JP2014033501A

JP2014033501A - スイッチング電源

Info

Publication number: JP2014033501A
Application number: JP2012171185A
Authority: JP
Inventors: Masao Tezuka; 正男手塚
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2012-08-01
Filing date: 2012-08-01
Publication date: 2014-02-20

Abstract

【課題】
安定的なＺＶＳを得ることを実現し、電力変換効率の高いスイッチング電源を提供する。
【解決手段】
一対の入力端子２１と一対の出力端子２２と、一対の入力端子２１，２２に接続される４つのスイッチ素子２３，２４，２７，２８を含むスイッチブリッジ部６と、スイッチブリッジ部６に接続される１つのコイルを有する直列コイル部７と、直列コイル部７と一対の前記出力端子３６，３７に接続される一対のコイルを有する共振回路部８と、スイッチブリッジ部６と直列コイル部７に接続される制御部１０を備える。制御部１０は直列コイル部内に流れる電流を検出し、検出電流値の絶対値が減少傾向を示す状態において第１及び第４のスイッチ素子２３，２８、もしくは、第２及び第３のスイッチ素子２４，２７のいずれか一方をオン状態に制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、スイッチング電源に関する。

スイッチング電源の電力変換効率を低下させる要因の一つとして、スイッチデバイスをオフ状態からオン状態に変化させる際に発生するスイッチング損失がある。このスイッチング損失を軽減する手法として、スイッチング素子間の電位がゼロの時にスイッチをターンオンする方法が知られている（以後ＺＶＳと呼ぶ）。

ＺＶＳを実現する方法として、スイッチング素子に接続されたコンデンサやダイオードと部分共振用インダクタによって部分共振回路が構成され、所定の周波数でスイッチングする方法が知られている。（特許文献１）

特開２００７−０６０８９０号公報

ところで、特許文献１に記載された部分共振回路を用いる方法は、あらかじめ定められた周波数（共振周波数）でスイッチ素子のターンオンとターンオフを繰り返す電源に於いて、あらかじめ定められた回路定数で動作する部分共振現象を利用してターンオンのタイミングでスイッチ素子間の電位をゼロにする方法である。

しかしながら、特許文献１に記載された方法では、スイッチ素子の駆動周波数が大きく変わるスイッチング電源において、安定的なＺＶＳを実現する事が困難であった。

そこで、本発明の目的は、スイッチ素子の駆動周波数が大きく変わるスイッチング電源において、所定の部位の電流値を検出し、デッドタイムを解消するタイミングを決定することによって、安定的なＺＶＳを得ることを実現し、電力変換効率の高いスイッチング電源を提供することにある。

本発明は、一対の入力端子と一対の出力端子と、一対の入力端子に接続される４つのスイッチ素子を含むスイッチブリッジ部と、スイッチブリッジ部に接続される１つのコイルを有する直列コイル部と、直列コイル部と一対の出力端子に接続される一対のコイルを有する共振回路部と、スイッチブリッジ部と直列コイル部に接続される制御部と、を備え、スイッチブリッジ部は一方の入力端子に接続される第１及び第３のスイッチ素子と、他方の入力端子に接続される第２及び第４のスイッチ素子とを含み、第１のスイッチ素子と第２のスイッチ素子とが直列に接続され、第３のスイッチ素子と第４のスイッチ素子とが直列に接続されており、直列コイル部の１つのコイルは第１のスイッチ素子と第２のスイッチ素子が接続されている第１の中点と、第３のスイッチ素子と第４のスイッチ素子が接続されている第２の中点の少なくとも一方に接続されており、制御部は直列コイル部内に流れる電流を検出し、検出電流値の絶対値が減少傾向を示す状態において第１及び第４のスイッチ素子、もしくは、第２及び第３のスイッチ素子のいずれか一方をオン状態に制御することを特徴とする。

本発明に係るスイッチング電源では、スイッチ素子間の電位がゼロであるタイミングに於いて、スイッチ素子をターンオンすることが可能となる。従って、スイッチ素子の駆動周波数が大きく変わるスイッチング電源において、直列コイル部内の所定の部位の電流値を検出し、デッドタイムを解消するタイミングを決定することによって、安定的なＺＶＳを得ることが実現できる。その結果、スイッチング損失が軽減され、電力変換効率の高いスイッチング電源を提供することが可能となる。

本発明によれば、安定的なＺＶＳを得ることを実現し、電力変換効率の高いスイッチング電源を提供することが可能となる。

本実施形態に係るスイッチング電源装置システムの機能ブロック図である。本実施形態に係るスイッチング電源の内部構成を示す回路図である。本実施形態の変形例におけるスイッチング電源の内部構成を示す回路図である。本実施形態に係るスイッチング電源の動作を説明するためのタイミング波形図である。図４のＣ点４７とＤ点４８付近の区間を拡大した拡大図である。図５のＨ点６１直前における電流の流れを示す図である。図５のＨ点６１とＪ点６２の間の区間における電流の流れを示す図である。図５のＪ点６２とＣ点４７の間の区間における電流の流れを示す図である。図５のＣ点４７とＫ点６３の間の区間における電流の流れを示す図である。図５のＫ点６３とＬ点６４の間の区間における電流の流れを示す図である。図５のＬ点６４とＤ点４８の間の区間における電流の流れを示す図である。図５のＤ点４８直後における電流の流れを示す図である。デッドタイム期間を説明するためのタイミング波形図である。本実施形態に係るスイッチング電源のワイヤレス電力伝送システムへの応用例における内部構成を示す回路図である。スイッチング損失の軽減を説明するためのスイッチング動作を示す図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。

図１は、本実施形態のスイッチング電源装置システムの機能ブロック図を示している。スイッチング電源１は、直流入力部５、スイッチブリッジ部６、直列コイル部７、共振回路部８、交流出力部９がこの順に各々２本の電力線４で接続されている。制御部１０が制御線１１及び制御線１２でスイッチブリッジ部６に接続されて構成されている。また、直流入力部５は電力線４で直流電源装置２と接続され、交流出力部９は電力線４で負荷装置３と接続されている。負荷装置３は、交流電力を直接消費するものに限らず、整流装置を介して（ここでは図示せず）直流電力を消費するものであっても構わない。

図２は、本実施形態におけるスイッチング電源１の内部構成を示す回路図を示している。直流入力部５は入力端子１０１と入力端子１０２から構成される。スイッチブリッジ部６は入力端子１０１に接続された第１のスイッチ素子２３と第３のスイッチ素子２７と、入力端子１０２に接続された第２のスイッチ素子２４と第４のスイッチ素子２８とから構成される。第１のスイッチ素子２３及び第２のスイッチ素子２４は、第１の中点２５を介して直列に接続されている。第３のスイッチ素子２７及び第４のスイッチ素子２８は、第２の中点２９を介して直列に接続されている。さらに第１の中点２５と第２の中点２９は、それぞれ直列コイル部７のコイル３３の一方の端子とコイル３４の一方の端子に接続されている。

コイル３３の他方の端子は、共振回路部８のコンデンサ１０５を介して一対のコイル３５の一方のコイルに接続されている。コイル３４の他方の端子は、共振回路部８の一対のコイル３５の一方のコイルに接続されている。一対のコイル３５の他方のコイルは、出力端子１０４と、コンデンサ１０６を介して出力端子１０３に接続されている。ここでは、直列コイル部７を構成するコイル３３及びコイル３４が直接コンデンサ１０５及び一対のコイル３５と接続しているとして説明したが、これに限るものではなくここでは図示しない抵抗器、コイル、コンデンサを介して接続しても構わない。また、直列コイル部７は２つのコイル３３と３４から構成されているとして説明したが、どちらか一方のコイルがあればよく、存在しないコイルは短絡されていればよい（図示せず）。ここで共振回路部８は２つのコンデンサ１０５とコンデンサ１０６により構成されているとして説明したが、どちらか一方のコンデンサがあればよく、存在しないコンデンサは短絡されていればよい（図示せず）。

制御部１０は、制御線１１、制御線１２によりスイッチブリッジ部６と接続され、第１のスイッチ素子２３、第２のスイッチ素子２４、第３のスイッチ素子２７、第４のスイッチ素子２８をオン状態またはオフ状態にする制御を行っている。図２では、第１のスイッチ素子２３と第４のスイッチ素子２８のオン・オフを制御する制御線１１が共通なものとなっており、第２のスイッチ素子２４と第３のスイッチ素子２７のオン・オフを制御する制御線１２が共通なものとなっているが、この限りではない。すなわち、第１のスイッチ素子２３と第４のスイッチ素子２８は異なる制御線でオン・オフの状態制御を行っても良いし、第２のスイッチ素子２４と第３のスイッチ素子２７は異なる制御線でオン・オフの状態制御を行っても良い。

制御部１０は、直列に接続された第１のスイッチ素子２３と第２のスイッチ素子２４の一方がオン状態となり、続いてもう一方がオン状態になるまでの間に共にオフ状態になるデッドタイムを設ける。制御部１０は、直列コイル部７内の所定の部位を流れる電流を検出し（図示せず）、検出した検出電流値１３の絶対値が減少傾向を示す状態において第１及び第４のスイッチ素子２３，２８、もしくは、第２及び第３のスイッチ素子２４，２７のいずれか一方をオン状態に制御するタイミングを決定する。ここで、直列コイル部７内の所定の部位は、第１の端子３１としてもよく、第２の端子３２としても構わない。

次に、図３に本実施形態の変形例におけるスイッチング電源１の内部構成を示す回路図を示している。図２に示されるように、第１のスイッチ素子２３、第２のスイッチ素子２４、第３のスイッチ素子２７及び第４のスイッチ素子２８は、電界効果トランジスタ（Ｆｉｅｌｄｅｆｆｅｃｔｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ、ＦＥＴ）などのスイッチ素子が用いられるが、本変形例では内部に存在するボディダイオードを明示的に示している。

直流入力部５は、入力端子２１と入力端子２２から構成される。スイッチブリッジ部６は入力端子２１に接続された第１のスイッチ素子２３と第３のスイッチ素子２７と、入力端子２２に接続された第２のスイッチ素子２４と第４のスイッチ素子２８から構成される。第１のスイッチ素子２３と第２のスイッチ素子２４との接続点が第１の中点２５、第３のスイッチ素子２７と第４のスイッチ素子２８との接続点が第２の中点２９である。以下の説明では入力端子２１を正極、入力端子２２を負極として説明するが、これに限るものではない。入力端子の極性が反対の場合は、整流素子の向き、電流の向きを反対にして読み替えることが可能である。

第１の整流素子３８は第１のスイッチ素子２３に、第２の整流素子３９は第２のスイッチ素子２４に、第３の整流素子４０は第３のスイッチ素子２７に、第４の整流素子４１は第４のスイッチ素子２８に、それぞれ並列に接続されている。ここに示されたように、第１の整流素子３８、第２の整流素子３９、第３の整流素子４０及び第４の整流素子４１は第１のスイッチ素子２３、第２のスイッチ素子２４、第３のスイッチ素子２７及び第４のスイッチ素子２８に対して逆並列に接続する形態となる。図３は入力端子２１を正極、入力端子２２を負極として描かれており、正極である入力端子２１に第１のスイッチ素子２３及び第３の整流素子４０のカソードが、また、負極である入力端子２２に第２の整流素子３９及び第４の整流素子４１のアノードが接続されている。

第１の中点２５が第１の端子３１、第２の中点２９が第２の端子３２を介して直列コイル部７と接続されている。さらに図３では、第１の端子３１にコイル３３と、第２の端子３２にコイル３４が接続されているが、この形態に限らず、少なくとも一つのコイルが第１の端子３１または第２の端子３２のどちらかを介してスイッチブリッジ部６と接続されていればよい。

直列コイル部７は、共振回路部８の一対のコイル３５と、交流出力部９の出力端子３６，３７に接続されている。ここでは直列コイル部７と共振回路部８を異なる機能ブロックとして説明したが、直列コイル部７内のコイル３３もしくはコイル３４は、共振回路部８内の１対のコイル３５の漏れインダクタンスと考え、１対のコイル３５の一部としてもよく、この場合、直列コイル部７と共振回路部８は一体の形態をとっても構わない。

制御部１０は、制御線１１、制御線１２によりスイッチブリッジ部６と接続され、第１のスイッチ素子２３、第２のスイッチ素子２４、第３のスイッチ素子２７、第４のスイッチ素子２８をオン状態またはオフ状態にする制御を行っている。図３においても図２と同様に、第１のスイッチ素子２３と第４のスイッチ素子２８のオン・オフを制御する制御線１１が共通なものとなっており、第２のスイッチ素子２４と第３のスイッチ素子２７のオン・オフを制御する制御線１２が共通なものとなっているが、この限りではない。すなわち、第１のスイッチ素子２３と第４のスイッチ素子２８は異なる制御線でオン・オフの状態制御を行っても良いし、第２のスイッチ素子２４と第３のスイッチ素子２７は異なる制御線でオン・オフの状態制御を行っても良い。

続いて、第１のスイッチ素子２３のオン・オフの状態制御をする制御線１１の信号レベルと、第２のスイッチ素子２４のオン・オフの状態制御をする制御線１２の信号レベルと、直列コイル部７内の所定の部位を流れる電流をプロットした図４をもとに、本実施形態におけるスイッチング電源の動作について説明を行う。ここでは第１のスイッチ素子２３と第２のスイッチ素子２４について、制御線１１と１２を用いて説明するが、第３のスイッチ素子２７，第４のスイッチ素子２８についても同様である。その場合、制御線は図４に示された制御線１１の様に第１のスイッチ素子２３と第４のスイッチ素子２８と共通で用いても良いし、第４のスイッチ素子２８を第１のスイッチ素子２３とは別の制御線で制御しても構わない（図示せず）。同様に第３のスイッチ素子２７を第２のスイッチ素子２４とは別の制御線で制御しても構わない（図示せず）。

まず、図４に示されるように、制御線１１の信号レベルを４２としてプロットしている。制御線１１の信号レベル４２のレベルがオンで第１のスイッチ素子２３がオン状態になり、制御線１１の信号レベル４２のレベルがオフで第１のスイッチ素子２３がオフ状態になる。同様に制御線１２の信号レベルを４３としてプロットしている。制御線１２の信号レベル４３のレベルがオンで第２のスイッチ素子２４がオン状態になり、制御線１２の信号レベル４３のレベルがオフで第２のスイッチ素子２４がオフ状態になる。このように制御部１０は、制御線１１及び１２のレベルをオン、オフに変更する事で第１のスイッチ素子２３と第２のスイッチ素子２４の状態をオン状態、オフ状態に変更する制御を行っている。

制御部１０は、直列に接続された第１のスイッチ素子２３と第２のスイッチ素子２４の一方がオンとなるように当該スイッチ素子に対応する当該制御線がオンになり、続いてもう一方の当該スイッチ素子がオンになるように当該スイッチ素子に対応する当該制御線がオンになるまでの間に両方の第１のスイッチ素子２３と第２のスイッチ素子２４が共にオフになるように制御線１１と制御線１２の両方がともにオフになるデッドタイムを設ける。

また、図４には直列コイル部７内の所定の部位を流れる電流が４４としてプロットされている。直列コイル部７内の所定の部位を流れる電流４４がゼロ線５２をクロスするタイミングがＡ点４５、Ｂ点４６、Ｃ点４７、Ｄ点４８、Ｅ点４９、Ｆ点５０、Ｇ点５１である。さらに直列コイル部７内の所定の部位を流れる電流４４が負から正に変化するタイミングがＡ点４５、Ｃ点４７、Ｅ点４９、Ｇ点５１であり、逆に正から負に変化するタイミングがＢ点４６、Ｄ点４８、Ｆ点５０である。

本実施形態では、制御部１０が次のタイミングで制御線１１、１２の制御を行っている。具体的には、“Ｉを直列コイル部７内の所定の部位を流れる電流としたとき、制御部１０は、
Ｉ＜−Ｉａ
から
Ｉ＞−Ｉａ
となるタイミングにて、第１のスイッチ素子２３に対応する制御線１１をオンし、
同様に、制御部１０は、
Ｉ＞Ｉａ
から
Ｉ＜Ｉａ
となるタイミングにて第２のスイッチ素子２４に対応する制御線１２をオンする”制御を行っている。

すなわち、図４に示されるように、直列コイル部７内の所定の部位を流れる電流４４が−Ｉａ線５８を小なる値から大なる値にクロスするタイミングに於いて制御線１１の信号レベル４２がオフからオンに変化し、直列コイル部７内の所定の部位を流れる電流４４が＋Ｉａ線５７を大なる値から小なる値にクロスするタイミングに於いて制御線１２の信号レベル４３がオフからオンに変化している。言い換えれば、直列コイル部７内の所定の部位を流れる電流４４が負から正に変化するゼロクロスタイミングＡ点４５、Ｃ点４７、Ｅ点４９、Ｇ点５１より前、すなわち、検出電流値１３の絶対値が減少傾向を示す状態において、第１及び第４のスイッチ素子２３，２８をオン状態に制御するために制御線１１の信号レベル４２がオフからオンに変化し、直列コイル部７内の所定の部位を流れる電流４４が正から負に変化するゼロクロスタイミングＢ点４６、Ｄ点４８、Ｆ点５０より前、すなわち、検出電流値１３の絶対値が減少傾向を示す状態において、第２及び第３のスイッチ素子２４，２７をオン状態に制御するために、制御線１２の信号レベル４３がオフからオンに変化している。

制御線１１がオフからオンに変化するタイミングに於いて制御線１１に対応する第１のスイッチ素子２３間の電位５３がゼロであることが示されている。したがって、第１のスイッチ素子２３間の電位５３がゼロであるタイミングに於いて、制御線１１をオフからオンへ変化させ、当該第１のスイッチング素子２３をターンオンすることが可能となる。また、制御線１２がオフからオンに変化するタイミングに於いて、制御線１２に対応する第２のスイッチ素子２４間の電位５４がゼロであることが示されている。したがって、第２のスイッチ素子２４間の電位５４がゼロであるタイミングに於いて、制御線１２をオフからオンへ変化させ、当該第２のスイッチング素子２４をターンオンすることが可能となる。

ここで、図９を用いて、ＺＶＳがスイッチング損失を軽減する仕組みを説明する。スイッチデバイス９６は、その内部にある寄生容量Ｃを有するコンデンサ９８とスイッチ素子９７ともに描かれている。今、スイッチデバイス９６は開かれており、スイッチデバイス９６の素子間に電圧Ｖが印加されている状態とする（図９（ａ））。この時、スイッチデバイス９６には充電されている静電エネルギーは（１／２）ＣＶ^２となる。次にスイッチデバイス９６が閉じられた場合（図９（ｂ））、スイッチデバイス９６に蓄えられた静電エネルギーはスイッチデバイス９６の内部にある導通抵抗１００により熱エネルギーとして消費される。これが、スイッチング素子のオフ状態からオン状態に変化する際のスイッチング損失であり、その損失量は（１／２）ＣＶ^２で与えられる。つまり、スイッチ素子間に生じている電位差がゼロもしくはゼロに近い値であるタイミングでスイッチデバイス９６をオフ状態からオン状態へ変化させる事（すなわちＺＶＳを実現する事）でスイッチング損失を軽減する事が可能となる。ここではスイッチ素子内部の寄生容量を用いて説明したが、スイッチ素子に並列に接続された外部コンデンサが存在する場合も同様である。

以上のように、本発明では直列コイル部内の所定の部位の電流値の状態によって、各スイッチ素子のターンオンするタイミングを決定している。そのため、スイッチ素子の駆動周波数の変化に影響されることなく、スイッチ素子間の電位がゼロであるタイミングでスイッチ素子をターンオンすることが可能となり、安定的なＺＶＳを実現することができる。その結果、スイッチング損失が軽減され、電力変換効率の高いスイッチング電源を提供することが可能となる。

すなわち、スイッチ素子の駆動周波数が大きく変わるスイッチング電源において、直列コイル部７内の所定の部位の電流値を検出し、検出した検出電流値１３の絶対値が減少傾向を示す状態において第１及び第４のスイッチ素子２３，２８、もしくは、第２及び第３のスイッチ素子２４，２７のいずれか一方をオン状態に制御することによって、安定的なＺＶＳを得ることが実現できる。その結果、スイッチング損失が軽減され、電力変換効率の高いスイッチング電源を提供することが可能となる。

続いて、検出電流値の絶対値が減少傾向を示す状態を判定する方法について詳細に説明する。ここでは、電流値の検出方法として被測定箇所に抵抗器を配置し抵抗器間の電圧を測定する方法を用いる。具体的には、検出電流値の測定箇所に直列に抵抗器を接続する。次に、抵抗器の両端の電圧を測定する電圧計により、抵抗器の電位差を測定する。そして、測定した電位差Ｖと抵抗器の抵抗Ｒからオームの法則（Ｉ＝Ｖ／Ｒ）により電流値Ｉが求まる。このような電流値の検出方法を利用して検出電流値の絶対値が減少傾向を示す状態か否かを判定するため、本実施形態では、あらかじめ抵抗器に流れる電流が０Ａの状態での電位差を測定し、これをＶ０とする。次に、検出電流値の絶対値が減少傾向を示す状態を判定するため、電流の周期Ｔ０にくらべて十分に短い時間間隔の２つの時間で抵抗器の電位差を測定し、これをＶ１とＶ２とすると、次式（１）が成り立つ場合に検出電流値の絶対値が減少傾向を示す状態と判定できる。なお、Ｖ２はＶ１を測定した時間よりも後の時間に測定した測定値とする。
｜Ｖ１−Ｖ０｜＞｜Ｖ２−Ｖ０｜式（１）

次に、図５及び図６を参照して、効果の実証に関して説明を行う。ここでは説明のため、制御線１１は第１のスイッチ素子２３と第４のスイッチ素子２８を制御するものとし、制御線１２は第２のスイッチ素子２４と第３のスイッチ素子２７を制御するものとする。制御線１１の信号レベル４２のレベルがオンで第１のスイッチ素子２３及び第４のスイッチ素子２８がオン状態になることを示し、制御線１１の信号レベル４２のレベルがオフで第１のスイッチ素子２３及び第４のスイッチ素子２８がオフ状態になることを示している。同様に制御線１２の信号レベル４３のレベルがオンで第２のスイッチ素子２４及び第３のスイッチ素子２７がオン状態になることを示し、制御線１２の信号レベル４３のレベルがオフで第２のスイッチ素子２４及び第３のスイッチ素子２７がオフ状態になることを示している。また、直列コイル部７内の所定の部位を第１の端子３１とし、第１の端子３１から直列コイル部７に電流が流れる向きを正とする。逆に、直列コイル部７から第１の端子３１に電流の流れる向きが負となる。

図５は図４のＣ点４７とＤ点４８付近の区間を拡大したものである。図５に示されるように、直列コイル部７内の所定の部位として定めた第１の端子３１を流れる電流を６５にプロットしている。Ｈ点６１にて制御線１２の信号レベル４３がオンからオフに遷移し、当該第２のスイッチ素子２４と当該第３のスイッチ素子２７がオフ状態になる。Ｊ点６２にて制御線１１の信号レベル４２がオフからオンに遷移し、当該第１のスイッチ素子２３と当該第４のスイッチ素子２８がオン状態になる。直列コイル部７内の所定の部位として定めた第１の端子３１を流れる電流６５をＩとすると、Ｊ点６２において、
Ｉ＜−Ｉａ
から
Ｉ＞−Ｉａ
へと変化している。
Ｋ点６３にて制御線１１の信号レベル４２がオンからオフに遷移し、当該第１のスイッチ素子２３と当該第４のスイッチ素子２８がオフ状態になる。Ｌ点６４にて制御線１２の信号レベル４２がオフからオンに遷移し、当該第２のスイッチ素子２４と当該第３のスイッチ素子２７がオン状態になる。直列コイル部７内の所定の部位として定めた第１の端子３１を流れる電流６５をＩとすると、Ｌ点６４において、
Ｉ＞Ｉａ
から
Ｉ＜Ｉａ
へと変化している。直列コイル部７内の所定の部位として定めた第１の端子３１の電流６５が負から正に変化するタイミングがＣ点４７であり、逆に正から負に変化するタイミングがＤ点４８であり、当該第１のスイッチ素子２３と当該第４のスイッチ素子２８をオン状態に変更したＪ点６２、当該第２のスイッチ素子２４と当該第３のスイッチ素子２７をオン状態に変更したＬ点６４は、ゼロ線５２をクロスするタイミングＣ点４７、Ｄ点４８よりも前に現れている。

図６ａは図５に示されたＨ点６１直前の電流の流れを電流７１，７２で示している。この区間に於いて、制御線１２がオンであることから、当該第２のスイッチ素子２４はオン状態となる。第１の中点２５が入力端子２２の電位と等しい状態を保ち、オフ状態である第１のスイッチ素子２３間には入力端子２１と入力端子２２に印加されている電位と同じ電位が生じる。同様に制御線１２がオンであることから、当該第３のスイッチ素子２７はオン状態となる。第２の中点２９が入力端子２１の電位と等しい状態を保ち、オフ状態である第４のスイッチ素子２８間には入力端子２１と入力端子２２に印加されている電位と同じ電位が生じる。

図６ｂは図５に示されたＨ点６１と図５に示されたＪ点６２の間の区間の電流の流れを電流７３，７４で示している。この区間に於いて、制御線１１と制御線１２が共にオフであることから、当該第１のスイッチ素子２３と当該第２のスイッチ素子２４が共にオフ状態となるが、第１の端子３１を流れる電流６５が負の値であることから、第１の端子３１を流れる電流の向きは電流７３が示すように直流コイル部７から第１の端子３１への向きとなる。すなわち、オフ状態である第１のスイッチ素子２３に並列に接続された第１の整流素子３８を介した電流が流れる。この時、オフ状態である第１のスイッチ素子２３間には電位は生じておらずゼロレベルの電位に保たれる。同様に制御線１１と制御線１２が共にオフであることから、当該第３のスイッチ素子２７と当該第４のスイッチ素子２８が共にオフ状態となるが、第１の端子３１を流れる電流６５が負の値であることから、共振回路部８が閉じているかぎり、キルヒホッフの法則より、第２の端子３２での電流の向きは電流７４が示すように第２の端子３２から直流コイル部７への向きとなる。すなわち、オフ状態である第４のスイッチ素子２８に並列に接続された第４の整流素子４１を介した電流がながれる。この時、オフ状態である第３のスイッチ素子２７間には電位は生じておらずゼロレベルの電位に保たれる。

図６ｃは図５に示されたＪ点６２と図５に示されたＣ点４７の間の区間の電流の流れを電流７５，７６で示している。この区間に於いて、制御線１１がオンであることから、当該第１のスイッチ素子２３はオン状態となる。第１の中点２５が入力端子２１の電位と等しい状態を保ち、オフ状態である第２のスイッチ素子２４間には入力端子２１と入力端子２２に印加されている電位と同じ電位が生じる。同様に制御線１１がオンであることから、当該第４のスイッチ素子２８はオン状態となる。第２の中点２９が入力端子２２の電位と等しい状態を保ち、オフ状態である第３のスイッチ素子２７間には入力端子２１と入力端子２２に印加されている電位と同じ電位が生じる。

図６ｄは図５に示されたＣ点４７と図５に示されたＫ点６３の間の区間の電流の流れを電流７７，７８で示している。この区間に於いて、制御線１１がオンであることから、当該第１のスイッチ素子２３はオン状態となる。第１の中点２５が入力端子２１の電位と等しい状態を保ち、オフ状態である第２のスイッチ素子２４間には入力端子２１と入力端子２２に印加されている電位と同じ電位が生じる。同様に制御線１１がオンであることから、当該第４のスイッチ素子２８はオン状態となる。第２の中点２９が入力端子２２の電位と等しい状態を保ち、オフ状態である第３のスイッチ素子２７間には入力端子２１と入力端子２２に印加されている電位と同じ電位が生じる。

図６ｅは図５に示されたＫ点６３と図５に示されたＬ点６４の間の区間の電流の流れを電流７９，８０で示している。この区間に於いて、制御線１１と制御線１２が共にオフであることから、当該第１のスイッチ素子２３と当該第２のスイッチ素子２４が共にオフ状態となるが、１の端子３１を流れる電流６５が正の値であることから、第１の端子３１を流れる電流の向きは電流７９が示すように第１の端子から直流コイル部７への向きとなる。すなわち、オフ状態である第２のスイッチ素子２４に並列に接続された第２の整流素子３９を介した電流が流れる。この時、オフ状態である第２のスイッチ素子２４間には電位は生じておらずゼロレベルの電位に保たれる。制御線１１と制御線１２が共にオフであることから、当該第３のスイッチ素子２７と当該第４のスイッチ素子２８が共にオフ状態となるが、第１の端子３１を流れる電流６５が正の値であることから、共振回路部８が閉じているかぎり、キルヒホッフの法則より、第２の端子３２での電流の向きは電流８０が示すように直流コイル部７から第２の端子３２への向きとなる。すなわち、オフ状態である第３のスイッチ素子２７に並列に接続された第３の整流素子４０を介した電流が流れる。この時、オフ状態である第４のスイッチ素子２８間には電位は生じておらずゼロレベルの電位に保たれる。

図６ｆは図５に示されたＬ点６４と図５に示されたＤ点４８の間の区間の電流の流れを電流８１，８２で示している。この区間に於いて、制御線１２がオンであることから、当該第２のスイッチ素子２４はオン状態となる。第１の中点２５が入力端子２２の電位と等しい状態を保ち、オフ状態である第１のスイッチ素子２３間には入力端子２１と入力端子２２に印加されている電位と同じ電位が生じる。同様に制御線１２がオンであることから、当該第３のスイッチ素子２７はオン状態となる。第２の中点２９が入力端子２１の電位と等しい状態を保ち、オフ状態である第４のスイッチ素子２８間には入力端子２１と入力端子２２に印加されている電位と同じ電位が生じる。

図６ｇは図５に示されたＤ点４８直後の電流の流れを電流８３，８４で示している。この区間に於いて、制御線１２がオンであることから、当該第２のスイッチ素子２４はオン状態となる。第１の中点２５が入力端子２２の電位と等しい状態を保ち、オフ状態である第１のスイッチ素子２３間には入力端子２１と入力端子２２に印加されている電位と同じ電位が生じる。同様に制御線１２がオンであることから、当該第３のスイッチ素子２７はオン状態となる。第２の中点２９が入力端子２１の電位と等しい状態を保ち、オフ状態である第４のスイッチ素子２８間には入力端子２１と入力端子２２に印加されている電位と同じ電位が生じる。

ここで制御線がオフからオンに変化し当該スイッチ素子がオフ状態からオン状態に変化するタイミングに着目し、該当スイッチ素子間に生じている電位の変化を説明する。まず、制御線１１がオフからオンに変化し当該第１のスイッチ素子２３及び第４のスイッチ素子２８がオフ状態からオン状態に変化するＪ点６２に着目する。図６ｂにより、Ｈ点６１とＪ点６２の間の区間に於いて、オフ状態である第１のスイッチ素子２３間及び第３のスイッチ素子２７間には電位は生じておらずゼロレベルの電位に保たれる。すなわち、第１のスイッチング素子２３と第４のスイッチ素子２８間の電位がゼロであるＪ点６２に於いて、第１のスイッチング素子２３と第４のスイッチ素子２８をターンオンすることでＺＶＳが実現されている事が確かめられる。また、制御線１２がオフからオンに変化し当該第２のスイッチ素子２４及び第３のスイッチ素子２７がオフ状態からオン状態に変化するＬ点６４に着目する。図６ｅにより、Ｋ点６３とＬ点６４の間の区間に於いて、オフ状態である第２のスイッチ素子２４間及び第４のスイッチ素子２８間には電位は生じておらずゼロレベルの電位に保たれる。すなわち、第２のスイッチ素子２４と第３のスイッチ素子２７間の電位がゼロであるＬ点６４に於いて、第２のスイッチ素子２４と第３のスイッチ素子２７をターンオンすることでＺＶＳが実現されている事が確かめられる。従って、スイッチ素子の駆動周波数が大きく変わるスイッチング電源において、直列コイル部７内の所定の部位の電流値を検出し、検出電流値１３の絶対値が減少傾向を示す状態において第１及び第４のスイッチ素子２３，２８、もしくは、第２及び第３のスイッチ素子２４，２７のいずれか一方をオン状態に制御することによって、安定的なＺＶＳを得ることが実現できる。その結果、スイッチング損失が軽減され、電力変換効率の高いスイッチング電源を提供することが可能となる。

次に、デッドタイム期間について言及する。図７に示されるように、直列コイル部７内の所定の部位として定めた第１の端子３１を流れる電流６５が正から負に変化するゼロクロスタイミングＢ点４６及びＤ点４８、直列コイル部７内の所定の部位として定めた第１の端子３１を流れる電流６５が負から正に変化するゼロクロスタイミングＣ点４７の時間をそれぞれＴｂ８９、Ｔｄ９５、Ｔｃ９２とする。制御線１２の信号レベル４３をオフからオンに変化させるタイミングＬ点６４、制御線１１の信号レベル４２をオフからオンに変化させるタイミングＪ点６２の時間をそれぞれＴｌ９４、Ｔｊ９１とする。また、制御線１２をオンからオフに変化させるタイミングＨ点６１、制御線１１をオンからオフに変化させるタイミングＫ点６３の時間をそれぞれＴｈ９０、Ｔｋ９３とすると、デッドタイム長をＴｄｅａｄとして予め定められるから、次式（２）、（３）がなりたつ。
Ｔｊ−Ｔｈ＝Ｔｄｅａｄ式（２）
Ｔｌ−Ｔｋ＝Ｔｄｅａｄ式（３）

効率の観点からデッドタイムは短いことが望ましいが、実際にはスイッチ素子をターンオンするまでの遅延時間とそのばらつきがあるために、直列に接続された２つのスイッチ素子を貫通する電流の発生を回避する時間を取ることが望ましい。ここで直列に接続された２つのスイッチを貫通する電流の発生を回避する時間を最小時間Ｔ１とする時、次式（４）の関係となる。
Ｔｄｅａｄ＞Ｔ１式（４）

ここで、第１の端子３１を流れる電流６５の周期をＴ０とすると、次式（５）、（６）がなりたつ。
Ｔｂ＜Ｔｈ＜Ｔｂ＋Ｔ０／２−Ｔｄｅａｄ式（５）
Ｔｃ＜Ｔｋ＜Ｔｃ＋Ｔ０／２−Ｔｄｅａｄ式（６）
すなわち、第１の端子３１を流れる電流６５の周期Ｔ０と第１の端子３１を流れる電流６５が正から負に変化するゼロクロスタイミングＢ点４６の時間Ｔｂを計測する事で制御線１２の信号レベル４３をオンからオフに変化させるタイミングＨ点６１を決定する事ができる。同様に、第１の端子３１を流れる電流６５の周期Ｔ０と第１の端子３１を流れる電流６５が負から正に変化するゼロクロスタイミングＣ点４７の時間Ｔｃを計測する事で制御線１１の信号レベル４２をオンからオフに変化させるタイミングＫ点６３を決定する事ができる。ただし、時間の計測機能は制御部１０内にあるものとする（ここでは図示せず）。

以上、本発明の好適な実施形態について説明してきたが、本発明は必ずしも上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。例えば、ワイヤレス電力伝送システムにおいて共振回路部８は給電デバイス部８７と受電デバイス部８８に分離された形態を取る。

図８に本実施形態におけるスイッチング電源のワイヤレス電力伝送システムへの応用例を示している。ワイヤレス電力伝送システムは、磁気的に結合された給電コイル８５と受電コイル８６が対をなし、１対のコイル間で電磁エネルギーの伝達を行うシステムである。ここでは図３に示されたスイッチング電源での実施例との差異についてのみ説明する。直列コイル部７は、少なくとも１つの給電コイル８５を含む給電デバイス部８７と接続され、給電デバイス部８７の給電コイル８５は、受電デバイス部８８にある受電コイル８６と磁気的に結合されている。受電デバイス部８８は出力端子３６，３７を含む交流出力部９と接続されている。ここでは直列コイル部７と受電デバイス部８８と異なる機能ブロックとして説明したが、直列コイル部７内のコイル３３もしくはコイル３４は、受電デバイス部８８の給電コイル８７の一部としてもよく、この場合、直列コイル部７と受電デバイス部８８は一体の形態をとっても構わない。

また、電流の検出方法として被測定箇所に抵抗器を配置し抵抗器間の電圧を測定する方法を用いて説明したが、ホール素子やＴＭＲ素子などの磁気センサーで磁束を直接測定する方法やカレントトランスなどで磁電変換し間接的に磁束を測定する方法を用いてもよい。

なお、本実施形態に係るスイッチング電源では、制御部１０が制御線１２の信号レベル４３をオフからオンに制御するタイミングの電流値の一例としてＩａ、制御部１０が制御線１１の信号レベル４２をオフからオンに制御するタイミングの電流値の一例として−Ｉａを用いて説明したが、これらに限られない。すなわち、制御部１０が制御線１１，１２の信号レベル４２，４３をオフからオンに制御するタイミングは、検出電流値の絶対値が減少傾向を示す状態であれば電流値Ｉａ，−Ｉａのタイミングでなくともよい。

１…スイッチング電源、２…直流電源装置、３…負荷装置、４…電力線、５…直流入力部、６…スイッチブリッジ部、７…直列コイル部、８…共振回路部、９…交流出力部、１０…制御部、１１，１２…制御線、１３…検出電流値、２１，２２，１０１，１０２…入力端子、２３…第１のスイッチ素子、２４…第２のスイッチ素子、２５…第１の中点、２７…第３のスイッチ素子、２８…第４のスイッチ素子、２９…第２の中点、３１…第１の端子、３２…第２の端子、３３，３４…コイル、３５…１対のコイル、３６，３７，１０３，１０４…出力端子、４２…制御線１１の信号レベル、４３…制御線１２の信号レベル、４４…直列コイル部７内の所定の電流、４５…Ａ点、４６…Ｂ点、４７…Ｃ点、４８…Ｄ点、４９…Ｅ点、５０…Ｆ点、５１…Ｇ点、５２…ゼロ線、５３…第１のスイッチ素子２３間の電位、５４…第２のスイッチ素子２４間の電位、５５…第１のスイッチ素子２３間及び第４のスイッチ素子２８間の電位、５６…第２のスイッチ素子２４間及び第３のスイッチ素子２７間の電位、５７…＋Ｉａ線、５８…−Ｉａ線、６１…Ｈ点、６２…Ｊ点、６３…Ｋ点、６４…Ｌ点、６５…第１の端子３１を流れる電流、７１〜８４…電流の流れ、８５…給電コイル、８６…受電コイル、８７…給電デバイス部、８８…受電デバイス部、８９…時間Ｔｂ、９０…時間Ｔｈ、９１…時間Ｔｊ、９２…時間Ｔｃ、９３…時間Ｔｋ、９４…時間Ｔｌ、９５…時間Ｔｄ、９６…スイッチデバイス、９７…スイッチ素子、９８，１０５，１０６…コンデンサ、１００…スイッチング電源装置システム

Claims

一対の入力端子と一対の出力端子と、前記一対の入力端子に接続される４つのスイッチ素子を含むスイッチブリッジ部と、前記スイッチブリッジ部に接続される１つのコイルを有する直列コイル部と、前記直列コイル部と前記一対の出力端子に接続される一対のコイルを有する共振回路部と、前記スイッチブリッジ部と前記直列コイル部に接続される制御部と、を備え、前記スイッチブリッジ部は前記一方の入力端子に接続される第１及び第３のスイッチ素子と、前記他方の入力端子に接続される第２及び第４のスイッチ素子とを含み、前記第１のスイッチ素子と前記第２のスイッチ素子とが直列に接続され、前記第３のスイッチ素子と前記第４のスイッチ素子とが直列に接続されており、前記直列コイル部の前記１つのコイルは前記第１のスイッチ素子と前記第２のスイッチ素子が接続されている第１の中点と、前記第３のスイッチ素子と前記第４のスイッチ素子が接続されている第２の中点の少なくとも一方に接続されており、前記制御部は前記直列コイル部内に流れる電流を検出し、検出電流値の絶対値が減少傾向を示す状態において前記第１及び第４のスイッチ素子、もしくは、前記第２及び第３のスイッチ素子のいずれか一方をオン状態に制御することを特徴とするスイッチング電源。