(57)【要約】【課題】負荷電流が小さい場合であっても、スイッチング周波数を上げることなく、リップルの小さい電流を供給するスイッチング電源を提供する。【解決手段】電力変換回路１０２の整流器１０７のプラス側出力に、コンデンサ１１１とローパスフィルタ１１２を構成する許容電流の大きい第１のチョークコイル１０９と許容電流の小さい第２のチョークコイル１１０とを並列に接続し、整流器１０７と第１のチョークコイル１０９との接続または遮断を行う第１のスイッチ１０８を設け、制御部１１５が負荷電流の電流値に応じて第１のスイッチ１０８を切り替える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力変換を行い、直流電力を出力する電力変換回路と、
前記電力変換回路の出力に接続された第１のコイルと、
前記第１のコイルと並列に接続された第２のコイルと、
前記電力変換回路と前記第１のコイルとの接続または遮断をそれぞれＯＮまたはＯＦＦによって切り替える第１の切替手段と、
前記第１のコイル及び前記第２のコイルと接続され、ローパスフィルタを構成するコンデンサと、
前記電力変換回路から出力される負荷電流を検出する電流検出手段と、
検出された前記負荷電流の電流値に応じて、前記第１の切替手段の切り替えを制御する制御手段と、
を具備するスイッチング電源装置。
【請求項２】
前記第２のコイルのインダクタンスは前記第１のコイルのインダクタンスよりも大きく、かつ、前記第２のコイルの抵抗値は前記第１のコイルの抵抗値よりも大きい請求項１に記載のスイッチング電源装置。
【請求項３】
前記制御手段は、検出された前記負荷電流が所定の第１の閾値以上である場合、前記第１の切替手段をＯＮにし、検出された前記負荷電流が前記第１の閾値未満である場合、前記第１の切替手段をＯＦＦにする請求項１に記載のスイッチング電源装置。
【請求項４】
前記電力変換回路と前記第２のコイルとを接続または遮断する第２の切替手段を具備し、
前記制御手段は、
検出された前記負荷電流が前記第１の閾値より大きい第２の閾値以上である場合、前記第１及び前記第２の切替手段をそれぞれＯＮにし、
検出された前記負荷電流が前記第２の閾値未満、かつ、前記第１の閾値以上である場合、前記第１の切替手段をＯＮにし、前記第２の切替手段をＯＦＦにし、
検出された前記負荷電流が前記第１の閾値未満である場合、前記第１の切替手段をＯＦＦにし、前記第２の切替手段をＯＮにする、
請求項１に記載のスイッチング電源装置。
【請求項５】
前記制御手段は、前記第１の切替手段及び前記第２の切替手段に対して、互いにＯＮとＯＦＦを入れ替える制御を行う際、前記第１の切替手段及び前記第２の切替手段ともＯＮとなる時間を設定する請求項４に記載のスイッチング電源装置。
【請求項６】
並列に接続された複数個のスイッチング回路を切り替えて用いるスイッチング電源装置であって、
前記複数個のスイッチング回路のうち、１つが請求項１に記載のスイッチング電源装置であり、
検出された前記負荷電流が所定の第１の閾値未満である場合、請求項１に記載のスイッチング電源装置を用いる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、低負荷電流時にリップル電流低減を図るスイッチング電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、直流の出力電圧が一定の値になるように安定化回路（レギュレータ）を備えた電源を安定化電源といい、安定化電源は大別してリニア電源とスイッチング電源とがある。リニア電源は、出力電圧及び電流の精度は高いものの、内部での電力損失が大きく、電源装置自体の規模も大型化する傾向がある。
【０００３】
一方、スイッチング電源は、複雑な回路構成が必要となるものの、内部での電力損失を低く抑え、電源装置自体の規模も小型化することができ、リニア電源に代わって広く普及している。
【０００４】
このスイッチング電源では、入力電圧とスイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦの時間の割合（デューティー比）とによって出力電圧が決定される。このＯＮ／ＯＦＦの周波数（スイッチング周波数）が高いほどＯＮ／ＯＦＦによる電圧及び電流の変動（リップル）が小さくなり、高速な応答が可能となるが、電磁波（ノイズ及び不要輻射）の影響を抑えるためには、十分な配慮のもと回路を設計しなければならない。
【０００５】
このようなスイッチング電源において、電力損失をさらに低減するため、スイッチング周波数を制御する技術が、例えば、特許文献１に開示されている。特許文献１に開示のスイッチング電源装置は、ＤＣ−ＤＣコンバータ全体の損失と変換回路を駆動するための制御信号の周波数との関係を示す曲線から２つ以上の変曲点を見つけ、見つけた２つ以上の変曲点のうち最も損失を小さくさせる変曲点に対応する周波数を制御信号の周波数とするものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−２０３７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述した特許文献１に開示のスイッチング電源装置は、負荷電流が小さい場合、負荷への電力供給が間欠波形にならないようにスイッチング周波数を上げることが考えられる。スイッチング周波数を上げると、ノイズが広帯域化することが知られており、このような場合、広帯域なノイズ対策としてフィルタ回路などを新たに追加しなければならず、これに伴う装置の大型化、コストの増大が生じるという問題がある。
【０００８】
本発明の目的は、負荷電流が小さい場合であっても、スイッチング周波数を上げることなく、リップルの小さい電流を供給するスイッチング電源装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明のスイッチング電源装置は、電力変換を行い、直流電力を出力する電力変換回路と、前記電力変換回路の出力に接続された第１のコイルと、前記第１のコイルと並列に接続された第２のコイルと、前記電力変換回路と前記第１のコイルとの接続または遮断をそれぞれＯＮまたはＯＦＦによって切り替える第１の切替手段と、前記第１のコイル及び前記第２のコイルと接続され、ローパスフィルタを構成するコンデンサと、前記電力変換回路から出力される負荷電流を検出する電流検出手段と、検出された前記負荷電流の電流値に応じて、前記第１の切替手段の切り替えを制御する制御手段と、を具備する構成を採る。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、負荷電流が小さいときに第１のコイルの接続を切り替えることにより、ローパスフィルタのカットオフ周波数を変更することができるので、負荷電流が小さい場合であっても、スイッチング周波数を上げることなく、リップルの小さい電流を供給することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施の形態１に係るスイッチング電源の構成を示す図
【図２】本発明の実施の形態２に係るスイッチング電源の構成を示す図
【図３】図２に示した制御部におけるスイッチ制御処理手順を示すフロー図
【図４】負荷電流の様子を示す図
【図５】複数のスイッチング電源装置を複数個配置した構成を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１３】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係るスイッチング電源１００の構成を示す図である。図１において、交流電源１０１は、交流電流を生成し、生成した交流電流を電力変換回路１０２の整流器１０３に入力する。
【００１４】
電力変換回路１０２は、整流器１０３、コンデンサ１０４、４つのスイッチング素子１０５−１〜１０５−４により構成されたフルブリッジ回路１０５、トランス１０６及び整流器１０７を備え、交流電力を直流電力に変換する。
【００１５】
整流器１０３は、交流電源１０１から入力された交流電流を整流して直流電流に変換し、直流電流をコンデンサ１０４に入力する。コンデンサ１０４は、整流器１０３から入力された直流電流を平滑化し、フルブリッジ回路１０５を構成するスイッチング素子１０５−１〜１０５−４に入力する。
【００１６】
スイッチング素子１０５−１〜１０５−４は、フルブリッジ回路１０５を構成し、制御部１１５の制御を受け、ＯＮ／ＯＦＦを繰り返すスイッチングを行うことにより、コンデンサ１０４から入力された直流電流を高周波の交流に変換し、トランス１０６に入力する。なお、スイッチング周波数を一定とすることにより、ノイズの周波数が変動することを防止し、ノイズ対策を容易に行うことができる。
【００１７】
トランス１０６は、スイッチング素子１０５−１〜１０５−４から入力された交流電力を昇圧または降圧して整流器１０７に入力する。
【００１８】
整流器１０７は、トランス１０６から入力された交流電流を整流して直流電流に変換し、直流電流を第１のスイッチ１０８及び第２のチョークコイル１１０に入力する。
【００１９】
第１のスイッチ１０８は、一端が整流器１０７のプラス側出力に、他端が第１のチョークコイル１０９にそれぞれ接続され、制御部１１５の制御を受けて、整流器１０７と第１のチョークコイル１０９とを接続または遮断する。
【００２０】
第１のチョークコイル１０９は、許容電流の大きい第１のインピーダンスが設定され、後段のコンデンサ１１１とローパスフィルタ１１２を構成し、第１のスイッチ１０８が接続（ＯＮ）した場合に整流器１０７から入力された直流電流をコンデンサ１１１と協働して平滑化する。
【００２１】
第２のチョークコイル１１０は、許容電流の小さい第２のインピーダンスが設定され、後段のコンデンサ１１１とローパスフィルタ１１２を構成し、整流器１０７から入力された直流電流をコンデンサ１１１と協働して平滑化する。
【００２２】
なお、第１のインピーダンスは、主に第１のチョークコイル１０９のインダクタンスＬ１及びコイル巻き線の抵抗Ｒ１によって決定され、同様に、第２のインピーダンスは、主に第２のチョークコイル１１０のインダクタンスＬ２及びコイルの巻き線の抵抗Ｒ２によって決定される。ここでは、Ｌ１＜Ｌ２、Ｒ１＜Ｒ２とする。これにより、第２のチョークコイル１１０の巻き線を細くすると共に、コアサイズを小さくすることができ、コイルの規模を小型化することができる。
【００２３】
コンデンサ１１１は、第１のチョークコイル１０９及び第２のチョークコイル１１０とローパスフィルタ１１２を構成し、直流電流を平滑化する。
【００２４】
電流検出部１１３は、ローパスフィルタ１１２から出力された電流、すなわち、負荷電流を検出し、検出した電流値を制御部１１５に通知する。この負荷電流は、電力変換回路１０２から出力される電流と略等しい。
【００２５】
２次電池１１４は、ローパスフィルタ１１２から出力された電流が供給され、充電を行う。
【００２６】
制御部１１５は、スイッチング素子１０５−１〜１０５−４のＯＮ／ＯＦＦを制御すると共に、電流検出部１１３から入力された電流値に基づいて、第１のスイッチ１０８のＯＮ／ＯＦＦを制御する。具体的には、電流値が所定の第１の閾値Ｉａ以上になった場合、第１のスイッチ１０８をＯＮにして、電力変換回路１０２の整流器１０７と第１のチョークコイル１０９とを接続する。一方、電流値が第１の閾値Ｉａ未満になった場合、第１のスイッチ１０８をＯＦＦにして、電力変換回路１０２の整流器１０７と第１のチョークコイル１０９とを遮断する。
【００２７】
第１のスイッチ１０８のＯＮ／ＯＦＦ制御は、負荷電流の変動に対して十分早く制御する。例えば、第２チョークコイル１１０の許容電流を超えないように制御する。
【００２８】
このように、負荷電流が第１の閾値Ｉａ未満となった場合、電力変換回路１０２と第１のチョークコイル１０９とを遮断することにより、ローパスフィルタ１１２は、許容電流の小さい第２のインピーダンスが設定された第２のチョークコイル１１０とコンデンサ１１１とから構成されることとなり、２次電池１１４の充電末期等の電流制限時に、スイッチング周波数を上げることなく、２次電池１１４へリップルの小さい直流電流を供給することができる。
【００２９】
このように、実施の形態１によれば、変換回路のプラス側出力に許容電流の大きい第１のチョークコイルと許容電流の小さい第２のチョークコイルとを並列に接続し、変換回路と第１のチョークコイルとの接続または遮断を負荷電流の電流値に応じて切り替える。具体的には、第１のチョークコイルと第２のチョークコイルが接続されている状態から、負荷電流が小さいときには、第２のチョークコイルのみが接続される状態となる。コイルが２個から１個となることで、インダクタンスが大きくなり、その結果、ローパスフィルタのカットオフ周波数が小さくなる。ローパスフィルタのカットオフ周波数が小さくなることでリップルをより抑制することができる。以上により、スイッチング周波数を制御することなく、２次電池の充電状態に応じてリップルを抑制した電流を供給することができる。
【００３０】
（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態２に係るスイッチング電源２００の構成を示す図である。ただし、図２において、図１と共通する部分には、図１と同一の符号を付し、重複する説明は省略する。図２が図１と異なる点は、第２のスイッチ２０１を追加し、制御部１１５を制御部２０２に変更した点である。
【００３１】
第２のスイッチ２０１は、一端が整流器１０７のプラス側出力に、他端が第２のチョークコイル１１０にそれぞれ接続され、制御部２０２の制御を受けて、整流器１０７と第２のチョークコイル１１０とを接続または遮断する。
【００３２】
制御部２０２は、電流検出部１１３から入力された電流値に基づいて、第１のスイッチ１０８及び第２のスイッチ２０１のＯＮ／ＯＦＦを制御する。具体的には、電流値が所定の第２の閾値Ｉｂ（＞Ｉａ）以上になった場合、制御部２０２は、第１のスイッチ１０８及び第２のスイッチ２０１をそれぞれＯＮにし、電力変換回路１０２の整流器１０７と第１のチョークコイル１０９及び第２のチョークコイル１１０とを接続する。
【００３３】
また、電流値が第２の閾値Ｉｂ未満、かつ、第１の閾値Ｉａ以上になった場合、制御部２０２は、第１のスイッチ１０８をＯＮにし、かつ、第２のスイッチ２０１をＯＦＦにする。すなわち、電力変換回路１０２の整流器１０７と第１のチョークコイル１０９とを接続し、電力変換回路１０２の整流器１０７と第２のチョークコイル１１０とを遮断する。
【００３４】
さらに、電流値が所定の第１の閾値Ｉａ未満になった場合、制御部２０２は、第１のスイッチ１０８をＯＦＦにし、第２のスイッチ２０１をＯＮにする。すなわち、電力変換回路１０２の整流器と１０７第１のチョークコイル１０９とを遮断し、電力変換回路１０２の整流器１０７と第２のチョークコイル１１０とを接続する。これにより、第１のチョークコイル１０９と第２のチョークコイル１１０とが並列動作することによるインダクタンスの低下を防ぐことができ、リップル電流を低減することができる。
【００３５】
このとき、制御部２０２は、第１のスイッチ１０８及び第２のスイッチ２０１において、互いにＯＮ／ＯＦＦを入れ替える制御を行う際、双方ともＯＮとなる時間を設定する。この時間は、例えば、スイッチング周波数の逆数の１倍から数倍の時間とする。これにより、負荷電流が瞬断することを回避すると共に、２つのスイッチが同時にＯＦＦとなり、電力変換回路１０２が無負荷になることによる過電圧を回避することができる。
【００３６】
このように、２つのスイッチにおけるＯＮ／ＯＦＦの切替制御を行うことにより、インダクタンス値を３段階で切り替えることができ、負荷電流に対するインダクタンスの低下を抑制し、リップル電流を低減することができる。
【００３７】
次に、図２に示した制御部２０２におけるスイッチ制御処理手順について図３を用いて説明する。図３において、ステップＳ３０１では、制御部２０２が負荷電流Ｉｆを電流検出部１１３から取得し、ステップＳ３０２では、負荷電流Ｉｆが第２の閾値Ｉｂ以上であるか否かを判定する。負荷電流ＩｆがＩｂ以上（ＹＥＳ）である場合には、ステップＳ３０３に移行し、負荷電流ＩｆがＩｂ未満である場合には、ステップＳ３０４に移行する。
【００３８】
ステップＳ３０３では、制御部２０２が第１のスイッチ１０８及び第２のスイッチ２０１をＯＮにし、スイッチ制御処理手順を終了する。このときの負荷電流の様子を図４（ａ）及び図４（ｂ）に示す。図４（ａ）及び図４（ｂ）において、縦軸は負荷電流を、横軸は時間をそれぞれ示す。また、図４（ａ）において、点線は、第１のチョークコイル１０９に流れる電流を示し、実線は、第２のチョークコイル１１０に流れる電流をそれぞれ示す。図４（ａ）に示した２つの波形を足し合わせた波形が図４（ｂ）に示すものであり、この波形が２次電池１１４に流れる負荷電流となる。
【００３９】
ステップＳ３０４では、負荷電流Ｉｆが第１の閾値Ｉａ以上であるか否かを判定し、負荷電流ＩｆがＩａ以上（ＹＥＳ）である場合には、ステップＳ３０５に移行し、負荷電流ＩｆがＩａ未満である場合には、ステップＳ３０６に移行する。
【００４０】
ステップＳ３０５では、第１のスイッチ１０８をＯＮにし、第２のスイッチ２０１をＯＦＦにして、スイッチ制御処理手順を終了する。このとき、第１のチョークコイル１０９に流れる電流を図４（ｃ）に示す。図４（ｃ）において、縦軸は負荷電流を、横軸は時間をそれぞれ示す。
【００４１】
ステップＳ３０６では、第１のスイッチ１０８をＯＦＦにし、第２のスイッチ２０１をＯＮにして、スイッチ制御処理手順を終了する。このとき、第２のチョークコイル１１０に流れる電流を図４（ｄ）に示す。図４（ｄ）において、縦軸は負荷電流を、横軸は時間をそれぞれ示す。また、図４（ｄ）において、実線は、第２のチョークコイル１１０に流れる電流を示し、点線は、第１のチョークコイルのみの場合に流れる電流を比較のために示している。この図より、第１のチョークコイルのみの場合には、電流が間欠波形となるのに対して、第１のスイッチ１０８をＯＦＦにしたときに第２のチョークコイル１１０に流れる電流は連続波形であることが分かる。なお、このような連続波形を得るためには、第１の閾値Ｉａを、第２のチョークコイル１１０が間欠動作とならず、かつ、許容できる最大電流以下に決定する必要がある。
【００４２】
図３に示したステップＳ３０１〜ステップＳ３０６の処理、すなわち、スタートからエンドまでの処理は、継続して繰り返すものとする。また、図３に示した処理において、第１のスイッチ１０８及び第２のスイッチ２０１のＯＮ／ＯＦＦ制御は、負荷電流の変動に対して十分早く制御する。例えば、第２チョークコイル１１０の許容電流を超えないように制御する。
【００４３】
このように、実施の形態２によれば、変換回路のプラス側出力に許容電流の大きい第１のチョークコイルと許容電流の小さい第２のチョークコイルとを並列に接続し、変換回路と第１のチョークコイルとの接続または遮断、及び、変換回路と第２のチョークコイルとの接続または遮断を負荷電流の電流値に応じて切り替えることにより、インダクタンス値を切り替えることができ、低負荷電流時に大きなインダクタンスとすることで、リップル電流を低減することができる。この結果、スイッチング周波数を制御することなく、２次電池の充電状態に応じてリップルを低減した電流を供給することができる。
【００４４】
なお、図５に示すように、複数のスイッチング回路を複数個並列に配置して、これらを並列動作させ、各スイッチング回路からの出力を合成することにより、１つのスイッチング電源装置として動作させてもよい。この場合、並列動作させるスイッチング回路の数を負荷電流に応じて増減させるが、負荷電流が小さい領域で使用する少なくとも１つの回路は、図１に示したように、第１のチョークコイルに加えて、第１のスイッチ及び第２のチョークコイルを備えるものとする。これにより、負荷電流を低減した際に、リップル電流も低減することができる。
【００４５】
ここで、並列動作を行う場合、並列数ｎに応じて個々の回路ごとにスイッチング位相をずらして動作させることがある（例えば、３６０°／ｎずつずらす）。この場合、位相をずらすことによってリップルの低減効果が得られるが、出力の低減に応じて並列数ｎを減らすとリップル電流が増加する傾向がある。そのため、最も負荷電流が小さい場合に図１に示す電源を少なくとも１つ用いることにより、負荷電流が小さい場合でもリップル電流を低減することができる。
【００４６】
なお、上記各実施の形態では、第１のチョークコイルと第２のチョークコイルとを並列に接続する場合について説明したが、本発明はこれに限らず、ｎ個（ｎは３以上）のチョークコイルを並列に接続し、負荷電流に応じて接続数を制御するようにしてもよい。これにより、チョークコイルがスイッチによって接続された流れる最大の負荷電流に応じて、例えば、Ｌ１＜Ｌ２＜…＜Ｌｎ、Ｒ１＜Ｒ２＜…＜Ｒｎと選定することにより、各チョークコイルのコアサイズ及び巻き線の太さを適切に設定することができ、また、リップル電流を低減する範囲を広くすることができる。
【００４７】
また、上記各実施の形態では、第１の閾値Ｉａ及び第２の閾値Ｉｂを固定値であるものとして説明したが、これらの閾値にはヒステリシス特性を持たせてもよい。
【００４８】
また、上記各実施の形態では、第１のチョークコイルと第２のチョークコイル及び第１のスイッチ、第２のスイッチは変換回路のプラス側に設けたが、マイナス側に設けても同様の効果を得ることができる。
【００４９】
また、上記各実施の形態では、スイッチング電源の入力は交流電源としていたが、交流電源１０１及び整流器１０３を削除して、直流電源を入力するものとしてもよい。
【００５０】
また、上記各実施の形態では、出力電流の検出は出力側で行っていたが、入力側で入力電圧、入力電流、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）のデューティーなどから出力電流を演算してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明にかかるスイッチング電源装置は、負荷電流が小さい場合であっても、スイッチング周波数を上げることなく、リップルを低減した電流を供給するのに好適である。
【符号の説明】
【００５２】
１０１  交流電源
１０２  電力変換回路
１０３、１０７  整流器
１０４、１１１  コンデンサ
１０５  フルブリッジ回路
１０５−１〜１０５−４  スイッチング素子
１０６  トランス
１０８  第１のスイッチ
１０９  第１のチョークコイル
１１０  第２のチョークコイル
１１２  ローパスフィルタ
１１３  電流検出部
１１４  ２次電池
１１５、２０２  制御部
２０１  第２のスイッチ
【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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