JP2014192983A - スイッチング電源回路 - Google Patents

Abstract

【課題】スイッチング素子及びダイオードを含むスイッチング回路を少なくとも２つ備えるスイッチング電源回路において、リプル率を低減して安定した出力電流を得る。
【解決手段】リアクトルＬ１と、ダイオードＤ１と、スイッチング素子Ｓ１とを有するスイッチング回路３ａと、リアクトルＬ１よりもインダクタンスが小さいリアクトルＬ２と、ダイオードＤ２と、スイッチング素子Ｓ２とを有するスイッチング回路３ｂと、スイッチング素子Ｓ１とスイッチング素子Ｓ２のスイッチング動作を制御する制御部５とを備える。制御部５は、スイッチング素子Ｓ１のスイッチング周波数をｆ１、スイッチング素子Ｓ２のスイッチング周波数をｆ２とすると、スイッチング周波数ｆ１よりもスイッチング周波数ｆ２が大きくなるように、スイッチング動作を制御する。
【選択図】図２

Description

本発明は、スイッチング電源回路に関し、特に直流の電流の中に含まれている脈動の成分であるリプルの発生を改善できるスイッチング電源回路に関する。

電源回路の電圧昇圧部に用いられる回路として、２つ以上のスイッチング回路を備えるインターリーブ方式のスイッチング電源回路が知られている（例えば、特許文献１）。

特許文献１は、２つのスイッチング回路のそれぞれに属するリアクトル、スイッチング素子及びダイオードの少なくともいずれか一つの特性が相互に異なるスイッチング電源回路を開示している。特許文献１によると、このスイッチング電源回路は、３つの電気特性を適宜に選択することができるので、力率、効率、高調波を調整できるとしている。

特許第４８４４６９６号公報（図９〜図１１）

特許文献１には、種々のスイッチング方法を採用した時の各々のリアクトルを流れる電流Ｉ１，Ｉ２とその和である電流Ｉの波形の例がその図９〜図１１に示されている。このスイッチング電源回路は、一方のリアクトルのインダクタンスを他方のリアクトルのインダクタンスの２倍としている。なお、Ｉ１，Ｉ２，Ｉは各々の電流を区別するためだけに用いており、以下も同様である。
ところが、特許文献１の図９〜図１１に示される電流波形を参照する限り、電流Ｉのリプル率が大きくなり、安定した出力が得られない。
本発明は、リアクトル、スイッチング素子及びダイオードを含むスイッチング回路を少なくとも２つ備えるスイッチング電源回路において、リプル率を低減して安定した出力電流を得ること目的とする。

かかる目的のもと、本発明のスイッチング電源回路は、第１のスイッチング回路と、第２のスイッチング回路と、制御部と、を備える。
第１のスイッチング回路は、第１のリアクトルと、第１のリアクトルと直列に接続され、アノードを第１のリアクトル側に向けて配置される第１のダイオードと、第１のリアクトルと第１のダイオードの間に設けられる第１のスイッチング素子と、を有する。
第２のスイッチング回路は、第１のリアクトルよりもインダクタンスが小さい第２のリアクトルと、
第２のリアクトルと直列に接続され、アノードを第２のリアクトル側に向けて配置される第２のダイオードと、第２のリアクトルと第２のダイオードの間に設けられる第２のスイッチング素子と、を有する。
制御部は、第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子のスイッチング動作を制御するが、
第１のスイッチング素子のスイッチング周波数をｆ１、第２のスイッチング素子のスイッチング周波数をｆ２とすると、スイッチング周波数ｆ１よりもスイッチング周波数ｆ２が大きくなるように、スイッチング動作を制御する。
本発明のスイッチング電源回路によると、第２のリアクトルは第１のリアクトルよりもインダクタンスが小さいので、第２のリアクトルを構成するコイルの巻数を第１のリアクトルよりも少なくできる。よって、第２のリアクトルの小型化を実現できるのに加えて、製造コストを抑えることができる。
また、本発明のスイッチング電源回路は、スイッチング周波数ｆ１よりもスイッチング周波数ｆ２が大きくすることで、第２のリアクトルを流れる電流Ｉ２を、第１のリアクトルを流れる電流Ｉ１と相似形で、かつ、１８０度の位相差を設けることができる。したがって、電流Ｉ１と電流Ｉ２の和である電流Ｉのリプル率を低減できる。

本発明のスイッチング電源回路において、第１のスイッチング素子が珪素半導体によって構成され、第２のスイッチング素子が炭化珪素半導体又は窒化ガリウム半導体によって構成されることが好ましい。
本発明において、第２のスイッチング素子は、第１のスイッチング素子より高周波でスイッチングするため、スイッチングによる損失が第１のスイッチング素子よりも大きくなる。したがって、第２のスイッチング素子として、損失が大幅に低減できる、ＳｉＣ（炭化珪素）半導体又はＧａＮ（窒化ガリウム）半導体を用いる。一方、第１のスイッチング素子は、低コストであるＳｉ（珪素）半導体によって形成することで、製造コストを低減できる。

本発明のスイッチング電源回路において、制御部は、第２のリアクトルを流れる電流が、第１のリアクトルを流れる電流の波形と相似形でかつ１８０度だけ位相差を設けた基準波形に対して、所定のリプル電流幅に収まるように、スイッチング動作を制御することができる。
この制御は、ヒステリシス制御に基づくものであり、リプル幅を一定に制御できるので、リプルが安定した高精度な電流出力が重視される用途に向いている。

本発明のスイッチング電源回路において、制御部は、第２のスイッチング素子のスイッチング周波数が、第１のスイッチング素子のスイッチング周波数の、２以上の整数倍となるようにのスイッチング動作を制御する制御することができる。
この制御は、ＰＷＭ（Ｐulse Ｗidth Ｍodulation）制御は、低コストが重視される用途に向いている。

本発明によれば、第２のリアクトルの小型化、低コスト化を実現するのに加えて、電流Ｉ１と電流Ｉ２の和である電流Ｉのリプル率を低減できる。

本実施形態におけるスイッチング電源回路の概略構成を示す図である。 ヒステリシス制御を行って得られる本実施形態による第２のリアクトルの電流の波形を示す。 本実施形態において測定されたスイッチング周波数比（ｆ２／ｆ１）とリプル率の関係を示すグラフである。 ＰＷＭ制御を行って得られる本実施形態による第２のリアクトルの電流の波形を示す。 インターリーブ制御による電流波形の例を示す図である。

以下、リプル率を低減する本発明のスイッチング電源回路を、図１〜図５に示される実施形態に基づいて説明する。
［スイッチング電源回路の構成］
はじめに、スイッチング電源回路１０の構成について説明する。
図１に示すように、スイッチング電源回路１０は、複数（ここでは２つ）の第１のスイッチング回路３ａ，第２のスイッチング回路３ｂを備えている。各々のスイッチング回路３ａ，３ｂは、入力端１１，１２及び出力端１３，１４に接続されており、入力端１１，１２の間に印加された直流電圧を昇圧して、出力端１３，１４から出力される。
スイッチング電源回路１０は、交流電源１と整流回路２を備え、交流電源１から供給される交流電圧を整流回路２で整流し、整流後の直流電圧を入力端１１，１２の間に印加する。
スイッチング電源回路１０は、スイッチング回路３ａ，３ｂで昇圧された直流電圧を、出力端１３，１４を介してインバータ４に入力される。また、スイッチング電源回路１０は、スイッチング回路３ａ，３ｂのスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２の動作を制御する制御部５を備えている。

スイッチング回路３ａは、第１のリアクトルＬ１と、第１のダイオードＤ１と、第１のスイッチング素子Ｓ１を備えている。リアクトルＬ１及びダイオードＤ１は、入力端１１と出力端１３とを接続する導電ライン１５上に、リアクトルＬ１が入力端１１側に、ダイオードＤ１が出力端１３側になるように配置され、両者は直列に接続される。ダイオードＤ１は、そのアノードがリアクトルＬ１に向けて配置されている。

スイッチング素子Ｓ１は、リアクトルＬ１とダイオードＤ１の間で、導電ライン１５に接続されている。スイッチング素子Ｓ１の動作、つまり導通及び非導通は制御部５によって制御される。

スイッチング回路３ｂは、第２のリアクトルＬ２と、第２のダイオードＤ２と、第２のスイッチング素子Ｓ２を備えている。リアクトルＬ２及びダイオードＤ２は、入力端１２と出力端１４とを接続する導電ライン１６上に、リアクトルＬ２が入力端１２側に、ダイオードＤ２が出力端１４側になるように配置され、両者は直列に接続される。ダイオードＤ２は、そのアノードがリアクトルＬ２に向けて設けられている。

本実施形態は、スイッチング回路３ｂのリアクトルＬ２のインダクタンス値をスイッチング回路３ａのリアクトルＬ１のインダクタンス値よりも小さく、例えば１／２に設定できる。そうすることで、リアクトルＬ２を構成するコイルの巻数をリアクトルＬ１の半分にすることができる。よって、リアクトルＬ２の小型化を実現できるのに加えて、製造コストを抑えることができる。ただし、１／２は一例であり、本発明を限定するものでない。

スイッチング回路３ａ，３ｂに入力される電流のノイズを低減するために入力端１１，１２の間にコンデンサを設けたり、スイッチング回路３ａ，３ｂによって昇圧された直流電圧を平滑化するために、出力端１３，１４の間にコンデンサを設けるなど、スイッチング電源回路１０に他の要素を付加することもできる。

制御部５は、演算処理装置５ａと記憶装置５ｂを備えている。演算処理装置５ａは、記憶装置５ｂに記憶されているプログラムにしたがって、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２の動作を含め、スイッチング電源回路１０の動作を制御する手順を実行する。
演算処理装置５ａは、例えばマイクロコンピュータにより構成され、また、記憶装置５ｂは、例えばＲＯＭ(Read-Only-Memory)、ＲＡＭ(Random-Access-Memory)、ハードディスク装置などの記憶装置の単数又は複数で構成される。

スイッチング電源回路１０は種々の用途に用いられる。例えば空気調和機に用いられる場合には、インバータ４は空気調和機が有する圧縮機又はファンを駆動する電動機に向けて交流電圧を印加する。

［スイッチング電源回路（スイッチング回路３ａ，３ｂ）の動作］
以下、スイッチング電源回路１０の動作について説明する。
スイッチング電源回路１０は、スイッチング素子Ｓ１とスイッチング素子Ｓ２の各々のスイッチングの位相をずらして、スイッチング回路３ａ，３ｂを動作させる。この制御は制御部５が行う。ここで、スイッチング素子Ｓ１とスイッチング素子Ｓ２の位相をずらすと、図５に示すように、リアクトルＬ１を流れる電流Ｉ１の値が低い谷の部分とリアクトルＬ２を流れる電流Ｉ２の値が高い山の部分とが相殺され、リアクトルＬ１を流れる電流Ｉ１の値が高い山の部分とリアクトルＬ２を流れる電流Ｉ２の値が低い谷の部分とが相殺される。したがって、電流Ｉ１と電流Ｉ２の和である電流Ｉの変動成分（いわゆる高調波成分）を低くすることができる。

特に、図５の上段は理想的な例を示しており、電流Ｉ１と電流Ｉ２が、周波数及び振幅が同じで、かつ、位相差が１８０度だけずれているために、電流Ｉ（電流Ｉ１＋電流Ｉ２）が平坦な波形を示し、リプル率が０である。ここで、本願発明におけるリプル率（ripple ratio）は、電流Ｉの変動幅を電流Ｉの平均で除した値である。図５の下段の例は、電流Ｉ１と電流Ｉ２は周波数が同じであるが、電流Ｉ２の振幅が電流Ｉ１の２倍の例を示しており、この例はリプル率が０．６７となる。

本実施形態は、制御部５が、スイッチング素子Ｓ１とスイッチング素子Ｓ２の各々のスイッチングの位相をずらす。つまり、スイッチング素子Ｓ２は、スイッチング素子Ｓ１が導通した時点から所定時間だけ経過したときに導通する。ここで、スイッチング素子Ｓ１が導通してから再び導通するまでの期間から求められる周波数をｆ１とすると、スイッチング素子Ｓ２の当該周波数ｆ２を周波数ｆ１より小さくする。ここで、リアクトルを構成するコイルに流れる電流の時間当たりの変化量は、周波数が小さくなるほど、大きくなる。したがって、スイッチング素子Ｓ１に対しスイッチング素子Ｓ２を高い周波数でスイッチングすると、リアクトルＬ２に流れる電流Ｉ２の平均としての波形が、リアクトルＬ１の電流Ｉ１の波形と相似になり、かつ、両者の波形の位相差を１８０度にできる（図２（ｄ）参照）。

スイッチング素子Ｓ１に対するスイッチング素子Ｓ２の周波数の比（スイッチング周波数比＝ｆ２／ｆ１）を変えてリアクトルＬ２に流れる電流Ｉ２の波形を測定するとともに、リアクトルＬ１に流れる電流Ｉ１との和である電流Ｉから求めたリプル率の結果を、図２及び図３を参照して説明する。ここでは、スイッチングのオン・オフのタイミングを、基準波形ＩＳに対し、リアクトルＬ２の電流Ｉ２が設定したリプル電流幅ＲＷとなるようにヒステリシス制御に基づいて行った。基準波形ＩＳは、リアクトルＬ１の電流Ｉ１の波形と相似形で１８０度だけ位相差を設けたものであり、電流Ｉ２の波形を電流Ｉ１の波形と相似にするとともに、両者の位相差を１８０度にするために機能する。

図２及び図３に示すように、スイッチング素子Ｓ２のスイッチング周波数ｆ２をスイッチング周波数ｆ１に対して高くすることで、電流Ｉ２のリプルを低減することができる。そして、スイッチング周波数比（ｆ２／ｆ１）を１３にすると、電流Ｉ２の平均としての波形を電流Ｉ１の波形と相似形でかつ１８０度だけ位相差を設けることができることがわかる。このように、スイッチング周波数比（ｆ２／ｆ１）を高く設定することで、高調波電流規制を満足し、出力に接続される機器に安定した出力電流を供給できる。一般的に電源回路は出力リプルが低なるように設計されるが、出力リプルの変動が大きい場合は、それを平滑化するために、コンデンサやリアクトルなどの平滑用フィルタ回路が別途必要となる。したがって、リプル率を低減できる本実施形態によると、スイッチング電源回路１０のサイズを小さくできるのに加えて、コスト低減にも寄与する。
スイッチング周波数比（ｆ２／ｆ１）が大きくするほど、リプル率が低下し、出力電流が平坦になるが、一方で、スイッチング素子Ｓ２の周波数を高くする必要があるため、スイッチング損失が増加し、回路の効率が低下する。スイッチング損失を抑えるために、後述するように、スイッチング素子Ｓ２にワイドギャップ半導体パワー素子と称されるＳｉＣ（炭化珪素）半導体又はＧａＮ（窒化ガリウム）半導体を使用することが好ましいが、スイッチング周波数比（ｆ２／ｆ１）が大きくなりすぎると、損失を無視できなくなる。したがって、リプル率を抑えるとともにスイッチング損失の増加をも抑えることを考慮すると、スイッチング周波数比（ｆ２／ｆ１）は５〜１５の範囲が好ましく、5〜１0の範囲がより好ましい。

本実施形態において、スイッチング素子Ｓ１及びスイッチング素子Ｓ２のスイッチングのタイミングは、ＰＷＭ（Ｐulse Ｗidth Ｍodulation）制御によっても行なうことができる。この場合、図４に示すように、スイッチング素子Ｓ２のスイッチング周波数ｆ２は、スイッチング素子Ｓ１のスイッチング周波数ｆ２の整数倍（ただし、２以上）となる。
ヒステリシス制御によるスイッチングは、電流リプルを設定値以下に抑え、電流リプルが閾値に達するとオン・オフを切り替えるので、スイッチング周波数が一定にならない。これに対して、ＰＷＭ制御を適用すると、図４に示すように、スイッチング周波数を一定にできる。ただし、スイッチング毎のリプルの大きさが変化する。したがって、スイッチング制御をＣＰＵ（Central Processing Unit）で実施すると、整数倍で周期を同期させることができるので、スイッチング制御のためのソフトウェアが簡素になり、整数倍以外（ヒステリシス制御）にするよりも処理量を減らすことができる。また、ＰＷＭ制御を適用すると、リアクトルＬ１とリアクトルＬ２の電流検出時のサンプリングを同期して行なうことができるので、ソフトウェア処理が簡素化される。

以上の通りであり、ヒステリシス制御は、リプル幅が一定であり、リプルが安定しているので、高精度な電流出力が重視される用途に向いており、一方、ＰＷＭ制御は、低コストが重視される用途に向いている。

ところで、スイッチング素子Ｓ２は、スイッチング素子Ｓ１より高周波でスイッチングされるため、スイッチングによる損失がスイッチング素子Ｓ１よりも大きくなる。したがって、スイッチング素子Ｓ２は、スイッチング時の損失が大幅に低減できる素子を用いるのが好ましい。例えば、スイッチング素子Ｓ２にはワイドギャップ半導体パワー素子と称されるＳｉＣ（炭化珪素）半導体又はＧａＮ（窒化ガリウム）半導体を用いることで、スイッチング素子Ｓ２のスイッチングによる損失を大幅に低減できる。一方、スイッチング素子Ｓ１は、ＳｉＣ半導体又はＧａＮ半導体よりも低コストで製造できるＳｉ（珪素）半導体によって形成することが好ましい。そうすれば、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２の両方がＳｉＣ半導体又はＧａＮ半導体によって形成される場合に比べて、製造コストを低減できる。
ただし、本発明は他のスイッチング素子、例えば、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ、ＭＯＳ電界効果型トランジスタ（Metal-Oxide-Semiconductor，Filed Effect Transistor）を用いるができる。

以上、本発明を実施形態に基づいて説明したが、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することが可能である。
スイッチング電源回路１０は、スイッチング回路を２つ備えているが、本発明は、３つ以上のスイッチング回路を備えるスイッチング電源回路にも適用することができる。
また、以上では、２つのスイッチング回路３ａ，３ｂをインターリーブ制御する際の動作に焦点を当てて説明しているが、インターリーブ制御するのに加えて、２つのスイッチング回路３ａ，３ｂを個別に動作させてもよい。

１０ スイッチング電源回路
１ 交流電源
２ 整流回路
３ａ，３ｂ スイッチング回路
４ インバータ
５ 制御部
１１，１２ 入力端
１３，１４ 出力端
１５，１６ 導電ライン
Ｌ１，Ｌ２ リアクトル
Ｓ１，Ｓ２ スイッチング素子
Ｄ１，Ｄ２ ダイオード
Ｉ，Ｉ１，Ｉ２ 電流

Claims (4)

1. 第１のリアクトルと、
   前記第１のリアクトルと直列に接続され、アノードを前記第１のリアクトル側に向けて配置される第１のダイオードと、
   前記第１のリアクトルと前記第１のダイオードの間に設けられる第１のスイッチング素子と、を有する第１のスイッチング回路と、
   前記第１のリアクトルよりもインダクタンスが小さい第２のリアクトルと、
   前記第２のリアクトルと直列に接続され、アノードを前記第２のリアクトル側に向けて配置される第２のダイオードと、
   前記第２のリアクトルと前記第２のダイオードの間に設けられる第２のスイッチング素子と、を有する第２のスイッチング回路と、
   前記第１のスイッチング素子と前記第２のスイッチング素子のスイッチング動作を制御する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、
   前記第１のスイッチング素子のスイッチング周波数をｆ１、前記第２のスイッチング素子のスイッチング周波数をｆ２とすると、
   スイッチング周波数ｆ１よりもスイッチング周波数ｆ２が大きくなるように、前記スイッチング動作を制御することで、
   ことを特徴とするスイッチング電源回路。
2. 前記第１のスイッチング素子が珪素半導体によって構成され、
   前記第２のスイッチング素子が炭化珪素半導体又は窒化ガリウム半導体によって構成される、
   請求項１に記載のスイッチング電源回路。
3. 前記制御部は、
   前記第２のリアクトルを流れる電流が、
   前記第１のリアクトルを流れる電流の波形と相似形でかつ１８０度だけ位相差を設けた基準波形に対して、所定のリプル電流幅に収まるように、
   前記第２のスイッチング素子のスイッチング動作を制御する、
   請求項１又は２に記載のスイッチング電源回路。
4. 前記制御部は、
   前記第２のスイッチング素子のスイッチング周波数が、前記第１のスイッチング素子のスイッチング周波数の、２以上の整数倍となるように前記スイッチング動作を制御する、
   請求項１又は２に記載のスイッチング電源回路。

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