング電源装置において、迅速な動作切換処理を行うことが可能なスイッチング電源装置を提供する。【解決手段】ダイオードＤ３またはスイッチング素子Ｓ４、ならびにスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２によって、インダクタＬに対するエネルギーの蓄積経路を構成する。また、ダイオードＤ４またはスイッチング素子Ｓ３、ならびにダイオードＤ１，Ｄ２によって、このインダクタＬに蓄積されたエネルギーの放出経路を構成する。さらに、制御部４がスイッチング回路２に対して適切な動作制御を行い、蓄積経路または放出経路を介してインダクタＬに流れる電流（インダクタ電流ＩＬ）が一定方向となるようにする。順方向動作と逆方向動作との間で動作切換を行う場合にも、インダクタ電流ＩＬの反転動作が不要となる。【選択図】図１
2007151311.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１および第２の入出力端子対と、
前記第１および第２の入出力端子対の各正極端子同士を接続する正極接続線に互いに直列に挿入接続された第１および第２のスイッチング素子と、
一端が前記第１および第２のスイッチング素子の接続点に接続された第３のスイッチング素子と、
一端が前記第１および第２の入出力端子対の各負極端子同士を接続する負極接続線に接続された第４のスイッチング素子と、
前記負極接続線と前記第３のスイッチング素子の他端との間に接続された第１の整流素子と、
前記第１および第２のスイッチング素子の接続点と前記第４のスイッチング素子の他端との間に接続された第２の整流素子と、
前記第３のスイッチング素子および前記第１の整流素子の接続点と、前記第４のスイッチング素子および前記第２の整流素子の接続点との間を接続するインダクタと
を備えたことを特徴とするスイッチング電源装置。
【請求項２】
前記第１のスイッチング素子は、
一端が前記第１の入出力端子対の正極端子に接続された第３の整流素子と、
前記第３の整流素子に並列接続されたスイッチング素子とを有し、
前記第２のスイッチング素子は、
一端が前記第３の整流素子の他端に接続されると共に他端が前記第２の入出力端子対の正極端子に接続された第４の整流素子と、
前記第４の整流素子に並列接続されたスイッチング素子とを有する
ことを特徴とする請求項１に記載のスイッチング電源装置。
【請求項３】
前記第３および第４の整流素子は、それぞれ、前記一端がアノードを構成すると共に前記他端がカソードを構成する
ことを特徴とする請求項２に記載のスイッチング電源装置。
【請求項４】
前記第３および第４の整流素子は、それぞれ、前記一端がカソードを構成すると共に前記他端がアノードを構成する
ことを特徴とする請求項２に記載のスイッチング電源装置。
【請求項５】
前記第３および第４の整流素子が、それぞれ、互いに逆極性を示すと共に直列接続された一対の整流素子により構成され、
前記第１のスイッチング素子に含まれるスイッチング素子および前記第２のスイッチング素子に含まれるスイッチング素子が、それぞれ、互いに逆極性を示すと共に直列接続された一対のトランジスタにより構成されている
ことを特徴とする請求項２に記載のスイッチング電源装置。
【請求項６】
前記第１および第２のスイッチング素子が、それぞれ、双方向スイッチにより構成されている
ことを特徴とする請求項１に記載のスイッチング電源装置。
【請求項７】
前記正極接続線および前記負極接続線の間に接続され、前記第１の入出力端子対または前記第２の入出力端子対に印加される電圧を平滑化する平滑容量素子と、
前記第１の入出力端子対または前記第２の入出力端子対に並列接続され、前記平滑容量素子に充電された電荷を強制的に放電する放電回路とをさらに備えた
ことを特徴とする請求項５または請求項６に記載のスイッチング電源装置。
【請求項８】
前記インダクタは、
部分的な欠損領域を含む磁芯と、
前記磁芯に巻回された巻線と、
前記欠損領域に配置され、前記磁芯により発生する直流磁気バイアス成分を打ち消すように磁界を発生する永久磁石とを有する
ことを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載のスイッチング電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、順方向動作および逆方向動作を行うことが可能な双方向型のスイッチング電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、バッテリ等の電圧源と、回生エネルギーを発生するモータが接続されたインバータや、太陽電池等の不安定な直流電圧源との間に、双方向型のスイッチング電源装置（ＤＣ−ＤＣコンバータ）が用いられており、近年では、例えばハイブリッド自動車などにも用いられている。この双方向型スイッチング電源装置とは、入力側から出力側へエネルギー伝送を行う順方向動作と、出力側から入力側へエネルギー伝送を行う逆方向動作とを実施することが可能なスイッチング電源装置である。
【０００３】
例えば特許文献１には、図２６に示したように、順方向動作時に昇圧動作を行い、逆方向動作時に降圧動作を行うことが可能なチョッパ方式の双方向型スイッチング電源装置が開示されている。この双方向型スイッチング電源装置は、入力平滑コンデンサＣinおよび出力平滑コンデンサＣoutと、スイッチング回路１０２と、このスイッチング回路１０２をスイッチング信号ＳＧ１０１，ＳＧ１０２により制御する制御部１０４とから構成され、スイッチング回路１０２は、インダクタＬ１と、スイッチング素子Ｓ１０１，Ｓ１０２と、ダイオードＤ１０１，Ｄ１０２とから構成されている。また、入力端子Ｔ１，Ｔ２間にはバッテリ１１が接続され、出力端子Ｔ３，Ｔ４間には負荷１２が接続されている。
【０００４】
また、例えば特許文献２には、図２８に示したように、昇圧動作、降圧動作および昇降圧動作を行うことが可能なチョッパ方式の双方向型スイッチング電源装置が開示されている。この双方向型スイッチング電源装置は、入力平滑コンデンサＣinおよび出力平滑コンデンサＣoutと、スイッチング回路２０２と、このスイッチング回路２０２をスイッチング信号ＳＧ２０１〜ＳＧ２０４により制御する制御部２０４とから構成され、スイッチング回路２０２は、インダクタＬ２と、スイッチング素子Ｓ２０１〜Ｓ１０４と、ダイオードＤ２０１〜Ｄ２０４とから構成されている。
【０００５】
【特許文献１】特公昭６３−４３７６６号公報
【特許文献２】特公平８−１３１７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ここで、上記特許文献１の双方向型スイッチング電源装置は、例えば図２７に示したように動作する。まず、順方向動作時には、例えばタイミングｔ１００においてスイッチング素子Ｓ１０１がオン状態になると（図２７（Ａ））、入力側からインダクタＬ１およびスイッチング素子Ｓ１０１の経路にて電流が流れ（図２７（Ｃ），（Ｄ））、入力電圧Ｖinに基づくエネルギーがインダクタＬ１に蓄積される。次に、タイミングｔ１０１においてスイッチング素子Ｓ１０１がオフ状態になると（図２７（Ａ））、入力側からインダクタＬ１およびダイオードＤ１０２を介して出力側へ至る経路にて電流が流れ（図２７（Ｃ），（Ｇ））、インダクタＬ１に蓄積されたエネルギーが出力側へ放出される。そしてタイミングｔ１０２以降もこのような動作を繰り返すことにより、以下の（１）式で表される昇圧された出力電圧Ｖoutが出力されるようになっている。
Ｖout／Ｖin＝１／（１−Ｄ_101）  …（１）
但し、Ｄ_101  ：スイッチング素子Ｓ１０１のデューティ比（＝Ｔon_101／Ｔｓ）
Ｔon_101：スイッチング素子Ｓ１０１のオン時間
Ｔｓ    ：スイッチング周期
【０００７】
一方、逆方向動作時には、例えばタイミングｔ１１０においてスイッチング素子Ｓ１０２がオン状態になると（図２７（Ｂ））、出力側からスイッチング素子Ｓ１０２およびインダクタＬ１を介して入力側に至る経路にて電流が流れ（図２７（Ｃ），（Ｆ））、出力電圧Ｖoutと入力電圧Ｖinとの差分電圧に基づくエネルギーがインダクタＬ１に蓄積される。次に、タイミングｔ１１１においてスイッチング素子Ｓ１０２がオフ状態になると（図２７（Ｂ））、インダクタＬ１から入力側を介してダイオードＤ１０１へ至る経路にて電流が流れ（図２７（Ｃ），（Ｅ））、インダクタＬ１に蓄積されたエネルギーが入力側へ放出される。そしてタイミングｔ１１２以降もこのような動作を繰り返すことにより、以下の（２）式で表される降圧された入力電圧Ｖinが出力されるようになっている。
Ｖin／Ｖout＝Ｄ_102  …（２）
但し、Ｄ_102  ：スイッチング素子Ｓ１０２のデューティ比（＝Ｔon_102／Ｔｓ）
Ｔon_102：スイッチング素子Ｓ１０２のオン時間
【０００８】
また、上記特許文献２の双方向型スイッチング電源装置では、スイッチング素子Ｓ２０１を常時オン状態に設定すると共にスイッチング素子Ｓ２０２を常時オフ状態に設定すると、図２３と等価な構成となり、順方向動作によって、上記特許文献１の順方向動作時と同様の昇圧動作がなされるようになっている。また、スイッチング素子Ｓ２０３を常時オン状態に設定すると共にスイッチング素子Ｓ２０４を常時オフ状態に設定すると、やはり順方向動作によって、上記特許文献１の逆方向動作時と同様の降圧動作がなされるようになっている。
【０００９】
さらに、例えば図２９に示したように動作することで、順方向動作時および逆方向動作時とも、昇降圧動作がなされるようになっている。まず、順方向動作時には、例えばタイミングｔ２００においてスイッチング素子Ｓ２０１，Ｓ２０４がオン状態になると（図２９（Ａ））、入力側からスイッチング素子Ｓ２０１、インダクタＬ２およびスイッチング素子Ｓ２０４を介する経路にて電流が流れ（図２９（Ｃ），（Ｄ））、入力電圧Ｖinに基づくエネルギーがインダクタＬ２に蓄積される。次に、タイミングｔ２０１においてスイッチング素子Ｓ２０１，Ｓ２０４がオフ状態になると（図２９（Ａ））、インダクタＬ２、ダイオードＤ２０３、出力側およびダイオードＤ２０２を介する経路にて電流が流れ（図２９（Ｃ），（Ｇ））、インダクタＬ２に蓄積されたエネルギーが出力側へ放出される。そしてタイミングｔ２０２以降もこのような動作を繰り返すことにより、以下の（３）式で表される、昇圧または降圧された出力電圧Ｖoutが出力されるようになっている。
Ｖout／Ｖin＝Ｄ_201／（１−Ｄ_201）  …（３）
但し、Ｄ_201：スイッチング素子Ｓ２０１，Ｓ２０４のデューティ比（＝Ｔon_201／Ｔs）
Ｔon_201：スイッチング素子Ｓ２０１，Ｓ２０４のオン時間
【００１０】
一方、逆方向動作時には、例えばタイミングｔ２１０においてスイッチング素子Ｓ２０２，Ｓ２０３がオン状態になると（図２９（Ｂ））、出力側からスイッチング素子Ｓ２０３、インダクタＬ２およびスイッチング素子Ｓ２０２を介する経路にて電流が流れ（図２９（Ｃ），（Ｆ））、出力電圧Ｖoutに基づくエネルギーがインダクタＬ２に蓄積される。次に、タイミングｔ２１１においてスイッチング素子Ｓ２０２，Ｓ２０３がオフ状態になると（図２９（Ｂ））、インダクタＬ２からダイオードＤ２０１、入力側およびダイオードＤ２０４を介する経路にて電流が流れ（図２９（Ｃ），（Ｅ））、インダクタＬ２に蓄積されたエネルギーが入力側へ放出される。そしてタイミングｔ２１２以降もこのような動作を繰り返すことにより、上記（３）式で表される、昇圧または降圧された入力電圧Ｖinが出力されるようになっている。
【００１１】
ところで、上記特許文献１，２の双方向型スイッチング電源装置では、図２７（Ｃ）および図２９（Ｃ）からも明らかなように、エネルギーの蓄積および放出を行うインダクタＬ１，Ｌ２に流れる電流ＩＬ１，ＩＬ２の向きが、いずれも順方向動作時と逆方向動作時とで反転してしまっていた。よって、例えば出力側の負荷がモータ等の場合において、順方向動作から回生動作等の逆方向動作へと切り換えるような場合には、インダクタに流れる電流を反転させる時間が必要となるため、その分、動作切換に要する時間も長くなり、迅速な動作切換処理を行うことが困難であった。なお、逆方向動作から順方向動作への動作切換の際にも、同様の問題が生じることになる。
【００１２】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、双方向型のスイッチング電源装置において、迅速な動作切換処理を行うことが可能なスイッチング電源装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の第１のスイッチング電源装置は、第１および第２の入出力端子対と、これら第１および第２の入出力端子対の各正極端子同士を接続する正極接続線に互いに直列に挿入接続された第１および第２のスイッチング素子と、一端が第１および第２のスイッチング素子の接続点に接続された第３のスイッチング素子と、一端が第１および第２の入出力端子対の各負極端子同士を接続する負極接続線に接続された第４のスイッチング素子と、上記負極接続線と第３のスイッチング素子の他端との間に接続された第１の整流素子と、第１および第２のスイッチング素子の接続点と第４のスイッチング素子の他端との間に接続された第２の整流素子と、第３のスイッチング素子および第１の整流素子の接続点と、第４のスイッチング素子および第２の整流素子の接続点との間を接続するインダクタとを備えたものである。
【００１４】
本発明の第１のスイッチング電源装置では、上記構成により、第１ないし第４のスイッチング素子の動作を適切に制御することで、以下のような動作がなされ得る。すなわち、まず、第１または第２のスイッチング素子、ならびに第３および第４のスイッチング素子によって、インダクタに対するエネルギーの蓄積経路が構成され得る。また、第１または第２のスイッチング素子、ならびに第１および第２の整流素子によって、インダクタに蓄積されたエネルギーの放出経路が構成され得る。また、第１および第２の入出力端子対のうちの一方の入出力端子対から入力電圧が入力し、この入力電圧に基づくエネルギーが、上記蓄積経路を介して、インダクタに蓄積され得る。また、このインダクタに蓄積されたエネルギーが、上記放出経路を介して放出され、これにより出力電圧が生成され、他方の入出力端子対から出力され得る。さらに、これら蓄積経路または放出経路を介してインダクタに流れる電流が一定方向となるよう、動作制御がなされ得る。
【００１５】
本発明の第１のスイッチング電源装置では、上記第１のスイッチング素子が、一端が第１の入出力端子対の正極端子に接続された第３の整流素子と、この第３の整流素子に並列接続されたスイッチング素子とを有し、上記第２のスイッチング素子が、一端が上記第３の整流素子の他端に接続されると共に他端が第２の入出力端子対の正極端子に接続された第４の整流素子と、この第４の整流素子に並列接続されたスイッチング素子とを有するように構成可能である。この場合において、上記第３および第４の整流素子が、それぞれ、上記一端がアノードを構成すると共に上記他端がカソードを構成するようにしてもよく、また逆に、上記一端がカソードを構成すると共に上記他端がアノードを構成するようにしてもよい。前者の場合、第１の入出力端子対から第２の入出力端子対へのエネルギー伝達動作が昇圧動作となり、これと逆方向の動作が降圧動作となる。また、後者の場合、逆に第１の入出力端子対から第２の入出力端子対へのエネルギー伝達動作が降圧動作となり、これと逆方向の動作が昇圧動作となる。
【００１６】
本発明の第１のスイッチング電源装置では、上記第１のスイッチング素子に含まれるスイッチング素子または上記第２のスイッチング素子に含まれるスイッチング素子の少なくとも一方を電界効果型トランジスタにより構成すると共に、第３の整流素子または第４の整流素子の少なくとも一方を、この電界効果型トランジスタの寄生ダイオードにより構成するようにしてもよい。このように構成した場合、使用する素子数が少なくなり、回路構成が簡素化する。
【００１７】
本発明の第１のスイッチング電源装置では、上記第３および第４の整流素子を、それぞれ、互いに逆極性を示すと共に直列接続された一対の整流素子により構成すると共に、第１のスイッチング素子に含まれるスイッチング素子および第２のスイッチング素子に含まれるスイッチング素子を、それぞれ、互いに逆極性を示すと共に直列接続された一対のトランジスタにより構成するようにしてもよい。また、上記第１および第２のスイッチング素子を、それぞれ、双方向スイッチにより構成するようにしてもよい。これらのように構成した場合、双方向スイッチまたはトランジスタに対する適切な制御によって、第１の入出力端子対から第２の入出力端子対へのエネルギー伝達動作、および逆に第１の入出力端子対から第２の入出力端子対へのエネルギー伝達動作のいずれにおいても、昇圧動作および降圧動作が可能となる。また、第３および第４のスイッチング素子、第１および第２の整流素子ならびにインダクタと、第１および第２の入出力端子対との間の接続が、完全に遮断され得る。また、この場合において、上記正極接続線および負極接続線の間に接続され、第１の入出力端子対または第２の入出力端子対に印加される電圧を平滑化する平滑容量素子と、第１の入出力端子対または第２の入出力端子対に並列接続され、この平滑容量素子に充電された電荷を強制的に放電する放電回路とをさらに備えるようにしてもよい。このように構成した場合、平滑容量素子に高電圧が印加された場合であっても、充電された電荷が強制的に放電されることから、迅速な電荷放出処理がなされ得る。
【００１８】
本発明の第１のスイッチング電源装置では、上記インダクタが、部分的な欠損領域を含む磁芯と、この磁芯に巻回された巻線と、上記欠損領域に配置され、磁芯により発生する直流磁気バイアス成分を打ち消すように磁界を発生する永久磁石とを有するようにしてもよい。このように構成した場合、磁芯に発生する直流磁気バイアス成分が打ち消されるため、磁芯に一定方向に流れる電流の直流重畳性が向上する。
【００１９】
本発明の第２のスイッチング電源装置は、第１および第２の入出力端子対のうちの一方の入出力端子対から入力電圧を入力すると共に他方の入出力端子対から出力電圧を出力するものであって、入力電圧に基づくエネルギーを蓄積すると共にこの蓄積したエネルギーを放出することにより出力電圧を生成するインダクタと、上記エネルギーの蓄積経路を構成する第１および第２のスイッチング素子と、上記エネルギーの放出経路を構成する第１および第２の整流素子と、蓄積経路または放出経路を介してインダクタに流れる電流が一定方向となるように第１および第２のスイッチング素子の動作を制御する制御部とを備えたものである。
【００２０】
本発明の第２のスイッチング電源装置では、第１および第２の入出力端子対のうちの一方の入出力端子対から入力電圧が入力し、この入力電圧に基づくエネルギーが、第１および第２のスイッチング素子により構成される蓄積経路を介して、インダクタに蓄積される。また、このインダクタに蓄積されたエネルギーは、第１および第２の整流素子により構成される放出経路を介して放出され、これにより出力電圧が生成され、他方の入出力端子対から出力される。さらに、これら蓄積経路または放出経路を介してインダクタに流れる電流が一定方向となるよう、第１および第２のスイッチング素子の動作制御がなされる。よって、順方向動作と逆方向動作との間で動作切換を行う場合にも電流反転動作が不要となり、双方向型のスイッチング電源装置において、迅速な動作切換処理を行うことが可能となる。
【００２１】
本発明の第２のスイッチング電源装置では、上記制御部が、以下の第１ないし第６の動作状態のうちの少なくとも１つの動作状態を含むように制御することが可能である。
（Ａ）第１の入出力端子対からの入力電圧に基づくエネルギーをインダクタに蓄積する第１の動作状態
（Ｂ）インダクタに蓄積されたエネルギーに基づく出力電圧を第２の入出力端子対から出力する第２の動作状態
（Ｃ）第２の入出力端子対からの入力電圧に基づくエネルギーをインダクタに蓄積する第３の動作状態
（Ｄ）インダクタに蓄積されたエネルギーに基づく出力電圧を第１の入出力端子対から出力する第４の動作状態
（Ｅ）第２のスイッチング素子および第１の整流素子を用いて第１の還流経路を構成することにより、インダクタに蓄積されたエネルギーを還流させる第５の動作状態
（Ｆ）第１のスイッチング素子および第２の整流素子を用いて第２の還流経路を構成することにより、インダクタに蓄積されたエネルギーを還流させる第６の動作状態
【００２２】
本発明の第２のスイッチング電源装置では、上記制御部が、第１の動作状態および第２の動作状態を含むように制御してもよい。このように構成した場合、第１の入出力端子対からの入力電圧に基づくエネルギーがインダクタに蓄積されると共に、このインダクタに蓄積されたエネルギーに基づく出力電圧が第２の入出力端子対から出力され、これにより順方向動作または逆方向動作がなされる。また、この場合において、さらに、第５の動作状態および第６の動作状態のうちの少なくとも一方を含むように制御してもよい。このように構成した場合、インダクタに蓄積されたエネルギーが還流される期間が設けられる。よって、この還流期間の長さにより、実際にエネルギー伝達に寄与する期間の長さが、任意に調整可能となる。
【００２３】
本発明の第２のスイッチング電源装置では、上記制御部が、第１の動作状態および第２の動作状態をそれぞれ主状態として含むと共に、第３の動作状態および第４の動作状態をそれぞれ補助状態として含むように制御してもよい。このようにして、主状態とは逆方向の動作をなす補助状態をあえて設けることで、スイッチング素子の並列寄生容量に対して電荷の充放電が意図的になされ得ると共に同期整流動作も可能となり、その結果、装置の効率低下およびノイズ発生が抑制され得る。
【００２４】
本発明の第２のスイッチング電源装置では、上記第１のおよび第２の入出力端子対の各正極端子同士を接続する正極接続線に互いに直列に挿入接続された２つの双方向スイッチを備え、上記制御部が、これら２つの双方向スイッチをそれぞれオフ状態に設定すると共に、第２のスイッチング素子および第１の整流素子を用いて第１の還流経路を構成し、第１のスイッチング素子および第２の整流素子を用いて第２の還流経路を構成することにより、インダクタに蓄積されたエネルギーを還流させる第７の動作状態を含むように制御してもよい。このように構成した場合、この還流期間の長さによっても、実際にエネルギー伝達に寄与する期間の長さが、任意に調整可能となる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明の第１のスイッチング電源装置によれば、第１ないし第４のスイッチング素子に対する適切な動作制御によって、蓄積経路または放出経路を介してインダクタに流れる電流が一定方向となり得るように構成したので、順方向動作と逆方向動作との間で動作切換を行う場合にも電流反転動作が不要となり、双方向型のスイッチング電源装置において、迅速な動作切換処理を行うことが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明を実施するための最良の形態（以下、単に実施の形態という。）について、図面を参照して詳細に説明する。
【００２７】
［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１の実施の形態に係るスイッチング電源装置の構成を表すものである。このスイッチング電源装置は、入力平滑コンデンサＣinおよび出力平滑コンデンサＣoutと、スイッチング回路２と、入力電圧検出回路３１と、出力電圧検出回路３２と、電流検出回路３３と、スイッチング回路２の動作を制御する制御部４とを備えている。また、バッテリ１１から入力端子Ｔ１，Ｔ２間に印加される入力電圧Ｖinに基づいて出力電圧Ｖoutを生成し、これを出力端子Ｔ３，Ｔ４から出力することにより例えばモータなどからなる負荷１２を駆動する順方向動作と、逆にこの負荷１２から出力端子Ｔ３，Ｔ４間に印加される出力電圧Ｖoutに基づいて入力電圧Ｖinを生成し、これを入力端子Ｔ１，Ｔ２から出力してバッテリ１１へ供給する逆方向動作とを行うことが可能な双方向型のスイッチング電源装置である。
【００２８】
入力平滑コンデンサＣinおよび出力平滑コンデンサＣoutは、それぞれ、入力電圧Ｖinまたは出力電圧Ｖoutを平滑化するためのものであり、入力端子Ｔ１から出力端子Ｔ３へ導かれた高圧ラインＬＨと、入力端子Ｔ２から出力端子Ｔ４へ導かれた低圧ラインＬＬとの間に配置されている。具体的には、入力平滑コンデンサＣinは、高圧ラインＬＨ上の入力端子Ｔ１と接続点Ｐ１との間に位置する接続点と、低圧ラインＬＬ上の入力端子Ｔ２と接続点Ｐ２との間に位置する接続点との間に配置されている。また、出力平滑コンデンサＣoutは、高圧ラインＬＨ上の出力端子Ｔ３と接続点Ｐ９との間に位置する接続点と、低圧ラインＬＬ上の出力端子Ｔ４と接続点Ｐ１０との間に位置する接続点との間に配置されている。
【００２９】
スイッチング回路２は、エネルギーの蓄積および放出を行うインダクタＬと、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）よりなるスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４と、ダイオードＤ１〜Ｄ４とを有している。
【００３０】
具体的には、ダイオードＤ３，Ｄ４はそれぞれ高圧ラインＬＨ上に挿入配置されており、ダイオードＤ３のアノードが接続点Ｐ１に接続されると共にそのカソードが接続点Ｐ３に接続され、ダイオードＤ４のアノードが接続点Ｐ６に接続されると共にそのカソードが接続点Ｐ９に接続されている。なお、接続点Ｐ３，Ｐ６は、高圧ラインＬＨ上で接続されている。また、スイッチング素子Ｓ３，Ｓ４はそれぞれ、これらダイオードＤ３，Ｄ４と並列接続されている。より具体的には、スイッチング素子Ｓ３のエミッタは接続点Ｐ１に接続され、コレクタが接続点Ｐ３に接続され、ベースは後述する制御部４に接続されている。スイッチング素子Ｓ４のエミッタは接続点Ｐ６に接続され、コレクタが接続点Ｐ９に接続され、ベースは後述する制御部４に接続されている。また、スイッチング素子Ｓ１は、エミッタが接続点Ｐ５に接続され、コレクタが接続点Ｐ３に接続され、ベースが後述する制御部４に接続されている。スイッチング素子Ｓ２は、エミッタが接続点Ｐ７に接続され、コレクタが接続点Ｐ８に接続され、ベースが後述する制御部４に接続されている。また、ダイオードＤ１は、アノードが接続点Ｐ４に接続され、カソードが接続点Ｐ５に接続されている。ダイオードＤ２は、アノードが接続点Ｐ８に接続され、カソードが接続点Ｐ６に接続されている。また、インダクタＬは、一端が後述する電流検出回路３３を介して接続点Ｐ５に接続され、他端が接続点Ｐ８に接続されている。
【００３１】
なお、上記のように本実施の形態では、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４がそれぞれＩＧＢＴにより構成されているが、例えば電界効果型トランジスタ（ＭＯＳ−ＦＥＴ；Metal Oxide Semiconductor-Field Effect Transistor）などにより構成してもよい。このように構成した場合、例えばダイオードＤ３，Ｄ４をこの電界効果型トランジスタの寄生ダイオードによって構成することができ、部品点数が削減されて装置構成が簡素化する。
【００３２】
インダクタＬは、順方向動作時の入力電圧Ｖinまたは逆方向動作時の出力電圧Ｖoutに基づくエネルギーを蓄積すると共に、この蓄積されたエネルギーを放出することにより、それぞれ出力電圧Ｖoutまたは入力電圧Ｖinを生成する役割を果たしている。
【００３３】
スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２は、制御部４からのスイッチング信号ＳＧ１，ＳＧ２に従ってオン・オフ動作することにより、インダクタＬに対するエネルギーの蓄積経路を構成するようになっている。一方、ダイオードＤ１，Ｄ２は、その整流作用を利用することにより、インダクタＬに蓄積されたエネルギーの放出経路を構成するようになっている。
【００３４】
また、ダイオードＤ３は、その整流作用を利用することにより、順方向動作時における上記エネルギーの蓄積経路を構成する一方、ダイオードＤ４は、やはりその整流作用を利用することにより、順方向動作時における上記エネルギーの放出経路を構成するようになっている。なお、上記のように、これらダイオードＤ３，Ｄ４のアノードが入力側に位置すると共にカソードが出力側に位置していることから、本実施の形態のスイッチング電源装置は、順方向動作時には昇圧動作を行う一方、逆方向動作時には降圧動作を行うようになっている。
【００３５】
スイッチング素子Ｓ４は、制御部４からのスイッチング信号ＳＧ４に従ってオン・オフ動作することにより、逆方向動作時における上記エネルギーの蓄積経路を構成する一方、スイッチング素子Ｓ３は、制御部４からのスイッチング信号ＳＧ３に従ってオン・オフ動作することにより、逆方向動作時における上記エネルギーの放出経路を構成するようになっている。なお、詳細は後述するが、上記スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２には、入力電圧Ｖinまたは出力電圧Ｖoutが印加されるため、これらの電圧に耐えうる耐圧のものである必要があるが、スイッチング素子Ｓ３，Ｓ４には、出力電圧Ｖoutと入力電圧Ｖinとの差分の電圧が印加されるため、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２よりも耐圧の低い素子を用いることができる。
【００３６】
このような構成によりスイッチング回路２では、詳細は後述するが、順方向動作時の入力電圧Ｖinまたは逆方向動作時の出力電圧Ｖoutに基づいて、それぞれ出力電圧Ｖoutまたは入力電圧Ｖinを生成するようになっている。
【００３７】
入力電圧検出回路３１は、高圧ラインＬＨ上の接続点Ｐ１と低圧ラインＬＬ上の接続点Ｐ２との間に挿入配置されると共に、制御部４に接続されている。入力電圧検出回路３１はこのような構成により、入力電圧Ｖinを検出すると共にこの入力電圧Ｖinの大きさに対応する電圧を制御部４へ出力するようになっている。なお、この入力電圧検出回路３１の具体的な回路構成としては、例えば、接続点Ｐ１と接続点Ｐ２との間に配置された分圧抵抗（図示せず）によって、入力電圧Ｖinを検出すると共にこれに応じた電圧を生成するものなどが挙げられる。
【００３８】
また、出力電圧検出回路３２は、高圧ラインＬＨ上の接続点Ｐ９と低圧ラインＬＬ上の接続点Ｐ１０との間に挿入配置されると共に、制御部４に接続されている。出力電圧検出回路３２はこのような構成により、出力電圧Ｖoutを検出すると共にこの出力電圧Ｖoutの大きさに対応する電圧を制御部４へ出力するようになっている。なお、この出力電圧検出回路３２の具体的な回路構成としては、上記した入力電圧検出回路３１の場合と同様に、例えば、接続点Ｐ９と接続点Ｐ１０との間に配置された分圧抵抗（図示せず）よって、出力電圧Ｖoutを検出すると共にこれに応じた電圧を生成するものが挙げられる。
【００３９】
また、電流検出回路３３は、インダクタＬの一端と接続点Ｐ５との間に挿入配置されており、インダクタＬに流れる電流（インダクタ電流ＩＬ）を検出すると共に、このインダクタ電流ＩＬの大きさに対応する電圧を制御部４へ出力するようになっている。なお、この電流検出回路３３の具体的な構成としては、例えばホール素子を用いたものが挙げられる。
【００４０】
制御部４は、入力電圧検出回路３１、出力電圧検出回路３２および電流検出回路３３からの信号（検出電圧または検出電流に対応する電圧）に基づいてスイッチング信号ＳＧ１〜ＳＧ４を生成し、これらのスイッチング信号用いてスイッチング回路２内のスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４のオン・オフ動作をそれぞれ制御するものである。また、詳細は後述するが、この制御部４は、順方向動作時および逆方向動作時のいずれにおいても上記インダクタ電流ＩＬの向きが常に一定方向となるように、これらスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４を制御するようになっている。なお、これらのスイッチング信号の生成に際しては、上記検出回路からの信号のみならず、例えば、負荷１２がインバータである場合におけるモータ等の状況を表す信号や、バッテリに関する情報を表す信号、スイッチング電源装置を構成する半導体素子の温度、平滑コンデンサを流れる電流などを用いるようにしてもよい。本実施の形態のスイッチング電源装置では、これらスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４のオン・オフ状態の組み合わせにより、６つの動作状態が構成され得るようになっている。
【００４１】
ここで、図２〜図８を参照して、これら６つの動作状態の構成について説明する。図２は、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４のオン・オフ状態の組み合わせと動作状態との関係を表したものであり、図３〜図８は、それぞれ、動作状態１〜６におけるスイッチング回路２の接続状態を表したものである。なお、以下の回路構成では、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４を適宜、スイッチの形状で示している。
【００４２】
まず、図３に示した動作状態１では、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２がオン状態となる一方、スイッチング素子Ｓ４はオフ状態となっている（図２）。このような構成により動作状態１では、図３に示した電流経路Ｉ１、すなわちバッテリ１１、ダイオードＤ３およびスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２を介して、順方向動作によって、入力電圧Ｖinに基づくエネルギーをインダクタＬに蓄積するようになっている。なお、スイッチング素子Ｓ３については、オン状態およびオフ状態のどちらであってもよい。ただし、ダイオードＤ３に電流が流れているときにこのスイッチング素子Ｓ３もオン状態となるようにした場合（同期整流動作）、回路での電力損失が抑制されるので好ましい。
【００４３】
また、図４に示した動作状態２では、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３がいずれもオフ状態となっている（図２）。このような構成により動作状態２では、図４に示した電流経路Ｉ２、すなわちインダクタＬ、ダイオードＤ２、ダイオードＤ４、負荷１２およびダイオードＤ１を介して、順方向動作によって、インダクタＬに蓄積されたエネルギーを放出することにより、出力電圧Ｖoutを生成するようになっている。なお、スイッチング素子Ｓ４については、オン状態およびオフ状態のどちらであってもよい。ただし、ダイオードＤ４に電流が流れているときにこのスイッチング素子Ｓ４もオン状態となるようにした場合（同期整流動作）、回路での電力損失が抑制されるので好ましい。
【００４４】
また、図５に示した動作状態３では、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２，Ｓ４がオン状態となる一方、スイッチング素子Ｓ３はオフ状態となっている（図２）。このような構成により動作状態３では、図５に示した電流経路Ｉ３、すなわち負荷１２、スイッチング素子Ｓ４，Ｓ１、インダクタＬおよびスイッチング素子Ｓ２を介して、逆方向動作によって、出力電圧Ｖoutに基づくエネルギーをインダクタＬに蓄積するようになっている。
【００４５】
また、図６に示した動作状態４では、スイッチング素子Ｓ３がオン状態となる一方、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２，Ｓ４はオフ状態となっている（図２）。このような構成により動作状態４では、図６に示した電流経路Ｉ４、すなわちインダクタＬ、ダイオードＤ２、スイッチング素子Ｓ３、バッテリ１１およびダイオードＤ１を介して、逆方向動作によって、インダクタＬに蓄積されたエネルギーを放出することにより、入力電圧Ｖoutを生成するようになっている。
【００４６】
また、図７に示した動作状態５では、スイッチング素子Ｓ２がオン状態となる一方、スイッチング素子Ｓ１はオフ状態となっている（図２）。このような構成により動作状態５では、図７に示した電流経路Ｉ５、すなわちインダクタＬ、スイッチング素子Ｓ２およびダイオードＤ１を介して、インダクタＬに蓄積されたエネルギーを還流させるようになっている。なお、スイッチング素子Ｓ３，Ｓ４については、それぞれオン状態およびオフ状態のどちらであってもよい。ただし、ダイオードＤ３，Ｄ４に電流が流れているときにこれらスイッチング素子Ｓ３，Ｓ４もそれぞれオン状態となるようにした場合（同期整流動作）、回路での電力損失が抑制されるので好ましい。
【００４７】
また、図８に示した動作状態６では、スイッチング素子Ｓ１がオン状態となる一方、スイッチング素子Ｓ２はオフ状態となっている（図２）。このような構成により動作状態６では、図８に示した電流経路Ｉ６、すなわちインダクタＬ、ダイオードＤ２およびスイッチング素子Ｓ１を介して、インダクタＬに蓄積されたエネルギーを還流させるようになっている。なお、この場合も動作状態５と同様に、スイッチング素子Ｓ３，Ｓ４については、それぞれオン状態およびオフ状態のどちらであってもよい。
【００４８】
このようにして、制御部４によるスイッチング回路２の制御によって、上記動作状態１〜６を任意に組み合わせることができ、これにより本実施の形態のスイッチング電源装置において、様々な動作を行うことができるようになっている。
【００４９】
ここで、入力端子Ｔ１，Ｔ２または出力端子Ｔ３，Ｔ４が、それぞれ本発明における「第１の入出力端子対」または「第２の入出力端子対」の一具体例に対応する。また、入力端子Ｔ１および出力端子Ｔ３が、本発明における「正極端子」の一具体例に対応し、入力端子Ｔ２および出力端子Ｔ４が、本発明における「負極端子」の一具体例に対応する。また、高圧ラインＬＨが本発明における「正極接続線」の一具体例に対応し、低圧ラインＬＬが本発明における「負極接続線」の一具体例に対応する。また、スイッチング素子Ｓ１は、本発明の第１のスイッチング電源装置における「第３のスイッチング素子」、および本発明の第２のスイッチング電源装置における「第１のスイッチング素子」の一具体例に対応する。また、スイッチング素子Ｓ２は、本発明の第１のスイッチング電源装置における「第４のスイッチング素子」、および本発明の第２のスイッチング電源装置における「第２のスイッチング素子」の一具体例に対応する。また、スイッチング素子Ｓ３およびダイオードＤ３が本発明の第１のスイッチング電源装置における「第１のスイッチング素子」の一具体例に対応し、スイッチング素子Ｓ４およびダイオードＤ４が本発明の第１のスイッチング電源装置における「第２のスイッチング素子」の一具体例に対応する。また、ダイオードＤ１，Ｄ２は、それぞれ本発明における「第１の整流素子」または「第２の整流素子」の一具体例に対応し、ダイオードＤ３，Ｄ４は、それぞれ本発明の第１のスイッチング電源装置における「第３の整流素子」または「第４の整流素子」の一具体例に対応する。また、電流経路Ｉ７１，Ｉ７２は、それぞれ本発明の第２のスイッチング電源装置における「第１の還流経路」または「第２の還流経路」の一具体例に対応する。また、入力平滑コンデンサＣinまたは出力平滑コンデンサＣoutが、本発明の第１のスイッチング電源装置における「平滑容量素子」の一具体例に対応する。
【００５０】
次に、図９〜図１３を参照して、上記動作状態１〜６の組み合わせによるスイッチング電源装置の動作について、代表的なものをいくつか（制御Ａ〜Ｅ）説明する。ここで、図９〜図１３は、それぞれ、これら制御Ａ〜Ｅによるスイッチング電源装置の動作をタイミング波形図で表したものであり、（Ａ）〜（Ｄ）はそれぞれスイッチング信号ＳＧ１〜ＳＧ４を、（Ｅ）はインダクタ電流ＩＬを、（Ｆ）はスイッチング素子Ｓ１を流れる電流（エミッタ・コレクタ間を流れる電流）ＩＳ１を、（Ｇ）はダイオードＤ２を順方向に流れる電流ＩＤ２を、（Ｈ）は入力電流Ｉinを、（Ｉ）は出力電流Ｉoutを表し、それぞれ図１に示した矢印の方向を正の値としている。
【００５１】
＜制御Ａ＞
図９に示した制御Ａでは、動作状態１，２が交互に繰り返されることで、順方向動作によって、入力電圧Ｖinに基づくエネルギーがインダクタＬに蓄積される（動作状態１）と共に、この蓄積されたエネルギーが放出され、出力電圧Ｖoutが生成される（動作状態２）。また、動作状態１の時間と動作状態２の時間との比率を制御することで、この出力電圧Ｖoutの安定化がなされるようになっている。
【００５２】
具体的には、まずタイミングｔ０において、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２がオン状態になると（図９（Ａ），（Ｂ））、入力端子Ｔ１，Ｔ２からの入力電圧Ｖinに基づき、前述の電流経路Ｉ１を介して、エネルギーがインダクタＬに蓄積される（動作状態１）。よって、このときのインダクタ電流ＩＬは、線形的に増加している（図９（Ｅ））。
【００５３】
次に、タイミングｔ１になると、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２がオフ状態となり（図９（Ａ），（Ｂ））、前述の電流経路Ｉ２を介して、インダクタＬに蓄積されたエネルギーが放出される（動作状態２）。よって、このときのインダクタ電流ＩＬは、線形的に減少している（図９（Ｅ））。これにより、出力電流Ｉoutが流れ（図９（Ｉ））、出力端子Ｔ３，Ｔ４間に出力電圧Ｖoutが印加される。そしてこの出力電圧Ｖoutによって、負荷１２が駆動される。なお、その後はタイミングｔ２（＝ｔ０）においてスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２がオン状態になり（図９（Ａ），（Ｂ））、再び動作状態１となる。
【００５４】
ここで、制御Ａにおける入力電圧Ｖinと出力電圧Ｖoutとの比は、以下の（４）式のように表される。この（４）式により、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２のオン時間を長くし、インダクタＬに蓄積されるエネルギーを大きくすることで、出力電圧Ｖoutの値も大きくなることが分かる。なお、前述のように本実施の形態のスイッチング電源装置は、順方向動作時には昇圧動作を行うように構成されているので、下記のデューティ比Ｄの値は、原則として０．５（５０％）以上に設定される。ただし、このデューティ比Ｄの値を０．５（５０％）未満に設定したとしても、スイッチング電源装置の動作上、問題とはならない。
Ｖout／Ｖin＝Ｄ／（１−Ｄ）  …（４）
但し、Ｄ  ：スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２のデューティ比（＝Ｔon／Ｔｓ）
Ｔon：スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２のオン時間
Ｔｓ：スイッチング周期
【００５５】
＜制御Ｂ＞
図１０に示した制御Ｂでは、動作状態１，２が交互に繰り返される上記制御Ａにおいて、動作状態１と動作状態２との間に動作状態６が設けられることで、動作状態１においてインダクタＬに蓄積されたエネルギーが還流されるようになっている。
【００５６】
具体的には、タイミングｔ１０〜ｔ１１の動作状態１においてエネルギーがインダクタＬに蓄積された後、タイミングｔ１１において、スイッチング素子Ｓ２がオフ状態となる（図１０（Ｂ））。すると、前述の電流経路Ｉ６によって、インダクタＬに蓄積されたエネルギーが還流する（動作状態６）。よって、入力電流Ｉinおよび出力電流Ｉoutとも流れなくなり（図１０（Ｈ），（Ｉ））、インダクタ電流ＩＬの値も一定となっている（図１０（Ｅ））。つまり、この動作状態６では入出力側へ電流が流れないので、この動作状態６の期間を制御することで、以下の（５）式のように、出力電圧Ｖoutの大きさを制御することも可能である。
Ｖout／Ｖin＝Ｄ１／（１−Ｄ２）  …（５）
但し、Ｄ１  ：スイッチング素子Ｓ１のデューティ比（＝Ｔon１／Ｔｓ）
Ｄ２  ：スイッチング素子Ｓ２のデューティ比（＝Ｔon２／Ｔｓ）
Ｔon１：スイッチング素子Ｓ１のオン時間
Ｔon２：スイッチング素子Ｓ２のオン時間
Ｔｓ  ：スイッチング周期
【００５７】
なお、図１０に示した例では、動作状態１の後に動作状態６が設定されるようになっているが、動作状態２の後に動作状態６を設定するようにしてもよい。また、動作状態６の代わりに動作状態５を用いて、インダクタＬに蓄積されたエネルギーを還流させるようにしてもよく、さらに、これら動作状態５，６の両者を用いるようにしてもよい。
【００５８】
＜制御Ｃ＞
図１１に示した制御Ｃでは、動作状態１，２が交互に繰り返される上記制御Ａにおいて、動作状態１と動作状態２との間に動作状態４が設けられ、動作状態２と動作状態１との間に動作状態３が設けられている。言い換えると、順方向動作をなす動作状態１，２（主状態）に対して、逆方向動作をなす動作状態３，４（補助状態）が加えられるようになっている。
【００５９】
具体的には、まずタイミングｔ２０以前の動作状態２において、順方向動作によりインダクタＬからエネルギーが放出された後、タイミングｔ２０において、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２がオン状態となる（図１１（Ａ），（Ｂ））一方、スイッチング素子Ｓ４はオン状態のままである（図１１（Ｄ））。すると、前述の電流経路Ｉ３を介して、逆方向動作によって、出力電圧Ｖoutに基づくエネルギーがインダクタＬに蓄積される（動作状態３）。
【００６０】
次に、タイミングｔ２１において、スイッチング素子Ｓ４がオフ状態になると（図１１（Ｄ））、インダクタ電流によって、スイッチング素子Ｓ４の並列寄生容量（例えば、コレクタ−エミッタ間容量やダイオードＤ４の接合容量など）に電荷が充電される一方、スイッチング素子Ｓ３の並列寄生容量から電荷が放電される。そしてこれらスイッチング素子Ｓ３，Ｓ４同士の接続点である接続点Ｐ３，Ｐ６の電位が入力電圧Ｖinに達すると、ダイオードＤ３がオン状態（順方向電流が流れている状態）となり、前述の電流経路Ｉ１を介して、順方向動作によって、エネルギーがインダクタＬに蓄積される（動作状態１）。そしてこの動作状態１の期間中（タイミングｔ２１〜ｔ２３）、タイミングｔ２２において、スイッチング素子Ｓ３がオン状態となる（図１１（Ｃ））。ここで、上記のようにダイオードＤ３はすでにオン状態であることから、スイッチング素子Ｓ３のスイッチング動作の際にスイッチング損失は発生せず（同期整流動作）、その結果、スイッチング損失に起因した装置の効率低下およびノイズ発生が抑制される。なお、上記ではスイッチング素子Ｓ３，Ｓ４の並列寄生容量の場合で説明したが、実際にこれらスイッチング素子Ｓ３，Ｓ４と並列に容量素子が接続された場合でも同様である。
【００６１】
次に、タイミングｔ２３において、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２がオフ状態となる（図１１（Ａ），（Ｂ））一方、スイッチング素子Ｓ３はオン状態のままである（図１１（Ｃ））。すると、前述の電流経路Ｉ４を介して、逆方向動作によって、インダクタＬに蓄積されたエネルギーが放出される（動作状態４）。
【００６２】
次に、タイミングｔ２４において、スイッチング素子Ｓ３がオフ状態になると（図１１（Ｃ））、インダクタ電流によって、スイッチング素子Ｓ３の並列寄生容量（例えば、コレクタ−エミッタ間容量やダイオードＤ３の接合容量など）に電荷が充電される一方、スイッチング素子Ｓ４の並列寄生容量から電荷が放電される。そして接続点Ｐ３，Ｐ６の電位が出力電圧Ｖoutに達すると、ダイオードＤ４がオン状態となり、前述の電流経路Ｉ２を介して、順方向動作によって、インダクタＬに蓄積されたエネルギーが放出される（動作状態２）。そしてこの動作状態２の期間中（タイミングｔ２４〜ｔ２６）、タイミングｔ２５において、スイッチング素子Ｓ４がオン状態となる（図１１（Ｄ））。ここで、上記のようにダイオードＤ４はすでにオン状態であることから、スイッチング素子Ｓ４のスイッチング動作の際にスイッチング損失は発生せず（同期整流動作）、その結果、スイッチング損失に起因した装置の効率低下およびノイズ発生が抑制される。なお、その後はタイミングｔ２６（＝ｔ２０）においてスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２がオン状態になり（図１１（Ａ），（Ｂ））、再び動作状態３となる。なお、この場合もスイッチング素子Ｓ３，Ｓ４の並列寄生容量の場合で説明したが、実際にこれらスイッチング素子Ｓ３，Ｓ４と並列に容量素子が接続された場合でも同様である。
【００６３】
このようにして、この制御Ｃでは、順方向動作をなす主状態の動作状態１，２に対して、あえて逆方向動作をなす補助状態の動作状態３，４が加えられることで、スイッチング素子Ｓ３，Ｓ４の並列寄生容量に対して電荷の充放電が意図的になされると共に同期整流動作が可能となり、その結果、装置の効率低下およびノイズ発生が抑制される。
【００６４】
＜制御Ｄ＞
図１２に示した制御Ｄでは、動作状態３，４が交互に繰り返されることで、逆方向動作によって、出力電圧Ｖoutに基づくエネルギーがインダクタＬに蓄積される（動作状態３）と共に、この蓄積されたエネルギーが放出され、入力電圧Ｖinが生成される（動作状態４）。また、動作状態３の時間と動作状態４の時間との比率を制御することで、この入力電圧Ｖinの安定化がなされるようになっている。
【００６５】
具体的には、まずタイミングｔ３０において、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２，Ｓ４がオン状態になる一方（図１２（Ａ），（Ｂ），（Ｄ））、スイッチング素子Ｓ３がオフ状態となると（図１２（Ｃ））、出力端子Ｔ３，Ｔ４からの出力電圧Ｖoutに基づき、前述の電流経路Ｉ３を介して、エネルギーがインダクタＬに蓄積される（動作状態３）。よって、このときの出力電流Ｉoutは負の値（逆方向）になっている（図１２（Ｉ））と共に、インダクタ電流ＩＬが線形的に増加している（図１２（Ｅ））。
【００６６】
次に、タイミングｔ３１になると、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２，Ｓ４がオフ状態となる一方（図１２（Ａ），（Ｂ），（Ｄ））、スイッチング素子Ｓ３がオン状態となり（図１２（Ｃ））、前述の電流経路Ｉ４を介して、インダクタＬに蓄積されたエネルギーが放出される（動作状態４）。よって、このときのインダクタ電流ＩＬは、線形的に減少している（図１２（Ｅ））。これにより、負の（逆方向の）入力電流Ｉinが流れ（図１２（Ｉ））、入力端子Ｔ１，Ｔ２間に入力電圧Ｖoutが印加される。そしてこの入力電圧Ｖinによって、バッテリ１１に電荷が充電される。なお、その後はタイミングｔ３２（＝ｔ３０）において、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２，Ｓ４がオン状態になる（図１２（Ａ），（Ｂ），（Ｄ））と共にスイッチング素子Ｓ３がオフ状態になり（図１２（Ｃ））、再び動作状態３となる。
【００６７】
なお、前述の制御Ｂと同様に、動作状態３，４が交互に繰り返されるこの制御Ｄにおいて、動作状態５，６の少なくとも一方を追加し、動作状態３でインダクタＬに蓄積されたエネルギーを還流させるようにしてもよい。この場合も、動作状態５，６の期間を制御することで、入力電圧Ｖinの大きさを制御することが可能となる。
【００６８】
＜制御Ｅ＞
図１３に示した制御Ｅでは、動作状態３，４が交互に繰り返される上記制御Ｄにおいて、動作状態４と動作状態３との間に動作状態２が設けられ、動作状態３と動作状態４との間に動作状態１が設けられている。言い換えると、上記制御Ｃの場合とは逆に、逆方向動作をなす動作状態３，４（主状態）に対して、順方向動作をなす動作状態１，２（補助状態）が加えられるようになっている。
【００６９】
具体的には、まずタイミングｔ４０以前の動作状態４において、逆方向動作によりインダクタＬからエネルギーが放出された後、タイミングｔ４０において、スイッチング素子Ｓ３がオフ状態になる（図１３（Ｃ））。すると、インダクタ電流によって、スイッチング素子Ｓ３の並列寄生容量（例えば、コレクタ−エミッタ間容量やダイオードＤ３の接合容量など）に電荷が充電される一方、スイッチング素子Ｓ４の並列寄生容量から電荷が放電される。そして接続点Ｐ３，Ｐ６の電位が出力電圧Ｖoutに達すると、ダイオードＤ４がオン状態となり、前述の電流経路Ｉ２を介して、順方向動作によって、インダクタＬに蓄積されたエネルギーが放出される（動作状態２）。そしてこの動作状態２の期間中（タイミングｔ４０〜ｔ４２）、タイミングｔ４１において、スイッチング素子Ｓ４がオン状態となる（図１３（Ｄ））。ここで、ダイオードＤ４はすでにオン状態となっているため、スイッチング素子Ｓ４のスイッチング動作の際にスイッチング損失は発生せず（同期整流動作）、その結果、スイッチング損失に起因した装置の効率低下およびノイズ発生が抑制される。なお、この場合もスイッチング素子Ｓ３，Ｓ４の並列寄生容量の場合で説明したが、実際にこれらスイッチング素子Ｓ３，Ｓ４と並列に容量素子が接続された場合でも同様である。
【００７０】
次に、タイミングｔ４２において、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２がオン状態となる（図１３（Ａ），（Ｂ））一方、スイッチング素子Ｓ４はオン状態のままである（図１３（Ｄ））。すると、前述の電流経路Ｉ３を介して、逆方向動作によって、出力電圧Ｖoutに基づくエネルギーがインダクタＬに蓄積される（動作状態３）。
【００７１】
次に、タイミングｔ４３において、スイッチング素子Ｓ４がオフ状態になると（図１３（Ｄ））、インダクタ電流によって、スイッチング素子Ｓ４の並列寄生容量（例えば、コレクタ−エミッタ間容量やダイオードＤ４の接合容量など）に電荷が充電される一方、スイッチング素子Ｓ３の並列寄生容量から電荷が放電される。そしてこれらスイッチング素子Ｓ３，Ｓ４同士の接続点である接続点Ｐ３，Ｐ６の電位が入力電圧Ｖinに達すると、ダイオードＤ３がオン状態（順方向電流が流れている状態）となり、前述の電流経路Ｉ１を介して、順方向動作によって、エネルギーがインダクタＬに蓄積される（動作状態１）。そしてこの動作状態１の期間中（タイミングｔ４３〜ｔ４５）、タイミングｔ４４において、スイッチング素子Ｓ３がオン状態となる（図１３（Ｃ））。ここで、上記のようにダイオードＤ３はすでにオン状態であることから、スイッチング素子Ｓ３のスイッチング動作の際にスイッチング損失は発生せず（同期整流動作）、その結果、スイッチング損失に起因した装置の効率低下およびノイズ発生が抑制される。なお、この場合もスイッチング素子Ｓ３，Ｓ４の並列寄生容量の場合で説明したが、実際にこれらスイッチング素子Ｓ３，Ｓ４と並列に容量素子が接続された場合でも同様である。
【００７２】
次に、タイミングｔ４５において、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２がオフ状態となる（図１３（Ａ），（Ｂ））一方、スイッチング素子Ｓ３はオン状態のままである（図１３（Ｃ））。すると、前述の電流経路Ｉ４を介して、逆方向動作によって、インダクタＬに蓄積されたエネルギーが放出される（動作状態４）。なお、その後はタイミングｔ４６（＝ｔ４０）においてスイッチング素子Ｓ３がオフ状態になり（図１３（Ｃ））、再び動作状態２となる。
【００７３】
このようにして、この制御Ｅでは、逆方向動作をなす主状態の動作状態３，４に対して、あえて順方向動作をなす補助状態の動作状態１，２が加えられることで、スイッチング素子Ｓ３，Ｓ４の並列寄生容量に対して電荷の充放電が意図的になされると共に同期整流動作が可能となり、その結果、装置の効率低下およびノイズ発生が抑制される。
【００７４】
次に、図１４および図１５を参照して、順方向動作と逆方向動作との切換制御について説明する。ここで、図１５は、本実施の形態のスイッチング電源装置における順方向動作（ここでは一例として、制御Ａの場合）から逆方向動作（ここでは一例として、逆方向動作が主動作となっている制御Ｅの場合）への切換制御の状況をタイミング波形図で表したものであり、図１４は、比較例として、図２６および図２７に示した従来の双方向型スイッチング電源装置における順方向動作から逆方向動作への切換制御の状況をタイミング波形図で表したものである。
【００７５】
まず、図１４に示した比較例では、例えばタイミングｔ５０において、スイッチング素子Ｓ１０１が常時オフ状態になる（図１４（Ａ））と共にスイッチング素子Ｓ１０２がオン・オフ動作するようになり（図１４（Ｂ））、順方向動作から逆方向動作への切換制御の設定がなされている。しかしながら、このタイミングｔ５０からタイミングｔ５１までの期間では、インダクタＬ１に出力電圧Ｖoutと入力電圧Ｖinとの差分電圧が印加されるため値は減少しているものの、依然として順方向動作時と同じ方向に、インダクタ電流ＩＬ１およびダイオードＤ１０２の電流ＩＤ１０２が流れている（図１４（Ｃ），（Ｅ））。そしてようやくタイミングｔ５１においてこれらの電流値が０となり、以後は電流の向きが反転することにより、実際に出力側から入力側への逆方向動作がなされるようになっている。つまり、タイミングｔ５０において切換制御の設定がなされているにもかかわらず、実際に逆方向動作へ切り替わるのはタイミングｔ５１に至ってからであり、切換制御処理に長時間を要していることが分かる。
【００７６】
これに対して、図１５に示した本実施の形態では、スイッチング回路２の構成および制御部４による適切なスイッチング制御によって、動作状態１〜６のいずれにおいても、インダクタ電流ＩＬの向きが一定となっており（図３〜図８参照）、その結果、これらの動作状態を組み合わせた制御Ａ〜Ｅを含めた全ての制御において、インダクタ電流ＩＬの向きが一定（正の値）となっている（図９（Ｅ）〜図１３（Ｅ）参照）。したがって、図１５に示した切換制御の際にも、上記比較例とは異なり、インダクタ電流ＩＬの向きは一定であり、反転することはない。よって、タイミングｔ６０において制御Ａから制御Ｅへの切換制御の設定がなされ、タイミングｔ６１において実際に逆方向動作をなす動作状態４へと移行する際にも、すぐに入力電流Ｉinの向きが反転し（図１５（Ｈ））、迅速に切換制御処理がなされていることが分かる。また、同様にタイミングｔ６４において、順方向動作をなす動作状態２から逆方向動作をなす動作状態３へと移行する際にも、すぐに出力電圧Ｉoutの向きが反転している（図１５（Ｉ））ことが分かる。
【００７７】
以上のように、本実施の形態では、ダイオードＤ３またはスイッチング素子Ｓ４、ならびにスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２によってインダクタＬに対するエネルギーの蓄積経路を構成すると共に、ダイオードＤ４またはスイッチング素子Ｓ３、ならびにダイオードＤ１，Ｄ２によってこのインダクタＬに蓄積されたエネルギーの放出経路を構成し、制御部４によるスイッチング回路２の適切な動作制御によって、これら蓄積経路または放出経路を介してインダクタＬに流れる電流（インダクタ電流ＩＬ）が一定方向となるようにしたので、順方向動作と逆方向動作との間で動作切換を行う場合にもインダクタ電流ＩＬの反転動作が不要となり、双方向型のスイッチング電源装置において、迅速な動作切換処理を行うことが可能となる。
【００７８】
また、ダイオードＤ３のアノードを接続点Ｐ１を介して入力端子Ｔ１に接続すると共にカソードを接続点Ｐ３，Ｐ６を介してダイオードＤ４のアノードに接続し、ダイオードＤ４のカソードを接続点Ｐ９を介して出力端子Ｔ３に接続するようにしたので、入力側から出力側への順方向動作時には入力電圧Ｖinの昇圧動作を行うことが可能となる一方、逆に出力側から入力側への逆方向動作時には、出力電圧Ｖoutの降圧動作を行うことが可能となる。
【００７９】
また、制御部４が、上記動作状態１〜６のうちの少なくとも１つの動作状態を含むように制御するので、これら動作状態１〜６の組み合わせにより、多様な動作を行うことが可能となる。
【００８０】
具体的には、例えば動作状態１，２が交互に繰り返される制御Ａでは、入力電圧Ｖinに基づくエネルギーをインダクタＬに蓄積すると共にこの蓄積されたエネルギーを放出することにより、順方向動作によって出力電圧Ｖoutを生成することが可能となる。
【００８１】
また、同様に動作状態３，４が交互に繰り返される制御Ｄでは、出力電圧Ｖoutに基づくエネルギーをインダクタＬに蓄積すると共にこの蓄積されたエネルギーを放出することにより、逆方向動作によって入力電圧Ｖinを生成することが可能となる。
【００８２】
また、例えば制御Ｂでは、制御Ａにおける動作状態１と動作状態２との間に動作状態５や動作状態６を設けることにより、インダクタＬに蓄積されたエネルギーを還流させることができる。よって、エネルギー伝達に寄与しない期間を設けることができるので、スイッチング素子のオン時間を調整することができ、前述の（５）式により、出力電圧Ｖoutの大きさを制御することが可能となる。なお、制御Ｄにおける動作状態３と動作状態４との間に動作状態５や動作状態６を設けるようにした場合も、同様の作用により、入力電圧Ｖinの大きさを制御することができる。
【００８３】
また、例えば制御Ｃでは、順方向動作をなす主状態の動作状態１，２に対して、あえて逆方向動作をなす補助状態の動作状態３，４を加えるようにしたので、スイッチング素子Ｓ３，Ｓ４の並列寄生容量に対する電荷の充放電が可能となると共に同期整流動作が可能となり、装置の効率低下およびノイズ発生を抑制することが可能となる。
【００８４】
また、同様に制御Ｅでは、逆方向動作をなす主状態の動作状態３，４に対して、あえて順方向動作をなす補助状態の動作状態１，２を加えるようにしたので、スイッチング素子Ｓ３，Ｓ４の並列寄生容量に対する電荷の充放電が可能となると共に同期整流動作が可能となり、装置の効率低下およびノイズ発生を抑制することが可能となる。
【００８５】
また、動作状態の組み合わせは、これ以外の組み合わせであってもよい。例えば、動作状態１によってインダクタＬにエネルギーを蓄積し、それを動作状態５や動作状態６によって還流させておくことで、例えば入力側のバッテリ１１や出力側の負荷１２で即座にエネルギー供給が必要となったような場合に、迅速なエネルギー供給を行うことができる。また、例えばこの動作状態５や動作状態６におけるエネルギーの還流動作を用い、還流経路の半導体素子等における発熱作用を利用することで、例えばこのスイッチング電源装置に近接する物体や流体等に熱を供給することも可能となる。
【００８６】
また、上記動作状態１，２，５，６において、ダイオードＤ３やダイオードＤ４に電流が流れているときにスイッチング素子Ｓ３やスイッチング素子Ｓ４もオン状態となるようにした場合（同期整流動作）、スイッチング回路２における電力損失を抑制することができ、装置の効率を向上させることが可能となる。
【００８７】
また、例えば図１６（Ａ）に示したように、インダクタＬが、部分的な欠損領域を有する一対の磁芯５１Ａ，５１Ｂと、これらをそれぞれ巻回する一対の巻線５２Ａ，５２Ｂとを含んで構成された場合において、その欠損領域に、例えば図１６（Ｂ）に示したように、磁芯５２Ａ，５２Ｂにより発生する直流磁気バイアス成分を打ち消すような磁界を発する永久磁石５３を設けるようにした場合には、さらに以下のような作用効果を生ずる。すなわち、上記のようにインダクタＬに流れる電流方向は一定であるため、磁芯５１Ａ，５１Ｂに発生する直流磁気バイアス成分を打ち消すようにすることにより、インダクタ電流ＩＬの直流重畳性を向上させることができる。よって、従来と同一のインダクタンス値であっても従来よりも大きな電流を流すことができ、これによりインダクタＬのコアサイズの小型化を図ることが可能となる。
【００８８】
また、例えば負荷１２の大きさが、定格負荷状態から無負荷状態まで変動するような場合であっても、例えば動作状態５や動作状態６を用いてインダクタＬに蓄積されたエネルギーを還流させたり、あるいは動作状態４を用いて入力側にエネルギーを放出させてやることにより、従来のようなインダクタに蓄積されたエネルギーによる出力変動を回避させることが可能となる。
【００８９】
また、例えば入力電圧Ｖinが異常な高電圧であり、インダクタＬに過大な電流が流れてしまったような場合であっても、例えば動作状態５や動作状態６を用いてインダクタＬを入力側から切り離すと共に、ダイオードＤ３，Ｄ４を用いて出力平滑コンデンサＣoutがクランプ機能を果たすようにすることにより、過大なインダクタ電流ＩＬを用いたスイッチング動作によるスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２の破壊も回避することができる。
【００９０】
また、例えば入力電圧Ｖinを昇圧させる必要がなく、出力電圧Ｖoutを入力電圧Ｖinと同電位で動作させるような場合には、全てのスイッチング素子（スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４）を制御することなく、ダイオードＤ３，Ｄ４を介して入力側から出力側へ直接エネルギーを伝達することができる。よって、従来のように、出力電圧Ｖoutを入力電圧Ｖinと同電位で動作させる場合でもインダクタに電流を流しておく、といった必要がなくなる。なお、もちろんこの期間中に、動作状態５，６によりインダクタ電流を環流させておくようにしてもよい。
【００９１】
なお、本実施の形態では、高圧ラインＬＨ上のダイオードＤ３，Ｄ４に対して並列に、それぞれスイッチング素子Ｓ３，Ｓ４を設けるようにした場合（スイッチング回路２）について説明したが、例えば装置の用途により、上記動作状態１，２，５，６を用いて順方向動作と還流動作だけを行うのであれば、例えば図１７に示したスイッチング回路２１のように、高圧ラインＬＨ上にスイッチング素子Ｓ３，Ｓ４を設けず、ダイオードＤ３，Ｄ４だけで構成するようにしてもよい。
【００９２】
[第２の実施の形態]
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。
【００９３】
上記第１の実施の形態では、高圧ラインＬＨ上に位置するスイッチが、スイッチング素子Ｓ３，Ｓ４およびダイオードＤ３，Ｄ４を用いた片方向スイッチにより構成されているスイッチング電源装置について説明したが、本実施の形態では、この高圧ラインＬＨ上に位置するスイッチが双方向スイッチにより構成されたスイッチング電源装置について説明する。
【００９４】
図１８は、本実施の形態に係るスイッチング電源装置の構成を表すものである。この図において、図１に示した構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付し、適宜説明を省略する。このスイッチング電源装置では、高圧ラインＬＨ上に位置するスイッチとして、ＩＧＢＴよりなるスイッチング素子Ｓ３Ａ，Ｓ３Ｂ，Ｓ４Ａ，Ｓ４Ｂと、ダイオードＤ３Ａ，Ｄ３Ｂ，Ｄ４Ａ，Ｄ４Ｂとが設けられ、スイッチング回路２２を構成するようになっている。なお、その他の部分の構成は、図１の場合と同様である。
【００９５】
スイッチング素子Ｓ３ＡおよびダイオードＤ３Ａは、それぞれ第１の実施の形態におけるスイッチング素子Ｓ３およびダイオードＤ３に対応したものである。また、同様にスイッチング素子Ｓ４ＡおよびダイオードＤ４Ａは、それぞれ第１の実施の形態におけるスイッチング素子Ｓ４およびダイオードＤ４に対応したものである。
【００９６】
一方、スイッチング素子Ｓ３ＢおよびダイオードＤ３Ｂは、スイッチング素子Ｓ３ＡおよびダイオードＤ３Ａに対して直列かつ逆方向に接続されたものである。具体的には、スイッチング素子Ｓ３ＢのエミッタおよびダイオードＤ３Ｂのアノードは、スイッチング素子Ｓ３ＡのエミッタおよびダイオードＤ３Ａのアノードに接続され、スイッチング素子Ｓ３ＢのコレクタおよびダイオードＤ３Ｂのカソードは、いずれも接続点Ｐ１に接続されている。なお、スイッチング素子Ｓ３Ｂのベースは制御部４に接続され、スイッチング信号ＳＧ３Ｂによってスイッチング制御がなされるようになっている。
【００９７】
同様に、スイッチング素子Ｓ４ＢおよびダイオードＤ４Ｂは、スイッチング素子Ｓ４ＡおよびダイオードＤ４Ａに対して直列かつ逆方向に接続されたものである。具体的には、スイッチング素子Ｓ４ＢのエミッタおよびダイオードＤ４Ｂのアノードは、スイッチング素子Ｓ４ＡのエミッタおよびダイオードＤ４Ａのアノードに接続され、スイッチング素子Ｓ４ＢのコレクタおよびダイオードＤ４Ｂのカソードは、いずれも接続点Ｐ６に接続されている。なお、スイッチング素子Ｓ４Ｂのベースも制御部４に接続され、スイッチング信号ＳＧ４Ｂによってスイッチング制御がなされるようになっている。
【００９８】
なお、上記のように本実施の形態では、スイッチング素子Ｓ３Ａ，Ｓ３Ｂ，Ｓ４Ａ，Ｓ４ＢがそれぞれＩＧＢＴにより構成されているが、第１の実施の形態と同様に、例えばＭＯＳ−ＦＥＴなどにより構成してもよい。このように構成した場合、例えばダイオードＤ３Ａ，Ｄ３Ｂ，Ｄ４Ａ，Ｄ４Ｂをこの電界効果型トランジスタの寄生ダイオードによって構成することができ、部品点数が削減されて装置構成が簡素化する。
【００９９】
制御部４は、スイッチング回路２２内の上記スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３Ａ，Ｓ３Ｂ，Ｓ４Ａ，Ｓ４Ｂの動作を制御するものである。具体的には、これらを適切に制御することにより、前述の図２に示したような動作状態１〜６を構成するようになっている。また、本実施の形態の制御部４は、上記動作状態１〜６に加え、図１９に示したような動作状態７をも構成するようになっている。
【０１００】
具体的には、この動作状態７では、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２がオン状態となる一方、スイッチング素子Ｓ３Ａ，Ｓ３Ｂ，Ｓ４Ａ，Ｓ４Ｂはオフ状態となっている。このような構成により動作状態７では、図１９に示した電流経路Ｉ７１（インダクタＬ、ダイオードＤ２およびスイッチング素子Ｓ１を介した電流経路）および電流経路Ｉ７２（インダクタＬ、スイッチング素子Ｓ２およびダイオードＤ１を介した電流経路）をそれぞれ介して、インダクタＬに蓄積されたエネルギーを還流させるようになっている。
【０１０１】
ここで、スイッチング素子Ｓ３Ａ，Ｓ３ＢおよびダイオードＤ３Ａ，Ｄ３Ｂからなる双方向スイッチと、スイッチング素子Ｓ４Ａ，Ｓ４ＢおよびダイオードＤ４Ａ，Ｄ４Ｂからなる双方向スイッチとが、それぞれ、本発明の第１のスイッチング電源装置における「双方向スイッチ」の一具体例に対応する。また、スイッチング素子Ｓ３Ａ，Ｓ３Ｂおよびスイッチング素子Ｓ４Ａ，Ｓ４Ｂが、それぞれ、本発明の第１のスイッチング電源装置における「一対のトランジスタ」の一具体例に対応し、ダイオードＤ３Ａ，Ｄ３ＢおよびダイオードＤ４Ａ，Ｄ４Ｂが、それぞれ、本発明の第１のスイッチング電源装置における「一対の整流素子」の一具体例に対応する。
【０１０２】
このような構成により本実施の形態のスイッチング電源装置では、高圧ラインＬＨ上のスイッチを双方向スイッチにより構成したことで、これらのスイッチをオフ状態とした場合、入力側および出力側と、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２、ダイオードＤ１，Ｄ２およびインダクタＬとの接続が、完全に遮断される。
【０１０３】
また、制御部４によって双方向スイッチを適切に制御することにより、高圧ラインＬＨ上のダイオードの向きが反転する。
【０１０４】
以上のように、本実施の形態では、高圧ラインＬＨ上のスイッチを双方向スイッチにより構成すると共に、制御部４による適切な制御によって、高圧ラインＬＨ上のダイオードの向きを反転させることができるようにしたので、順方向動作および逆方向動作のいずれにおいても、昇圧動作および降圧動作を行うことが可能となる。
【０１０５】
また、この双方向スイッチによって、入力側および出力側と、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２、ダイオードＤ１，Ｄ２およびインダクタＬとの接続を完全に遮断することができるので、例えば装置起動の際の突入電流を防止することができ、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３Ａ，Ｓ３Ｂ，Ｓ４Ａ，Ｓ４Ｂの制御のみで、出力平滑コンデンサＣoutの初充電を行うことが可能となる。
【０１０６】
なお、本実施の形態のスイッチング電源装置では、上記のように、双方向スイッチによって入力側および出力側との接続を完全に切断することができるので、例えばこの双方向スイッチを含めて全スイッチング素子がオフ状態にある場合には、インダクタ電流ＩＬの放出経路がなくなってしまうことになる。よって、例えば動作状態を遷移する際には、動作状態５〜７を介在させ、インダクタ電流ＩＬを還流させるようにするのが好ましい。また、あるいは用途に応じて、双方向スイッチの一方を常時オン状態とするようにしてもよい。
【０１０７】
[第３の実施の形態]
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。
【０１０８】
上記第２の実施の形態では、高圧ラインＬＨ上のスイッチを双方向スイッチにより構成した場合について説明したが、本実施の形態では、さらに、一方の双方向スイッチに対して並列に放電回路を設けると共に、ダイオードＤ２に対して並列にスイッチング素子を設けるようにしたスイッチング電源装置について説明する。
【０１０９】
図２０は、本実施の形態に係るスイッチング電源装置の構成を表すものである。この図において、図１８に示した構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付し、適宜説明を省略する。このスイッチング電源装置は、上記のように、第２の実施の形態のスイッチング電源装置において、一方の双方向スイッチ（スイッチング素子Ｓ４Ａ，Ｓ４ＢおよびダイオードＤ４Ａ，Ｄ４Ｂ）に対して並列に放電回路６を設けると共に、ダイオードＤ２に対して並列にスイッチング素子Ｓ５を設けるようにしたものである。なお、その他の部分の構成は、図１８の場合と同様である。
【０１１０】
放電回路６は、放電抵抗Ｒ６と、この放電抵抗Ｒ６に直列接続されたスイッチング素子Ｓ６とから構成され、出力平滑コンデンサＣoutに充電された電荷を強制的に放電するためのものである。
【０１１１】
また、スイッチング素子Ｓ５は、上記放電回路６によって出力平滑コンデンサＣoutの充電電荷を強制的に放電する際に、その放電経路を構成するためのものである。なお、このスイッチング素子Ｓ５もＩＧＢＴにより構成されているが、第１および第２の実施の形態と同様に、例えばＭＯＳ−ＦＥＴなどにより構成してもよい。このように構成した場合、例えばダイオードＤ２をこの電界効果型トランジスタの寄生ダイオードによって構成することができ、部品点数が削減されて装置構成が簡素化する。
【０１１２】
また、制御部４は、スイッチング回路２２内のスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３Ａ，Ｓ３Ｂ，Ｓ４Ａ，Ｓ４Ｂ，Ｓ５に加え、放電回路６内のスイッチング素子Ｓ６の動作を制御するものである。
【０１１３】
このような構成により本実施の形態のスイッチング電源装置では、例えばスイッチング素子Ｓ２，Ｓ５，Ｓ６をオン状態に設定すると共に、スイッチング素子Ｓ４Ａ，Ｓ４Ｂをオフ状態に設定することで、例えばスイッチング電源装置の異常動作によって出力平滑コンデンサＣoutに過大な電荷が充電されてしまったような場合であっても、放電回路６を含んで構成される、スイッチング素子Ｓ２，Ｓ５、放電抵抗Ｒ６、スイッチング素子Ｓ６からなる放電経路によって、出力平滑コンデンサＣoutの電荷が強制的に放電される。
【０１１４】
以上のように、本実施の形態では、放電回路６およびスイッチング素子Ｓ５をさらに設け、スイッチング素子Ｓ２，Ｓ５、放電抵抗Ｒ６、スイッチング素子Ｓ６からなる放電経路によって、出力平滑コンデンサＣoutの電荷を強制的に放電できるようにしたので、出力平滑コンデンサＣoutに過大な電荷が充電されてしまったような場合であっても、出力電圧Ｖoutの上昇を抑制することが可能となる。
【０１１５】
また、上記のような異常動作時以外にも、単にスイッチング回路２２の動作停止時に、出力平滑コンデンサＣoutの電荷の強制放電として利用することも可能である。
【０１１６】
さらに、この放電回路６を、例えば装置起動の際の突入電流防止回路として利用することも可能である。具体的には、装置起動時に、この放電回路６内のスイッチング素子Ｓ６および双方向スイッチの一方（スイッチング素子Ｓ３Ａ，Ｓ３Ｂ）をオン状態に設定することにより、放電回路６内の放電抵抗Ｒ６だけを用いて、出力平滑コンデンサＣoutの初充電を行うことができる。よって、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３Ａ，Ｓ３Ｂ，Ｓ４Ａ，Ｓ４Ｂによる制御が必要であった第２の実施の形態と比べ、より簡単な制御構成することが可能となる。
【０１１７】
以上、第１〜第３の実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明はこれらの実施の形態に限定されず、種々の変形が可能である。
【０１１８】
例えば、上記実施の形態では、入力側から出力側への順方向動作時には入力電圧Ｖinの昇圧動作を行う一方、出力側から入力側への逆方向動作時には出力電圧Ｖoutの降圧動作を行うことが可能なスイッチング電源装置（第１の実施の形態）、および双方向スイッチの制御により順方向動作および逆方向動作において昇圧動作および降圧動作を行うことが可能なスイッチング電源装置（第２および第３の実施の形態）について説明したが、例えば図２１に示したスイッチング回路２３のように、ダイオードＤ７のカソードを接続点Ｐ１を介して入力端子Ｔ１に接続すると共にアノードを接続点Ｐ３，Ｐ６を介してダイオードＤ８のカソードに接続し、このダイオードＤ８のアノードを接続点Ｐ９を介して出力端子Ｔ３に接続するようにし、これらにそれぞれ並列接続されたスイッチング素子Ｓ７，Ｓ８のエミッタおよびコレクタを、図１のスイッチング素子Ｓ３，Ｓ４とは逆に構成するようにしてもよい。このように構成した場合、第１の実施の形態とは逆に、入力側から出力側への順方向動作時には入力電圧Ｖinの降圧動作を行う一方、出力側から入力側への逆方向動作時には出力電圧Ｖoutの昇圧動作を行うことが可能となる。
【０１１９】
また、例えば図２２に示したスイッチング回路２４のように、図１に示したスイッチング回路２におけるスイッチング素子Ｓ１とダイオードＤ２との配置関係、およびスイッチング素子Ｓ２とダイオードＤ１との配置関係を、左右逆となるように構成してもよい。このように構成した場合、インダクタＬにおいて一定方向に流れる電流ＩＬの向きが図１の場合とは逆になる他は同様の作用により、上記実施の形態と同様の効果を得ることが可能である。
【０１２０】
また、例えば図２３に示したスイッチング回路２５のように、図１に示したスイッチング回路２における高圧ラインＬＨ上のスイッチング素子Ｓ３，Ｓ４およびダイオードＤ３，Ｄ４の向きを、入力側と出力側とで逆にしたうえで、低圧ラインＬＬ上に挿入配置するようにしてもよい（図中のスイッチング素子Ｓ７，Ｓ８およびダイオードＤ７，Ｄ８）。さらに、例えば例えば図２４，図２５にそれぞれ示したスイッチング回路２６，２７のように、スイッチング素子Ｓ３とダイオードＤ３とからなる素子対、またはスイッチング素子Ｓ４とダイオードＤ４とからなる素子対の一方を高圧ラインＬＨ上に挿入配置すると共に、他方の向きを入力側と出力側とで逆にしたうえで低圧ラインＬＬ上に挿入配置し、これらがたすき掛けの配置となるようにしてもよい（図２４中のスイッチング素子Ｓ３，Ｓ８およびダイオードＤ３，Ｄ８、ならびに図２５中のスイッチング素子Ｓ４，Ｓ７およびダイオードＤ４，Ｄ７）。これらのように構成した場合も、上記実施の形態と同様の効果を得ることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１２１】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るスイッチング電源装置の構成を表す回路図である。
【図２】図１のスイッチング電源装置の動作状態を説明するための図である。
【図３】動作状態１の動作を説明するための回路図である。
【図４】動作状態２の動作を説明するための回路図である。
【図５】動作状態３の動作を説明するための回路図である。
【図６】動作状態４の動作を説明するための回路図である。
【図７】動作状態５の動作を説明するための回路図である。
【図８】動作状態６の動作を説明するための回路図である。
【図９】制御Ａの動作を説明するためのタイミング波形図である。
【図１０】制御Ｂの動作を説明するためのタイミング波形図である。
【図１１】制御Ｃの動作を説明するためのタイミング波形図である。
【図１２】制御Ｄの動作を説明するためのタイミング波形図である。
【図１３】制御Ｅの動作を説明するためのタイミング波形図である。
【図１４】比較例に係るスイッチング電源装置における順方向動作から逆方向動作への切換制御を説明するためのタイミング波形図である。
【図１５】図１のスイッチング電源装置における順方向動作から逆方向動作への切換制御を説明するためのタイミング波形図である。
【図１６】永久磁石を用いた磁気バイアスの打ち消し作用を説明するための図である。
【図１７】第１の実施の形態の変形例に係るスイッチング電源装置の構成を表す回路図である。
【図１８】第２の実施の形態に係るスイッチング電源装置の構成を表す回路図である。
【図１９】動作状態７の動作を説明するための回路図である。
【図２０】第３の実施の形態に係るスイッチング電源装置の構成を表す回路図である。
【図２１】本発明の変形例に係るスイッチング電源装置の構成を表す回路図である。
【図２２】本発明の変形例に係るスイッチング電源装置の構成を表す回路図である。
【図２３】本発明の変形例に係るスイッチング電源装置の構成を表す回路図である。
【図２４】本発明の変形例に係るスイッチング電源装置の構成を表す回路図である。
【図２５】本発明の変形例に係るスイッチング電源装置の構成を表す回路図である。
【図２６】従来のスイッチング電源装置の構成例を表す回路図である。
【図２７】図２３のスイッチング電源装置の動作を説明するためのタイミング波形図である。
【図２８】従来のスイッチング電源装置の他の構成例を表す回路図である。
【図２９】図２５のスイッチング電源装置の動作を説明するためのタイミング波形図である。
【符号の説明】
【０１２２】
１１…バッテリ、１２…負荷、２，２１〜２７…スイッチング回路、３１…入力電圧抑止回路、３２…出力電圧検出回路、３３…電流検出回路、４…制御部、５１Ａ，５１Ｂ…磁芯、５２Ａ，５２Ｂ…巻線、５３…永久磁石、６…放電回路、Ｓ１〜Ｓ８…スイッチング素子、Ｄ１〜Ｄ４，Ｄ７，Ｄ８…ダイオード、Ｒ６…放電抵抗、Ｌ…インダクタ、Ｃin…入力平滑コンデンサ、Ｃout…出力平滑コンデンサ、Ｔ１，Ｔ２…入力端子、Ｔ３，Ｔ４…出力端子、ＬＨ…高圧ライン、ＬＬ…低圧ライン、Ｐ１〜Ｐ１０…接続点、Ｖin…入力電圧、Ｖout…出力電圧、Ｉin…入力電流、Ｉout…出力電流、ＩＬ，ＩＳ１，ＩＤ２…電流、Ｉ１〜Ｉ６，Ｉ７１，Ｉ７２…電流経路、ＳＧ１〜ＳＧ８…スイッチング信号、ｔ０〜ｔ２，ｔ１０〜ｔ１３，ｔ２０〜ｔ２７，ｔ３０〜ｔ３２，ｔ４０〜ｔ４８，ｔ５０，ｔ５１，ｔ６０〜ｔ６４…タイミング、Ｔｓ…スイッチング周期、Ｔon，Ｔon１，Ｔon２…オン時間。
【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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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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