JP2019201480A - 電力スイッチング回路 - Google Patents

Abstract

【課題】パルス状の電源電力伝送を行う場合に、スイッチングに伴う電力損失を低減すると共に、放射ノイズを低減すること。【解決手段】電力パケットの生成に用いる電力スイッチング回路６０において、電力スイッチ素子Ｑ１の出力側にコイルＬ１を接続し、ダイオードＤ１とコンデンサＣ１の直列回路を電力スイッチ素子Ｑ１に対して並列に接続する。電力スイッチ素子Ｑ１のターンオン時のＺＣＳ及びターンオフ時のＺＶＳを実現し、スイッチングに伴う電力の損失を低減し、高調波ノイズの発生も防止する。バックコンバータ７０を接続してコンデンサＣ１の蓄積したエネルギーを回収し回生電流ｉ８として再利用する。タイミング生成部８０は、電力スイッチ素子Ｑ１がオンの時にバックコンバータ７０を駆動するゲート制御信号ＳＧ４を生成する。【選択図】図３

Description

本発明は、所望の伝送路に送出可能なパルス状の電源電力を生成する電力スイッチング回路に関する。

一般的に、車両上においては、主電源である車載バッテリやオルタネータ（発電機）と、車両上の様々な箇所に配置されている様々な種類の電装品との間が、電線の集合体であるワイヤハーネスを経由してそれぞれ接続されている。したがって、車載バッテリが蓄積している電力を様々な電装品に電源電力として供給することができる。

一方、電力をパケット化して送配電するための技術が、例えば特許文献１に示されている。特許文献１は、受信した電力パケットの電力を蓄える複数の蓄電部と、受信した電力パケットを複数の蓄電部に振り分けるスイッチ部と、複数の蓄電部が蓄電した電力に基づいて電力パケットを生成する出力部とを有する電力ルータを示している。

国際公開第２０１４／０７７１９１号

ところで、自動車用部品においては、部品およびワイヤハーネスからの放射ノイズが厳しく制限されている。具体的には、国際無線障害特別委員会（ＣＩＳＰＲ）が定めた規格ＣＩＳＰＲ２５（車載受信器の保護のための妨害特性の許容値及び測定法）に従う必要がある。また、車両においては補機のエネルギー損失が厳しく制限され、効率が重視される傾向がある。

例えば、車両に搭載された機器が特許文献１に示されているような電力パケット伝送技術を採用する場合には、直流電力をスイッチングすることにより、パルス状の電力をパケットとして生成し、生成した電力パケットをワイヤハーネスを介して伝送することになる。その場合、大きな電力のスイッチングを周期的に繰り返すことになるので、スイッチングの際に発生する電力損失が大きな問題になる。また、スイッチングの際に発生する高調波成分の影響により、ワイヤハーネスから周波数が高い大きな放射ノイズが発生することが懸念される。

また、スイッチングに伴う放射ノイズを低減するためにソフトスイッチングの技術を採用する場合には、コンデンサに蓄積される電力の影響により、電気エネルギーの損失が増大する可能性がある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、パルス状の電源電力伝送を行う場合に、スイッチングに伴う電力損失を低減すると共に、放射ノイズを低減することが可能な、電力スイッチング回路を提供することにある。

前述した目的を達成するために、本発明に係る電力スイッチング回路は、下記（１）〜（４）を特徴としている。
（１） 所望の伝送路に送出可能なパルス状の電源電力を生成する電力スイッチング回路であって、
電力の通過経路上に接続された少なくとも１つの電力スイッチ素子と、
前記電力スイッチ素子の電力入力側に接続された整流器と、
前記電力スイッチ素子の電力入力側と電力出力側との間に前記整流器を介して接続されたキャパシタと、
前記電力スイッチ素子の電力出力側に接続されたインダクタと、
を備え、
前記キャパシタは、少なくとも前記電力スイッチ素子がターンオフする時の前記電力スイッチ素子への印加電圧の低減に影響し、
前記インダクタは、少なくとも前記電力スイッチ素子がターンオンする時の前記電力スイッチ素子に流れる電流の低減に影響する、
ことを特徴とする電力スイッチング回路。

上記（１）の構成の電力スイッチング回路によれば、パルス状の電源電力を生成するために電力スイッチ素子がターンオフする時の電力スイッチ素子への印加電圧が、キャパシタにより低減される。また、パルス状の電源電力を生成するために電力スイッチ素子がターンオンする時の電力スイッチ素子に流れる電流が、インダクタにより低減される。つまり、パルス状の電源電力を生成する際に、ソフトスイッチングの動作を行うことが可能であり、スイッチングの際に発生する電力損失、および放射ノイズの低減が可能になる。また、整流器はキャパシタからの電流の流出を抑制できる。

（２） 前記キャパシタの端子間に一次側が接続された電力回生部、および前記電力回生部を駆動するタイミング信号を生成するタイミング生成部、を更に備え、
前記電力回生部は、前記キャパシタに蓄積された電力を回収して前記電力スイッチ素子の電力入力側に転送する機能を有し、
前記タイミング生成部は、前記電力スイッチ素子がオンの時に、前記電力回生部を駆動するためのタイミング信号を生成する、
ことを特徴とする上記（１）に記載の電力スイッチング回路。

上記（２）の構成の電力スイッチング回路によれば、キャパシタに蓄積された電力を回生エネルギーとして回収し再利用できるので、キャパシタの影響で発生する電力損失を低減できる。

（３） 前記タイミング生成部は、前記電力スイッチ素子のオンオフ周期に比べて短い周期でオンオフを繰り返す駆動パルスを生成する、
ことを特徴とする上記（２）に記載の電力スイッチング回路。

上記（３）の構成の電力スイッチング回路によれば、電力スイッチ素子のオンオフのタイミングが変化した場合でも、電力スイッチ素子のオン状態の区間で、駆動パルスにより確実にキャパシタに蓄積された電力を回収することが可能になる。

（４） 前記電力スイッチ素子が出力するパルス状の電源電力波形に隣接するタイミングで、該当する電源電力に関連するデジタル情報の信号を付加する情報付加部、を更に備えた、
ことを特徴とする上記（１）乃至（３）のいずれかに記載の電力スイッチング回路。

上記（４）の構成の電力スイッチング回路によれば、デジタル情報を含む電力パケットとして電力を伝送できるので、例えば宛先や種類が異なる電力であっても共通の伝送路を用いて伝送可能になる。また、伝送経路が複雑になると電力パケットの生成を複数回繰り返すことになり電力損失が増大する可能性があるが、キャパシタおよびインダクタがスイッチングに伴う電力損失を低減するので、システム全体の電力損失の増大を抑制できる。

本発明の電力スイッチング回路によれば、パルス状の電源電力伝送を行う場合に、スイッチングに伴う電力損失を低減すると共に、放射ノイズを低減することが可能である。すなわち、電力スイッチ素子がターンオフする時の電力スイッチ素子への印加電圧が、キャパシタにより低減される。また、パルス状の電源電力を生成するために電力スイッチ素子がターンオンする時の電力スイッチ素子に流れる電流が、インダクタにより低減される。

以上、本発明について簡潔に説明した。更に、以下に説明される発明を実施するための形態（以下、「実施形態」という。）を添付の図面を参照して通読することにより、本発明の詳細は更に明確化されるであろう。

図１は、パルス電力伝送システムの主要部の構成例を示すブロック図である。 図２は、送出する電力パケットの構成例を示すタイムチャートである。 図３は、本発明の実施形態における電力スイッチング回路の構成例を示す電気回路図である。 図４は、電力スイッチング回路中の主要な電圧及び電流の波形を示すタイムチャートである。 図５は、電力スイッチ素子がターンオンする時の主要な電圧及び電流の波形を示すタイムチャートである。 図６は、電力スイッチ素子がターンオフする時の主要な電圧及び電流の波形を示すタイムチャートである。 図７は、２つのゲート制御信号ＳＧ３、ＳＧ４の波形を示すタイムチャートである。 図８は、回生電流ｉ８の波形を示すタイムチャートである。 図９は、コンデンサＣ１の端子間電圧Ｖｐ９の波形を示すタイムチャートである。

本発明に関する具体的な実施形態について、各図を参照しながら以下に説明する。

＜システムの構成例＞
本発明の実施形態におけるパルス電力伝送システムの主要部の構成例を図１に示す。

図１に示したパルス電力伝送システムは、車両に搭載され、車載バッテリー等から供給される電源電力を車両上の様々な負荷、すなわち車載電装品に向けて配電するために利用することを想定している。勿論、車載システム以外の用途で利用することも可能であるし、細部の構成については必要に応じて変更することができる。

図１に示したパルス電力伝送システムは、電力パケットを生成するミキサ１０と、電力パケットを配電するルータ３０および３１とを含んでいる。ミキサ１０とルータ３０との間はワイヤハーネスＷ１を介して接続されている。また、ルータ３０の出力側に、ワイヤハーネスＷ２を経由して負荷３３、３４、およびルータ３１が接続されている。

ミキサ１０は、送電パルス生成部１１、ヘッダ生成部１２、電源ライン１６、およびアースライン１７を備えている。また、ミキサ１０の出力端子１０ａ、１０ｂにワイヤハーネスＷ１が接続されている。

送電パルス生成部１１は、電源２１、２２のいずれかから供給される直流の電源電力を選択して周期的にスイッチングし、電力パケットとして電源ライン１６へ供給するパルス状の電源電力を生成する。

なお、複数の電源２１、２２は、例えばメインバッテリーとサブバッテリーのように同じ電圧の電力を出力するものであってもよいし、例えば１２［Ｖ］と４８［Ｖ］のように、互いに異なる電源電圧を出力するものであってもよい。また、必ずしも複数の電源２１、２２を接続する必要はない。

ヘッダ生成部１２は、上位制御部２０が出力する送電指示信号ＳＧ１の指示に従い、該当する電力パケットのタイミングを表すパルスタイミング信号ＳＧ２を生成すると共に、この電力パケットに付加するヘッダのデジタル情報を生成する。ヘッダ生成部１２が生成したパルスタイミング信号ＳＧ２は送電パルス生成部１１に供給され、デジタル情報は電源ライン１６に供給される。パルスタイミング信号ＳＧ２は、電力パケットに含まれるペイロードのタイミングを表す二値信号である。

送電パルス生成部１１は、パルスタイミング信号ＳＧ２のタイミングに同期して、パルス状の電源電力を生成する。送電パルス生成部１１は、パルス状の電源電力を生成する必要があるので、例えば図３に示した構成の電力スイッチング回路６０を内蔵している。この電力スイッチング回路６０については後で説明する。

図１に示したルータ３０は、ダイオード４１、蓄電部４２、ヘッダ抽出部４３、および出力制御部４４を備えている。なお、蓄電部４２をルータ３０の外側に接続してもよい。
ダイオード４１は電流の逆流を防止する。蓄電部４２は、例えば大容量のコンデンサにより構成され、ワイヤハーネスＷ１により伝送された電力パケットから電力を取り出して一時的に蓄積する。

ヘッダ抽出部４３は、ワイヤハーネスＷ１により伝送された電力パケットからヘッダに含まれるデジタル情報を抽出し、このデジタル情報を出力制御部４４に与える。出力制御部４４は、蓄電部４２に蓄積されている電力を必要に応じて取り出し、各負荷３３、３４に供給したり、新たな電力パケットを生成して他のルータ３１に送電することができる。

ルータ３０内の出力制御部４４は、例えば図３に示した電力スイッチング回路６０と同等の機能を搭載している。したがって、蓄電部４２に蓄積されている電力をスイッチングして必要な量の電源電力を各負荷３３、３４に配電したり、新たな電力パケットを生成することができる。ルータ３１の構成はルータ３０と同様である。

例えば、出力制御部４４がヘッダ抽出部４３から取得したヘッダのデジタル情報の中に、当該電力を消費する宛先の情報が含まれている場合には、出力制御部４４はこの宛先に応じて負荷３３、３４、およびルータ３１のいずれかを選択することができる。また、例えば電源電圧の種類（１２、４８［Ｖ］など）を表す送電電力情報が含まれている場合には、該当する電源電圧を必要とする負荷に対して選択的に電力を供給したり、適切な配電先の経路を選択することができる。

＜電力パケットの構成例＞
図１に示したミキサ１０がワイヤハーネスＷ１に送出する電力パケットの構成例を図２に示す。なお、ルータ３０がワイヤハーネスＷ２に送出する電力パケットも図２と同様である。

図２に示した例では、電力パケット５０はヘッダ５１およびペイロード５２により構成されている。
ペイロード５２は、下流側に供給する電源電力を格納する領域を表す。ヘッダ５１は、この電力パケット５０の先頭に配置されており、このパケットを管理する上で必要なデジタル情報を格納する領域を表す。ペイロード５２はヘッダ５１の後方に配置されている。なお、例えばペイロード５２の後方にフッタの領域を付加してもよい。

図１に示した送電パルス生成部１１は、各電力パケット５０のペイロード５２の内側のタイミングで、パルス状の電源電力を電源ライン１６に送出する。また、ヘッダ生成部１２は、各電力パケット５０のヘッダ５１のタイミングで、必要なデジタル情報を電源ライン１６に送出する。

図２の例では、ヘッダ５１の中に同期信号５１ａ、宛先情報５１ｂ、および送電電力情報５１ｃが含まれている。同期信号５１ａは、例えば下流側のルータ３０が電力パケット５０の先頭のタイミングを正確に把握するために利用される。宛先情報５１ｂは、例えば該当する電力パケット５０で伝送した電力を消費すべき特定の負荷や配電経路などを特定可能な識別子である。送電電力情報５１ｃは、例えば該当する電力パケット５０で伝送する電源電力の種類（１２、４８［Ｖ］など）を表す情報を伝送するために利用される。

＜電力スイッチング回路の構成＞
本発明の実施形態における電力スイッチング回路６０の構成例を図３に示す。
−＜基本的な構成の説明＞
図３に示した電力スイッチング回路６０は、電源２１、２２から供給される直流電力からパルス状の電源電力波形を生成するために、各タイミングで出力端子１０ａ、１０ｂに出力する電力のオンオフを切り替える電力スイッチ素子Ｑ１を内蔵している。図３の例では、電力スイッチ素子Ｑ１として、高電力のスイッチングが可能なＭＯＳ型の電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）デバイスを採用している。

電力スイッチング回路６０が生成するパルス状の電力波形（ペイロード５２）に同期したタイミングを表すゲート制御信号ＳＧ３を、図１に示したパルスタイミング信号ＳＧ２に従って信号発生器６１が発生する。

このゲート制御信号ＳＧ３は、ゲートドライバ６２を介して電力スイッチ素子Ｑ１のゲート端子に印加される。したがって、電力スイッチ素子Ｑ１は二値信号である送電指示信号ＳＧ１のオンオフに同期して、パルス状に時分割制御された波形の電力を生成する。

電力スイッチ素子Ｑ１がオフの時には、そのドレイン−ソース端子間が非導通になり、電源ライン６３Ａ、６３Ｂの間が遮断され、電源ライン６３Ｂを流れる電流ｉ１の値が０になる。また、電力スイッチ素子Ｑ１がオンの時には、そのドレイン−ソース端子間が導通状態になるので、電源２１、２２から供給される電力が出力側に供給され、電源ライン６３Ｂに電流ｉ１が流れる。

図３に示した例では、電力スイッチ素子Ｑ１の出力側に、抵抗器Ｒ１およびダイオードＤ５が並列に接続されている。なお、出力端子１０ａ、１０ｂに接続されているインダクタンス成分Ｌ３、コンデンサＣ２、および抵抗成分Ｒ２は、ワイヤハーネスＷ１の電気特性や、負荷側の電気特性に相当する。

−＜電力スイッチ素子Ｑ１のスイッチングに伴う課題の説明＞
一般的な構成を採用した場合を想定すると、電力スイッチ素子Ｑ１がオフからオンに切り替わる時（ターンオン時）には、電力スイッチ素子Ｑ１のドレイン−ソース端子間に電圧（Ｖｐ１）が印加されている状態で電流（ｉ１）が流れ始める。そして、電力スイッチ素子Ｑ１が導通状態になると電力スイッチ素子Ｑ１のドレイン−ソース端子間の電圧（Ｖｐ１）が０に近づく。

したがって、ターンオン時には、電圧と電流の積で表される比較的大きな電力が電力スイッチ素子Ｑ１自体に印加されることになり、これが電力損失として電力スイッチ素子Ｑ１により消費される。つまり、出力側に接続される負荷とは無関係な電力スイッチ素子Ｑ１自身の電力消費により電力効率が低下する。また、電流ｉ１が流れている状態で電圧Ｖｐ１が切り替わるので、ターンオン時に比較的高電力の高調波ノイズが発生する原因となる。

また、一般的な構成を採用した場合を想定すると、電力スイッチ素子Ｑ１がオンからオフに切り替わる時（ターンオフ時）には、電力スイッチ素子Ｑ１のドレイン−ソース端子間の電圧Ｖｐ１が上昇を始めた後で、電流ｉ１が徐々に遮断される。そして、電力スイッチ素子Ｑ１が完全に非導通状態になると、電力スイッチ素子Ｑ１のドレイン−ソース端子間の電圧Ｖｐ１が最大になり、電流ｉ１は０になる。

したがって、ターンオフ時にも、電圧と電流の積で表される比較的大きな電力が電力スイッチ素子Ｑ１自体に印加されることになり、これが電力損失として電力スイッチ素子Ｑ１により消費され、電力効率が低下する。また、電圧Ｖｐ１が大きい状態で電流ｉ１が変化するので、ターンオフ時に比較的高電力の高周波ノイズが発生する原因となる。

−＜追加された構成要素の説明＞
図３に示した電力スイッチング回路６０は、電力スイッチ素子Ｑ１のターンオン時の課題およびターンオフ時の課題をそれぞれ解決するための構成要素を備えている。

すなわち、図３に示すように、電力スイッチ素子Ｑ１の入力側の電源ライン６３Ａと、出力側の電源ライン６３Ｂとの間に、ダイオードＤ１とコンデンサＣ１の直列回路が接続されている。また、電源ライン６３ＢにコイルＬ１が接続されている。ダイオードＤ１は、アノード端子が電源ライン６３Ａに接続され、カソード端子がコンデンサＣ１の一端と接続されている。

つまり、電流ｉ１の通過経路に対して、コンデンサＣ１は電力スイッチ素子Ｑ１と並列になるようにダイオードＤ１を介して接続されている。また、コイルＬ１は電力スイッチ素子Ｑ１と直列になるように接続されている。これらの構成要素（Ｃ１、Ｄ１、Ｌ１）は、電力スイッチ素子Ｑ１のターンオン時にＺＣＳ（ゼロ・カレント・スイッチング）を実現すると共に、電力スイッチ素子Ｑ１のターンオフ時にＺＶＳ（ゼロ・ボルト・スイッチング）を実現するための機能を有している。

具体的には、コイルＬ１のインダクタンスによる共振機能の影響により、電力スイッチ素子Ｑ１のターンオン時に、電力スイッチ素子Ｑ１を流れる電流ｉ１が０に近い状態で、電力スイッチ素子Ｑ１のドレイン−ソース端子間の電圧Ｖｐ１が「高」から「低」に切り替わる状態になる。これにより、電力スイッチ素子Ｑ１のターンオン時に、電力スイッチ素子Ｑ１自身がほとんど電力を消費しない状態になり、高調波ノイズも抑制される。

また、コンデンサＣ１のキャパシタンスによる共振機能の影響により、電力スイッチ素子Ｑ１のターンオフ時に、電力スイッチ素子Ｑ１のドレイン−ソース端子間の電圧Ｖｐ１が０に近い状態で、電力スイッチ素子Ｑ１を流れる電流ｉ１が遮断される状態になる。これにより、電力スイッチ素子Ｑ１のターンオフ時に、電力スイッチ素子Ｑ１自身がほとんど電力を消費しない状態になり、高調波ノイズも抑制される。

なお、ダイオードＤ１は、コンデンサＣ１から電源ライン６３Ａ側に電流が逆流してコンデンサＣ１が放電するのを防止する。
電力スイッチ素子Ｑ１におけるターンオン時のＺＣＳ、およびターンオフ時のＺＶＳを実現するために、コンデンサＣ１の静電容量、およびコイルＬ１のインダクタンスは例えば、回路シミュレータを用いて最適な値が選択される。

−＜電気エネルギーの回生の必要性＞
図３に示した電力スイッチング回路６０において、追加されたコンデンサＣ１は、電力スイッチ素子Ｑ１がオフの時に、次式に示す電力Ｐｃの電気エネルギーを蓄積している。
Ｐｃ＝（１／２）・Ｃ・Ｖ２
Ｃ：コンデンサＣ１の静電容量
Ｖ：コンデンサＣ１の端子間電圧Ｖｐ９

したがって、コンデンサＣ１が蓄積した電気エネルギーをそのまま自然に放電させると電力Ｐｃの損失が発生し、全体の電力効率が低下する。そこで、コンデンサＣ１から蓄積された電気エネルギーを回収して回生電力として再利用することにより、電力効率を改善することが可能になる。

−＜電気エネルギーの回生のために追加された構成要素の説明＞
図３に示した電力スイッチング回路６０は、バックコンバータ７０およびタイミング生成部８０を備えている。

バックコンバータ７０は、コンデンサＣ１から蓄積された電気エネルギーを回収し、再利用できる回生電力に変換し、電力スイッチ素子Ｑ１の入力側の電源ライン６３Ａに供給する。また、タイミング生成部８０は、バックコンバータ７０が正しく動作するために必要なタイミングを表すゲート制御信号ＳＧ４を生成し、この信号をバックコンバータ７０に供給する。

図３に示したバックコンバータ７０は、絶縁トランスＴ１、アシストスイッチＱ２、ダイオードＤ３、およびＤ４を備えている。
アシストスイッチＱ２はＭＯＳ型の電界効果トランジスタで構成されている。アシストスイッチＱ２のゲート端子には、制御ライン６９を経由して二値信号であるゲート制御信号ＳＧ４が印加される。

アシストスイッチＱ２は、ゲート制御信号ＳＧ４に従って周期的にオンオフし、コンデンサＣ１の２つの端子から電力回生用ライン６７、６８を介して回収した電気エネルギーを絶縁トランスＴ１の一次側巻線に間欠的に供給する。これにより、絶縁トランスＴ１の二次側巻線に交流電力が誘起する。

絶縁トランスＴ１の二次側巻線に発生する交流電力は、ダイオードＤ３、Ｄ４により整流されて直流電力になり、コイルＬ２を介して電力スイッチ素子Ｑ１の入力側の電源ライン６３Ａおよびアースライン６４に回生電流ｉ８として供給される。

図３に示したタイミング生成部８０は、信号発生器８１、コンパレータ８２、インバータ８３、ＡＮＤゲート８４、および８５を備えている。
信号発生器８１は、電力スイッチ素子Ｑ１のスイッチング周波数（例えば７００［ｋＨｚ］）に比べて十分に高い周波数（例えば３［ＭＨｚ］）のパルス信号ＳＧ５を連続的に生成する。

タイミング生成部８０は、信号発生器６１が出力するゲート制御信号ＳＧ３と、信号発生器８１が出力するパルス信号ＳＧ５とに基づいて、バックコンバータ７０を駆動するために必要なゲート制御信号ＳＧ４のタイミングを生成する。

タイミング生成部８０が生成したゲート制御信号ＳＧ４は、ゲートドライバ６６および制御ライン６９を介してバックコンバータ７０内のアシストスイッチＱ２のゲート端子に印加される。

このゲート制御信号ＳＧ４により、アシストスイッチＱ２は、電力スイッチ素子Ｑ１のドレイン−ソース端子間が導通している各期間内のタイミングで、周期的にオンオフを繰り返し、絶縁トランスＴ１の一次側巻線に交流電力を供給する。電力スイッチ素子Ｑ１がオフのタイミングでは、アシストスイッチＱ２がオフになり、コンデンサＣ１からの電気エネルギーの回収は停止する。

＜電力スイッチング回路６０の動作例＞
図３に示した電力スイッチング回路６０における主要な電圧及び電流の波形の例を図４に示す。すなわち、電力スイッチ素子Ｑ１のドレイン−ソース端子間の電圧Ｖｐ１、および電源ライン６３Ｂに流れる電流ｉ１の波形が図４に示されている。

図４に示した例では、各時刻ｔ０１、ｔ０３、ｔ０５、・・・で電力スイッチ素子Ｑ１がターンオンし、各時刻ｔ０２、ｔ０４、ｔ０６、・・・で電力スイッチ素子Ｑ１がターンオフし、同様の動作を周期的に繰り返す。つまり、時刻ｔ０１〜ｔ０２、ｔ０３〜ｔ０４、ｔ０５〜ｔ０６の間はそれぞれ電力スイッチ素子Ｑ１がオン（ドレイン−ソース端子間が導通状態）であり、時刻ｔ０２〜ｔ０３、ｔ０４〜ｔ０５の間はそれぞれ電力スイッチ素子Ｑ１がオフ（ドレイン−ソース端子間が非導通状態）である。

したがって、電力スイッチ素子Ｑ１のドレイン−ソース端子間の電圧Ｖｐ１は、時刻ｔ０１〜ｔ０２、ｔ０３〜ｔ０４、ｔ０５〜ｔ０６の間はほぼ０［Ｖ］であり、時刻ｔ０２〜ｔ０３、ｔ０４〜ｔ０５の間は高電圧（例えば５０［Ｖ］）になる。

また、電源ライン６３Ｂに流れる電流ｉ１は、時刻ｔ０２〜ｔ０３、ｔ０４〜ｔ０５の間は０［Ａ］であり、時刻ｔ０１〜ｔ０２、ｔ０３〜ｔ０４、ｔ０５〜ｔ０６の間にコンデンサＣ１などの部品の時定数の影響を受けながら指数関数的に変動する。

ここで、電力スイッチ素子Ｑ１がターンオンする時の動作を確認するために、図４に示した時刻ｔ０１付近の領域Ｐ０１に注目する。また、この領域Ｐ０１の近傍を拡大した状態を図５に示す。

図５に示した例では、時刻ｔ０１において、電流ｉ１はほぼ０［Ａ］であり、電圧Ｖｐ１はまだ高電圧である。そして、この状態で電力スイッチ素子Ｑ１がオンに切り替わり、電圧Ｖｐ１が高電圧から０［Ｖ］近傍まで低下した後で、電流ｉ１が上昇を開始している。つまり、電圧Ｖｐ１が高い状態と、電流ｉ１が流れている状態とが時間的に重ならないので、ターンオンの時にＺＣＳが成立し、電力スイッチ素子Ｑ１自身が消費する電力（Ｖｐ１×ｉ１）の損失がほぼ０になる。また、高調波ノイズも発生しない。

次に、電力スイッチ素子Ｑ１がターンオフする時の動作を確認するために、図４に示した時刻ｔ０２付近の領域Ｐ０２に注目する。また、この領域Ｐ０２の近傍を拡大した状態を図６に示す。

図６に示した例では、時刻ｔ０２において、電圧Ｖｐ１がほぼ０［Ｖ］であり、この状態で電力スイッチ素子Ｑ１がオフに切り替わり、電流ｉ１が遮断されて０［Ａ］になっている。つまり、電圧Ｖｐ１が高い状態と、電流ｉ１が流れている状態とが時間的に重ならないので、ターンオフの時にＺＶＳが成立し、電力スイッチ素子Ｑ１自身が消費する電力（Ｖｐ１×ｉ１）の損失がほぼ０になる。また、高調波ノイズも発生しない。

２つのゲート制御信号ＳＧ３、ＳＧ４の波形を図７に示す。
電力スイッチ素子Ｑ１は、ゲート制御信号ＳＧ３の電圧が高い時にオンになり、この電圧が低い時にオフになる。また、アシストスイッチＱ２は、ゲート制御信号ＳＧ４の電圧が高い時にオンになり、この電圧が低い時にオフになる。

図７に示すように、ゲート制御信号ＳＧ３の電圧が低い時には、ゲート制御信号ＳＧ４の電圧も低くなる。したがって、電力スイッチ素子Ｑ１がオフの時にはアシストスイッチＱ２もオフになる。また、ゲート制御信号ＳＧ３の電圧が高い各区間において、ゲート制御信号ＳＧ４は、電圧が高い状態と低い状態とを短い周期で繰り返す。

また、図３に示した電力スイッチング回路６０においては、電力スイッチ素子Ｑ１がオンになった時に、電圧Ｖｐ１が０［Ｖ］に近い値になる。この時、コンデンサＣ１に電気エネルギーが蓄積されているので、コンデンサＣ１の端子間電圧Ｖｐ９は高い状態であり、「Ｖｐ１＜Ｖｐ９」になるが、ダイオードＤ１が存在するのでコンデンサＣ１から電源ライン６３Ａに向かって電流が流れることはない。

そして、電力スイッチ素子Ｑ１がオンになった時に、アシストスイッチＱ２がオンオフを繰り返すので、コンデンサＣ１に蓄積された電荷により、電力回生用ライン６７、６８、およびアシストスイッチＱ２を介して絶縁トランスＴ１の一次側巻線に間欠的に電流が流れる。更に、トランスＴ１の二次側巻線に誘起する交流電力により回生電流ｉ８が生成される。つまり、コンデンサＣ１が蓄積している電気エネルギーがバックコンバータ７０で回収され、回生電流ｉ８として再利用される。

バックコンバータ７０から出力される回生電流ｉ８の波形を図８に示す。また、コンデンサＣ１の端子間電圧Ｖｐ９の波形を図９に示す。

図８に示した波形から分かるように、周期的に回生電流ｉ８が発生している。また、図９に示した波形から分かるように、コンデンサＣ１の端子間電圧Ｖｐ９は、電圧が高い状態と低い状態とを周期的に繰り返すように変化している。つまり、電力スイッチ素子Ｑ１がオフの時にコンデンサＣ１の端子間電圧Ｖｐ９が高くなって電気エネルギーが蓄積され、蓄積された電気エネルギーが電力スイッチ素子Ｑ１がオンの時に放出されている。コンデンサＣ１が放出した電気エネルギーがバックコンバータ７０で回収された結果として、図８に示した波形のような回生電流ｉ８が発生する。したがって、コンデンサＣ１が蓄積した電気エネルギーは、損失として無駄に消費されることはなく、回生電流ｉ８として再利用されるので、電力効率の改善に寄与することとなる。

＜電力スイッチング回路６０の利点＞
図３に示した電力スイッチング回路６０のように、電力スイッチ素子Ｑ１をソフトスイッチングで制御するために、ダイオードＤ１、コンデンサＣ１、コイルＬ１を接続することにより、電力スイッチ素子Ｑ１がターンオンする時のＺＣＳ、及びターンオフする時のＺＶＳを実現できる。これにより、スイッチングに伴う電力スイッチ素子Ｑ１の電力損失を大幅に低減すると共に、高調波ノイズの発生を防止できる。

特に、車載用として構成される図１に示したようなミキサ１０やルータ３０、３１内に電力スイッチング回路６０を搭載する場合には、ワイヤハーネスＷ１、Ｗ２からの放射ノイズの低減に効果的である。また、複数のルータ３０、３１を経由して電力パケットを伝送する場合には、電力パケットの生成を複数回繰り返すことになるため、パケット生成に伴う電力損失増大が懸念されるが、電力スイッチング回路６０の採用により問題を解消できる。

なお、図３に示したバックコンバータ７０やタイミング生成部８０の構成については、必要に応じて変更することができる。例えば、図３のバックコンバータ７０は絶縁型であるが、非絶縁型の構成に変更してもよい。

ここで、上述した本発明の実施形態に係る電力スイッチング回路の特徴をそれぞれ以下［１］〜［４］に簡潔に纏めて列記する。
［１］ 所望の伝送路（ワイヤハーネスＷ１、Ｗ２）に送出可能なパルス状の電源電力を生成する電力スイッチング回路（６０）であって、
電力の通過経路上に接続された少なくとも１つの電力スイッチ素子（Ｑ１）と、
前記電力スイッチ素子の電力入力側（電源ライン６３Ａ）に接続された整流器（ダイオードＤ１）と、
前記電力スイッチ素子の電力入力側と電力出力側（電源ライン６３Ｂ）との間に前記整流器を介して接続されたキャパシタ（コンデンサＣ１）と、
前記電力スイッチ素子の電力出力側に接続されたインダクタ（コイルＬ１）と、
を備え、
前記キャパシタは、少なくとも前記電力スイッチ素子がターンオフする時の前記電力スイッチ素子への印加電圧の低減に影響し（図５参照）、
前記インダクタは、少なくとも前記電力スイッチ素子がターンオンする時の前記電力スイッチ素子に流れる電流の低減に影響する（図６参照）、
ことを特徴とする電力スイッチング回路。

［２］ 前記キャパシタの端子間に一次側が接続された電力回生部（バックコンバータ７０）、および前記電力回生部を駆動するタイミング信号を生成するタイミング生成部（８０）、を更に備え、
前記電力回生部は、前記キャパシタに蓄積された電力を回収して前記電力スイッチ素子の電力入力側に転送する機能を有し、
前記タイミング生成部は、前記電力スイッチ素子がオンの時に、前記電力回生部を駆動するためのタイミング信号（ゲート制御信号ＳＧ４）を生成する（図７参照）、
ことを特徴とする上記［１］に記載の電力スイッチング回路。

［３］ 前記タイミング生成部は、前記電力スイッチ素子のオンオフ周期に比べて短い周期でオンオフを繰り返す駆動パルスを生成する（図７参照）、
ことを特徴とする上記［２］に記載の電力スイッチング回路。

［４］ 前記電力スイッチ素子が出力するパルス状の電源電力波形（ペイロード５２）に隣接するタイミングで、該当する電源電力に関連するデジタル情報の信号（ヘッダ５１）を付加する情報付加部（ヘッダ生成部１２）、を更に備えた、
ことを特徴とする上記［１］乃至［３］のいずれかに記載の電力スイッチング回路。

１０ ミキサ
１０ａ，１０ｂ 出力端子
１１ 送電パルス生成部
１２ ヘッダ生成部
１６ 電源ライン
１７ アースライン
２０ 上位制御部
２１，２２ 電源
３０，３１ ルータ
３３，３４ 負荷
４１ ダイオード
４２ 蓄電部
４３ ヘッダ抽出部
４４ 出力制御部
５０ 電力パケット
５１ ヘッダ
５１ａ 同期信号
５１ｂ 宛先情報
５１ｃ 送電電力情報
５２ ペイロード
６０ 電力スイッチング回路
６１，８１ 信号発生器
６２，６６ ゲートドライバ
６３Ａ，６３Ｂ，６５ 電源ライン
６４ アースライン
６７，６８ 電力回生用ライン
６９ 制御ライン
７０ バックコンバータ
８０ タイミング生成部
８２ コンパレータ
８３ インバータ
８４，８５ ＡＮＤゲート
Ｑ１ 電力スイッチ素子
Ｃ１，Ｃ２ コンデンサ
Ｌ１，Ｌ２ コイル
Ｌ３ インダクタンス成分
Ｒ１ 抵抗器
Ｒ２ 抵抗成分
Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４，Ｄ５ ダイオード
Ｔ１ 絶縁トランス
ＳＧ１ 送電指示信号
ＳＧ２ パルスタイミング信号
ＳＧ３，ＳＧ４ ゲート制御信号
Ｗ１，Ｗ２ ワイヤハーネス

Claims (4)

1. 所望の伝送路に送出可能なパルス状の電源電力を生成する電力スイッチング回路であって、
   電力の通過経路上に接続された少なくとも１つの電力スイッチ素子と、
   前記電力スイッチ素子の電力入力側に接続された整流器と、
   前記電力スイッチ素子の電力入力側と電力出力側との間に前記整流器を介して接続されたキャパシタと、
   前記電力スイッチ素子の電力出力側に接続されたインダクタと、
   を備え、
   前記キャパシタは、少なくとも前記電力スイッチ素子がターンオフする時の前記電力スイッチ素子への印加電圧の低減に影響し、
   前記インダクタは、少なくとも前記電力スイッチ素子がターンオンする時の前記電力スイッチ素子に流れる電流の低減に影響する、
   ことを特徴とする電力スイッチング回路。
2. 前記キャパシタの端子間に一次側が接続された電力回生部、および前記電力回生部を駆動するタイミング信号を生成するタイミング生成部、を更に備え、
   前記電力回生部は、前記キャパシタに蓄積された電力を回収して前記電力スイッチ素子の電力入力側に転送する機能を有し、
   前記タイミング生成部は、前記電力スイッチ素子がオンの時に、前記電力回生部を駆動するためのタイミング信号を生成する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の電力スイッチング回路。
3. 前記タイミング生成部は、前記電力スイッチ素子のオンオフ周期に比べて短い周期でオンオフを繰り返す駆動パルスを生成する、
   ことを特徴とする請求項２に記載の電力スイッチング回路。
4. 前記電力スイッチ素子が出力するパルス状の電源電力波形に隣接するタイミングで、該当する電源電力に関連するデジタル情報の信号を付加する情報付加部、を更に備えた、
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の電力スイッチング回路。

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