JP2019205321A - 直流電圧変換回路、及び電源システム - Google Patents

直流電圧変換回路、及び電源システム Download PDF

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Daiji Yamashita
大之 山下
正和 杉山
Masakazu Sugiyama
正和 杉山
克彦 津野
Katsuhiko Tsuno
克彦 津野
佳代 小池
Yoshiyo Koike
佳代 小池
藤井　克司
Katsushi Fujii
克司 藤井
和田　智之
Tomoyuki Wada
智之 和田
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Abstract

【課題】簡素な構成及び制御で直流電圧を変換することが可能な直流電圧変換回路等を提供する。【解決手段】直流電圧変換回路１は、直流電圧選択回路１０と、インダクタ３０と、整流回路２０と、制御回路１００と、を備える。直流電圧選択回路１０は、互いに異なる複数の直流電圧Ｖ１〜ＶＮが供給される複数の電圧入力部ＴＭ１〜ＴＭＮを時分割で合流ノードＮＤＭに電気的に接続する。インダクタ３０は、合流ノードＮＤＭと電圧出力部ＴＭｏｕｔとの間に接続される。整流回路２０は、基準電圧Ｖｒｅｆが供給される基準ノードＮＤｒｅｆと合流ノードＮＤＭとの間に接続される。【選択図】図１

Description

本発明は、直流電圧変換回路、及び電源システムに関する。
近年、化石エネルギーや原子力エネルギーの代替エネルギーとして、太陽光、風力、波力、バイオマス、地熱等を利用した発電エネルギーや水素エネルギーなどの再生可能エネルギーが注目されている。それにより、このような各種のエネルギーを利用した発電装置の多様化が進んでいる。
発電装置の多様化は、発電電力（発電電圧、発電電流）レベルやその安定性の多様化を招くため、発電装置により得られた電圧を所望の電圧に変換することが可能な電圧変換回路の重要性が増大している。
電圧変換回路のうち例えば直流（Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｕｒｒｅｎｔ：ＤＣ）電圧を電圧変換するＤＣ／ＤＣコンバータは、様々な装置に搭載されている。例えば、太陽電池を用いた発電を行う発電装置、風力を用いた発電を行う発電装置、燃料電池を用いた発電を行う発電装置、ハイブリッド自動車等には、ＤＣ／ＤＣコンバータが搭載されている。
このようなＤＣ／ＤＣコンバータに関する技術は、いくつか提案されている。例えば、特許文献１には、ＦＣＢＢ（ｆｏｒｗａｒｄ−ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ−ｂｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ−ｂｌｏｃｋｉｎｇ）スイッチを用いて複数の直流電圧から所望の直流電圧を生成するＤＣ／ＤＣコンバータが開示されている。例えば、特許文献２には、双方向スイッチを用いて複数の直流電圧から所望の直流電圧を生成するＤＣ／ＤＣコンバータが開示されている。
米国特許第７２２７２７７号明細書 米国特許出願公開第２０１０／０１４８５８７号明細書
しかしながら、特許文献１及び特許文献２に開示された手法では、複数の直流電圧を供給するための複数のＦＣＢＢスイッチや複数の双方向スイッチを一斉に導通状態にした後、いくつかのスイッチを順次に非導通状態になるようにスイッチ制御が行われる。
この場合、複数のＦＣＢＢスイッチ等が導通状態である期間では、最も高い直流電圧を出力する直流電源だけがＤＣ／ＤＣコンバータにエネルギー供給を行う。従って、複数の直流電圧の高低が変化すると、複数のＦＣＢＢスイッチや複数の双方向スイッチの制御方法を変更する必要がある。その結果、複数の直流電圧を監視する必要があり、ＤＣ／ＤＣコンバータの構成や制御が複雑になる。
本発明は、このような事情を鑑みてなされたものであり、その目的は、簡素な構成及び制御で直流電圧を変換することが可能な直流電圧変換回路、及び電源システムを提供することにある。
いくつかの実施形態の第１態様では、直流電圧変換装置は、互いに異なる複数の直流電圧が供給される複数の電圧入力部を時分割で合流ノードに電気的に接続する直流電圧選択回路と、前記合流ノードと電圧出力部との間に接続されたインダクタと、基準電圧が供給される基準ノードと前記合流ノードとの間に接続された整流回路と、を含む。
いくつかの実施形態に係る第２態様では、第１態様において、前記直流電圧選択回路は、前記複数の電圧入力部のそれぞれと前記合流ノードとの間に接続された複数のスイッチ回路を含み、前記複数のスイッチ回路の少なくとも１つは、前記電圧入力部と第１ノードとの間に接続されたスイッチ素子と、前記第１ノードと前記合流ノードとの間に接続され、前記合流ノードから前記第１ノードに向かう逆電流の発生を防止する逆電流防止素子と、を含む。
いくつかの実施形態に係る第３態様では、第２態様において、前記複数のスイッチ回路の少なくとも１つは、前記電圧入力部にドレインが接続され、前記第１ノードにソースが接続された第１電界効果トランジスタと、前記第１ノードにソースが接続され、前記合流ノードにドレインが接続された第２電界効果トランジスタと、を含み、前記第２電界効果トランジスタは、ソースとドレインとの間に形成されたボディダイオードを含む。
いくつかの実施形態に係る第４態様では、第３態様において、前記複数のスイッチ回路のそれぞれは、前記第１電界効果トランジスタと前記第２電界効果トランジスタとを含み、各スイッチ回路の前記第１電界効果トランジスタのゲート信号及び前記第２電界効果トランジスタのゲート信号のパルス幅を制御することにより前記複数のスイッチ回路のスイッチ制御を行う制御回路を含む。
いくつかの実施形態に係る第５態様は、第１態様〜第３態様のいずれかにおいて、前記インダクタの出力側端子にアノードが接続され、前記電圧出力部にカソードが接続された昇圧用ダイオードと、前記出力側端子と前記基準ノードとの間に接続された昇圧用スイッチ回路と、を含む。
いくつかの実施形態に係る第６態様では、第５態様において、前記昇圧用スイッチ回路は、前記基準ノードにソースが接続され、前記出力側端子にドレインが接続された電界効果トランジスタを含む。
いくつかの実施形態に係る第７態様は、第５態様又は第６態様において、パルス幅制御により前記複数のスイッチ回路のスイッチ制御を行うと共に、昇圧比に対応したデューティ比を有する制御信号に基づいて前記昇圧用スイッチ回路のスイッチ制御を行う制御回路を含む。
いくつかの実施形態に係る第８態様では、第１態様〜第７態様のいずれかにおいて、前記整流回路は、前記基準ノードにアノードが接続され、前記合流ノードにカソードが接続されたダイオードを含む。
いくつかの実施形態に係る第９態様では、電源システムは、第１発電装置から出力された第１直流電圧を所定の電圧に変換する電圧変換回路と、前記第１直流電圧と第２発電装置から出力された第２直流電圧とに基づいて生成された直流電圧を負荷に供給する第１態様〜第８態様のいずれかに記載の直流電圧変換回路と、を含み、前記第２発電装置は、前記電圧変換回路から電気エネルギーを受けた電気分解装置による電気分解によって生成された化学物質を用いた電気化学反応により前記第２直流電圧を生成する。
いくつかの実施形態に係る第１０態様は、第９態様において、更に、前記第１発電装置、前記第２発電装置、及び前記電気分解装置のうち少なくとも１つを含む。
いくつかの実施形態に係る第１１態様では、第９態様又は第１０態様において、前記第１発電装置は、光電池を含み、前記第２発電装置は、燃料電池を含み、前記電気分解装置は、水電解装置であり、前記化学物質は、水素である。
本発明によれば、簡素な構成及び制御で直流電圧を変換することが可能な直流電圧変換回路、及び電源システムを提供することが可能になる。
実施形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータの原理的構成例を示す概略図である。 実施形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータの第１構成例を示す概略図である。 実施形態の第１構成例に係るＤＣ／ＤＣコンバータの制御タイミングの一例を示す概略図である。 実施形態の第１構成例に係るＤＣ／ＤＣコンバータの動作シミュレーションの一例を示す概略図である。 実施形態の第１構成例に係るＤＣ／ＤＣコンバータの動作シミュレーションの一例を示す概略図である。 実施形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータの第２構成例を示す概略図である。 実施形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータの第３構成例を示す概略図である。 実施形態の第３構成例に係るＤＣ／ＤＣコンバータの制御タイミングの一例を示す概略図である。 実施形態の第３構成例に係るＤＣ／ＤＣコンバータの動作シミュレーションの一例を示す概略図である。 実施形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータの第４構成例を示す概略図である。 実施形態の第４構成例に係るＤＣ／ＤＣコンバータの制御タイミングの一例を示す概略図である。 実施形態の第４構成例に係るＤＣ／ＤＣコンバータの動作シミュレーションの一例を示す概略図である。 実施形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータの第５構成例を示す概略図である。 実施形態の第５構成例に係るＤＣ／ＤＣコンバータの動作シミュレーションの一例を示す概略図である。 実施形態に係る電源システムの構成例を示す概略図である。
この発明に係る直流電圧変換回路、及び電源システムの実施形態の例について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、この明細書において引用された文献の記載内容や任意の公知技術を、以下の実施形態に援用することが可能である。
実施形態に係る直流電圧変換回路は、互いに異なる複数の直流電圧に基づいて合成電圧を生成し、生成された合成電圧を降圧又は昇圧することにより所望の電圧を出力することが可能である。実施形態に係る電源システムは、実施形態に係る直流電圧変換回路を含み、複数の発電装置から供給された電圧に基づいて所望の電圧を生成し、生成された電圧を負荷に供給することが可能である。
以下、実施形態に係る直流電圧変換回路が適用されたＤＣ／ＤＣコンバータと、実施形態に係る電源システムが適用されたエネルギーシステムについて説明する。
＜ＤＣ／ＤＣコンバータ＞
図１に、実施形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータの原理的構成例の概略図を示す。
ＤＣ／ＤＣコンバータ１は、複数の電圧入力端子ＴＭ０〜ＴＭＮ（Ｎは２以上の整数）と、電圧出力端子ＴＭｏｕｔと、キャパシタＣ１〜ＣＮ、Ｃｏｕｔと、直流電圧選択回路１０と、整流回路２０と、インダクタ３０と、制御回路１００とを含む。
ＤＣ／ＤＣコンバータ１には、複数の直流電源から互いに異なる複数の直流電圧が供給される。いくつかの実施形態において、複数の直流電源は、互いに電流電圧特性が異なる。電圧入力端子ＴＭ１には、図示しない第１直流電源からの直流電圧Ｖ１が供給される。
電圧入力端子ＴＭ２には、第１直流電源と異なる電流電圧特性を有する第２直流電源からの直流電圧Ｖ２が供給される。電圧入力端子ＴＭＮには、第１直流電源〜第（Ｎ−１）直流電源と異なる電流電圧特性を有する第Ｎ直流電源からの直流電圧ＶＮが供給される。電圧入力端子ＴＭ０には、基準電圧Ｖｒｅｆとしての接地電圧ＧＮＤが供給される
ＤＣ／ＤＣコンバータ１は、複数の電圧入力端子ＴＭ１〜ＴＭＮに供給された複数の直流電圧Ｖ１〜ＶＮを時分割で合流ノードＮＤＭに出力することにより生成された合成電圧を降圧する。
電圧出力端子ＴＭｏｕｔには、例えば、図示しない負荷が接続される。複数の直流電圧Ｖ１〜ＶＮの合成電圧を降圧することにより生成された出力電圧Ｖｏｕｔは、電圧出力端子ＴＭｏｕｔを介して負荷に供給される。
キャパシタＣ１〜ＣＮは、入力電圧（直流電圧Ｖ１〜ＶＮ）を保持するための容量素子である。すなわち、キャパシタＣ１〜ＣＮは、電圧入力端子ＴＭ１〜ＴＭＮのそれぞれに供給された電圧を保持する。キャパシタＣ１の一方の電極は電圧入力端子ＴＭ１に電気的に接続され、キャパシタＣ１の他方の電極は電圧入力端子ＴＭ０（基準ノードＮＤｒｅｆ）に電気的に接続される。キャパシタＣ２の一方の電極は電圧入力端子ＴＭ２に電気的に接続され、キャパシタＣ２の他方の電極は電圧入力端子ＴＭ０に電気的に接続される。同様に、キャパシタＣＮの一方の電極は電圧入力端子ＴＭＮに電気的に接続され、キャパシタＣＮの他方の電極は電圧入力端子ＴＭ０に電気的に接続される。
キャパシタＣｏｕｔは、出力電圧を保持するための容量素子である。すなわち、キャパシタＣｏｕｔは、電圧出力端子ＴＭｏｕｔの出力電圧Ｖｏｕｔを保持する。キャパシタＣｏｕｔの一方の電極は電圧出力端子ＴＭｏｕｔに電気的に接続され、キャパシタＣｏｕｔの他方の電極は電圧入力端子ＴＭ０に電気的に接続される。
いくつかの実施形態では、キャパシタＣ１〜ＣＮ、Ｃｏｕｔの少なくとも１つは、ＤＣ／ＤＣコンバータ１の外部に設けられる。例えば、キャパシタＣ１〜ＣＮは、対応する直流電源の電圧出力部に設けられる。例えば、キャパシタＣｏｕｔは、負荷の電圧入力部に設けられる。
（直流電圧選択回路１０）
直流電圧選択回路１０は、複数の直流電圧Ｖ１〜ＶＮが供給される複数の電圧入力端子ＴＭ１〜ＴＭＮを時分割で合流ノードＮＤＭに電気的に接続する。それにより、複数の直流電圧Ｖ１〜ＶＮが時分割で合流ノードＮＤＭに供給される。直流電圧選択回路１０は、制御回路１００からの制御信号に基づいて電圧入力端子ＴＭ１〜ＴＭＮと合流ノードＮＤＭとを電気的に接続したり遮断したりする。
いくつかの実施形態では、直流電圧選択回路１０は、複数の電圧入力端子ＴＭ１〜ＴＭＮのそれぞれに対応して設けられた複数のスイッチ回路を含む。複数のスイッチ回路は、複数の電圧入力端子ＴＭ１〜ＴＭＮのそれぞれと合流ノードＮＤＭとの間に接続される。複数のスイッチ回路の少なくとも１つは、スイッチ素子と、逆電流防止素子とを含む。いくつかの実施形態では、複数のスイッチ回路のそれぞれは、スイッチ素子と、逆電流防止素子とを含む。
スイッチ素子は、電圧入力端子と所定の第１ノード（図２参照）との間に接続される。スイッチ素子は、制御回路１００からの制御信号に基づいてスイッチ制御される。逆電流防止素子は、第１ノードと合流ノードＮＤＭとの間に接続され、合流ノードＮＤＭから第１ノードに向かう逆電流の発生を防止する。
合流ノードＮＤＭには、整流回路２０とインダクタ３０とが接続されている。
（整流回路２０）
整流回路２０は、基準ノードＮＤｒｅｆと合流ノードＮＤＭとの間に接続されている。整流回路２０は、基準ノードＮＤｒｅｆから合流ノードＮＤＭに向かう電流を通し、合流ノードＮＤＭから基準ノードＮＤｒｅｆに向かう電流を遮断する。整流回路２０は、降圧動作時の還流用回路として動作すると共に、合流ノードＮＤＭにおけるサージ電圧の保護回路として動作する。
（インダクタ３０）
インダクタ３０は、合流ノードＮＤＭと電圧出力端子ＴＭｏｕｔとの間に接続されている。
いくつかの実施形態では、インダクタ３０に代えて変圧器が設けられる。この場合、変圧器の１次側に整流回路２０が並列に接続され、変圧器の２次側に電圧出力端子ＴＭｏｕｔが接続される。
（制御回路１００）
制御回路１００は、主として、直流電圧選択回路１０を制御する。直流電圧選択回路１０がスイッチ回路を含む場合、制御回路１００は、スイッチ回路に対して制御信号を出力することによりスイッチ回路のスイッチ制御を行うことが可能である。整流回路２０が電界効果トランジスタを含む場合、制御回路１００は、当該電界効果トランジスタのゲートを制御することによりスイッチ制御を行うことが可能である。
いくつかの実施形態では、制御回路１００は、プロセッサを含む。プロセッサの機能は、例えば、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＧＰＵ（Ｇｒａｐｈｉｃｓ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）、プログラマブル論理デバイス（例えば、ＳＰＬＤ（Ｓｉｍｐｌｅ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｌｏｇｉｃ Ｄｅｖｉｃｅ）、ＣＰＬＤ（Ｃｏｍｐｌｅｘ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｌｏｇｉｃ Ｄｅｖｉｃｅ）、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ））等の回路により実現される。制御回路１００の機能は、例えば、プロセッサが記憶回路や記憶装置に格納されているプログラムを読み出し実行することで実現することが可能である。
いくつかの実施形態では、直流電圧選択回路１０が制御回路１００を含み、直流電圧選択回路１０が制御回路１００の機能を実現する。
以下、実施形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータ１の構成例について説明する。説明の便宜上、Ｎが２である場合について説明するが、Ｎが３以上であっても同様である。
＜＜第１構成例＞＞
図２に、実施形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータ１の第１構成例を示す。図２において、図１と同様の部分には同一符号を付し、適宜説明を省略する。
第１構成例において、直流電圧選択回路１０は、電圧入力端子ＴＭ１〜ＴＭ２のそれぞれに対応して設けられたスイッチ回路ＳＷ１、ＳＷ２を含む。
スイッチ回路ＳＷ１は、第１電界効果トランジスタＴｒ１１と、第２電界効果トランジスタＴｒ１２とを含む。第１電界効果トランジスタＴｒ１１及び第２電界効果トランジスタＴｒ１２のそれぞれは、Ｎチャネル型のＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）である。
第１電界効果トランジスタＴｒ１１及び第２電界効果トランジスタＴｒ１２は、いわゆる背中合わせ（ｂａｃｋ−ｔｏ−ｂａｃｋ）に接続される。すなわち、第１電界効果トランジスタＴｒ１１のドレインが電圧入力端子ＴＭ１に電気的に接続され、ソースが第１ノードＮＤ１に電気的に接続される。第１電界効果トランジスタＴｒ１１には、ソースとドレインとの間にボディダイオードが形成される。ボディダイオードのアノードは、電界効果トランジスタのソースであり、カソードは電界効果トランジスタのドレインである。また、第２電界効果トランジスタＴｒ１２のソースが第１ノードＮＤ１に電気的に接続され、ドレインが合流ノードＮＤＭに電気的に接続される。第２電界効果トランジスタＴｒ１２には、ソースとドレインとの間にボディダイオードが形成される。第２電界効果トランジスタＴｒ１２のソースとドレインとの間に形成されたボディダイオードが、上記の逆電流防止素子として機能する。
第１電界効果トランジスタＴｒ１１のゲート及び第２の電界効果トランジスタＴｒ１２のゲートには、制御回路１００からのゲート信号（制御信号）Ｇ１が供給される。
ゲート信号Ｇ１がオン電圧のとき、第１電界効果トランジスタＴｒ１１のソース・ドレイン間が導通状態になり、第２電界効果トランジスタＴｒ１２のソース・ドレイン間が導通状態になる。このとき、各電界効果トランジスタでは、電圧入力端子ＴＭ１と合流ノードＮＤＭとの間の電流は、よりインピーダンスが低いソース・ドレイン間を経由する。
ゲート信号Ｇ１がオフ電圧のとき、第１電界効果トランジスタＴｒ１１のソース・ドレイン間が非導通状態になり、第２電界効果トランジスタＴｒ１２のソース・ドレイン間が非導通状態になる。直流電圧Ｖ１が合流ノードＮＤＭにおける電圧（合成電圧）より高い場合、第１電界効果トランジスタＴｒ１１に形成されたボディダイオードによって合流ノードＮＤＭに向かって流れる電流を遮断することができる。直流電圧Ｖ１が合流ノードＮＤＭにおける電圧より低い場合、第２電界効果トランジスタＴｒ１２に形成されたボディダイオードによって電圧入力端子ＴＭ１に向かって流れる電流（逆電流）を遮断することができる。この場合、電圧流入力端子ＴＭ１に接続された直流電源における逆電流に起因した損傷を回避することができる。
スイッチ回路ＳＷ２は、スイッチ回路ＳＷ１と同様の構成を有する。すなわち、スイッチ回路ＳＷ２もまた、第１電界効果トランジスタＴｒ２１と、第２電界効果トランジスタＴｒ２２とを含む。第１電界効果トランジスタＴｒ２１及び第２電界効果トランジスタＴｒ２２のそれぞれは、Ｎチャネル型のＭＯＳＦＥＴである。第１電界効果トランジスタＴｒ２１及び第２電界効果トランジスタＴｒ２２は、いわゆる背中合わせに接続される。
第１電界効果トランジスタＴｒ２１のゲート及び第２電界効果トランジスタＴｒ２２のゲートには、制御回路１００からのゲート信号Ｇ２が供給される。
制御回路１００は、ゲート信号Ｇ１のパルス幅を制御することによりスイッチ回路ＳＷ１のスイッチ制御を行う。また、制御回路１００は、ゲート信号Ｇ２のパルス幅を制御することによりスイッチ回路ＳＷ２のスイッチ制御を行う。
整流回路２０は、ダイオード２１を含む。ダイオード２１のアノードは、基準ノードＮＤｒｅｆに電気的に接続され、カソードは合流ノードＮＤＭに電気的に接続される。
図３に、ゲート信号Ｇ１、Ｇ２のタイミングの一例を模式的に示す。図３において、横軸は時間を表し、縦軸は信号レベル（電圧）を表す。図３では、ゲート信号Ｇ１、Ｇ２の高電位側電圧をオン電圧とし、低電位側電圧をオフ電圧として表されている。
制御回路１００は、オン電圧の期間が重複しない周期Ｔのパルス信号をゲート信号Ｇ１、Ｇ２として出力する。ゲート信号Ｇ１、Ｇ２において、高電位側電圧はオン電圧であり、低電位側電圧はオフ電圧である。図３では、制御回路１００は、ゲート信号Ｇ１のパルス（パルス幅Ｔｏｎ１）とゲート信号Ｇ２のパルス（パルス幅Ｔｏｎ２）との間にデッドタイムＴｄ１（Ｔｄ１＞０）を設けてゲート信号Ｇ１、Ｇ２を出力することができる。また、制御回路１００は、ゲート信号Ｇ２のパルスとゲート信号Ｇ１のパルスとの間のデッドタイムＴｄ２（Ｔｄ２＞０）を設けてゲート信号Ｇ１、Ｇ２を出力することができる。いくつかの実施形態では、デッドタイムＴｄ２はデッドタイムＴｄ１と略同一である。
いくつかの実施形態では、制御回路１００は、ゲート信号Ｇ１、Ｇ２の波形を設定するための制御レジスタを含む。制御レジスタには、プロセッサ等からアクセスすることによりゲート信号毎に波形を設定するための設定情報が設定される。設定情報には、例えば、パルスの周期、基準タイミングを基準としたパルスの立ち上がりタイミング、及びパルス幅などがある。制御回路１００は、このような制御レジスタの設定情報に対応したパルス信号をゲート信号として出力することができる。いくつかの実施形態では、制御レジスタには、ゲート信号Ｇ１、Ｇ２のパルス間のデッドタイムが設定される。この場合、ゲート信号Ｇ１のパルスとゲート信号Ｇ２のパルスとの間に、制御レジスタに設定されたデッドタイムが設けられる。
図３に示すようなゲート信号Ｇ１、Ｇ２がスイッチ回路ＳＷ１、ＳＷ２に供給されると、合流ノードＮＤＭには直流電圧Ｖ１、Ｖ２が時分割で供給される。インダクタ３０は、電流に対応した磁気エネルギーを蓄積する。このとき、ダイオード２１は、還流ダイオード（ｆｒｅｅｗｈｅｅｌ ｄｉｏｄｅ）として基準ノードＮＤｒｅｆから合流ノードＮＤＭに向かう電流を還流させる。また、ダイオード２１は、サージ電圧保護回路として、デッドタイムにおける合流ノードＮＤＭのサージ電圧に対するスイッチ回路ＳＷ１、ＳＷ２等を保護する。
ゲート信号Ｇ１のパルス幅をＴｏｎ１とし、ゲート信号Ｇ２のパルス幅をＴｏｎ２とすると、出力電圧Ｖｏｕｔは、以下の式で表される。
Figure 2019205321
例えば、ゲート信号Ｇ１、Ｇ２のデューティ比を変更することにより、出力電圧Ｖｏｕｔを所望の電圧に設定することができる。
いくつかの実施形態では、制御回路１００は、所定の期間内に所定のパルス幅を有するパルスの数を変更可能なゲート信号Ｇ１、Ｇ２を出力する。この場合、パルス数を変更することにより、複数の直流電源から供給されるエネルギーを調整し、出力電圧Ｖｏｕｔを所望の電圧に設定することができる。
図４及び図５に、第１構成例に係るＤＣ／ＤＣコンバータ１の動作シミュレーションの一例を示す。図５が図４と異なる点は、ゲート信号Ｇ１、Ｇ２のパルスの間のデッドタイムである。
図４及び図５では、直流電圧Ｖ１は１０［Ｖ］であり、直流電圧Ｖ２は５［Ｖ］である。なお、図４及び図５において、スイッチ回路ＳＷ１に流れる電流ＩＳＷ１と表し、スイッチ回路ＳＷ２に流れる電流をＩＳＷ２と表し、ダイオード２１に流れる電流をＩＤと表し、インダクタ３０に流れる電流をＩＬと表し、合流ノードＮＤＭにおける合成電圧をＶＮＤＭと表す。電流ＩＳＷ１は、第１電界効果トランジスタＴｒ１１のソースから第２電界効果トランジスタＴｒ１２のソースに流れる電流である。電流ＩＳＷ２は、第１電界効果トランジスタＴｒ２１のソースから第２電界効果トランジスタＴｒ２２のソースに流れる電流である。
図４及び図５に示すように、ゲート信号Ｇ１、Ｇ２によりスイッチ回路ＳＷ１、ＳＷ２のそれぞれが導通状態から非導通状態になったときにサージ電圧が発生し、ダイオード２１を経由してサージ電流が流れる。また、スイッチ回路ＳＷ１、ＳＷ２が共に非導通状態に設定されたとき、ダイオード２１を経由して還流電流が流れる。
図４及び図５では、Ｔｏｎ１／Ｔ＝Ｔｏｎ２／Ｔ＝０．２であるため、出力電圧Ｖｏｕｔとして式（１）に示すように３．０［Ｖ］が出力される。
＜＜第２構成例＞＞
第１構成例では、ＭＯＳＦＥＴに形成されたボディダイオードを逆電流防止素子として利用する場合について説明したが、実施形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータ１の構成は第１構成例に示す構成に限定されるものではない。
図６に、実施形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータ１の第２構成例を示す。図６において、図２と同様の部分には同一符号を付し、適宜説明を省略する。
第２構成例におけるＤＣ／ＤＣコンバータ１の構成が第１構成例におけるＤＣ／ＤＣコンバータ１の構成と異なる点は、スイッチ回路ＳＷ１、ＳＷ２の構成である。第２構成例におけるスイッチ回路ＳＷ１の構成が第１構成例におけるスイッチ回路ＳＷ１の構成と異なる点は、第２電界効果トランジスタＴｒ１２に代えてダイオードＤ１が設けられている点である。同様に、第２構成例におけるスイッチ回路ＳＷ２の構成が第１構成例におけるスイッチ回路ＳＷ２の構成と異なる点は、第２電界効果トランジスタＴｒ２２に代えてダイオードＤ２が設けられている点である。
ダイオードＤ１のアノードは、第１電界効果トランジスタＴｒ１１のソース（第１ノード）に電気的に接続され、カソードは合流ノードＮＤＭに電気的に接続される。制御回路１００からのゲート信号Ｇ１は、第１電界効果トランジスタＴｒ１１のゲートだけに供給される。
同様に、ダイオードＤ２のアノードは、第１電界効果トランジスタＴｒ２１のソース（第１ノード）に電気的に接続され、カソードは合流ノードＮＤＭに電気的に接続される。制御回路１００からのゲート信号Ｇ２は、第１電界効果トランジスタＴｒ２１のゲートだけに供給される。
第２構成例において、ダイオードＤ１、Ｄ２は、逆電流防止素子として機能する。
ゲート信号Ｇ１がオン電圧のとき、第１電界効果トランジスタＴｒ１１のソース・ドレインの間が導通状態になる。このとき、第１電界効果トランジスタＴｒ１１では、電圧入力端子ＴＭ１と合流ノードＮＤＭとの間の電流は、よりインピーダンスが低い第１電界効果トランジスタＴｒ１１のソース・ドレイン間を経由する。
ゲート信号Ｇ１がオフ電圧のとき、第１電界効果トランジスタＴｒ１１のソース・ドレイン間が非導通状態になる。直流電圧Ｖ１が合流ノードＮＤＭにおける電圧より高い場合、第１電界効果トランジスタＴｒ１１に形成されたボディダイオードによって合流ノードＮＤＭに向かって流れる電流を遮断することができる。直流電圧Ｖ１が合流ノードＮＤＭにおける電圧より低い場合、ダイオードＤ１によって電圧入力端子ＴＭ１（又は電圧流入力端子ＴＭ１に接続された直流電源）に向かって流れる電流（逆電流）を遮断することができる。
第２構成例において、第１構成例と同様に、図３に示すゲート信号Ｇ１、Ｇ２により合流ノードＮＤＭには直流電圧Ｖ１、Ｖ２が時分割で供給される。その結果、式（１）に示すような出力電圧Ｖｏｕｔが生成される。例えば、ゲート信号Ｇ１、Ｇ２のデューティ比を変更することにより、出力電圧Ｖｏｕｔを所望の電圧に設定することができる。
＜＜第３構成例＞＞
第１構成例及び第２構成例では、整流回路２０がダイオード２１を含む場合について説明したが、実施形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータ１の構成は第１構成例及び第２構成例に示す構成に限定されるものではない。
図７に、実施形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータ１の第３構成例を示す。図７において、図２と同様の部分には同一符号を付し、適宜説明を省略する。
第３構成例におけるＤＣ／ＤＣコンバータ１の構成が第１構成例におけるＤＣ／ＤＣコンバータ１の構成と異なる点は、整流回路２０の構成である。第３構成例における整流回路２０の構成が第１構成例における整流回路２０の構成と異なる点は、ダイオード２１に代えてスイッチ素子が設けられている点である。スイッチ素子は、同期整流素子として機能する。
第３構成例に係る整流回路２０は、スイッチ素子として第３電界効果トランジスタＴｒ３１を含む。第３電界効果トランジスタＴｒ３１は、Ｎチャネル型のＭＯＳＦＥＴである。第３電界効果トランジスタＴｒ３１のドレインが合流ノードＮＤＭに電気的に接続され、ソースが基準ノードＮＤｒｅｆに電気的に接続される。第３電界効果トランジスタＴｒ３１には、ソースとドレインとの間にボディダイオードが形成される。
第３構成例において、第３電界効果トランジスタＴｒ３１のゲートには、制御回路１００からのゲート信号Ｇ３が供給される。ゲート信号Ｇ３がオン電圧のとき、第３電界効果トランジスタＴｒ３１のソース・ドレイン間が導通状態になり、ゲート信号Ｇ３がオフ電圧のとき、第３電界効果トランジスタＴｒ３１のソース・ドレイン間が非導通状態になる。第３電界効果トランジスタＴｒ３１に形成されたボディダイオードは、ダイオード２１と同様の機能を有する。
図８に、ゲート信号Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３のタイミングの一例を模式的に示す。図８において、図３と同様に、横軸は時間を表し、縦軸は信号レベル（電圧）を表す。図８においても、ゲート信号Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３の高電位側電圧をオン電圧とし、低電位側電圧をオフ電圧として表されている。
制御回路１００は、図３と同様に、オン電圧の期間が重複しない周期Ｔのパルス信号をゲート信号Ｇ１、Ｇ２として出力する。制御回路１００は、ゲート信号Ｇ１、Ｇ２に同期したパルスを有するゲート信号Ｇ３を出力する。制御回路１００は、ゲート信号Ｇ１、Ｇ２の双方がオフ電圧のときにオン電圧となるパルスを有する周期Ｔのゲート信号Ｇ３を出力する。
いくつかの実施形態では、第１構成例と同様に、制御回路１００は、制御レジスタの設定情報に対応した波形を有するゲート信号Ｇ３を出力する。いくつかの実施形態では、制御回路１００は、制御レジスタにおいて設定されたゲート信号Ｇ１、Ｇ２の波形に基づいて、ゲート信号Ｇ１、Ｇ２の双方がオフ電圧のときにオン電圧となるゲート信号Ｇ３を出力する。
図８に示すようなゲート信号Ｇ１、Ｇ２がスイッチ回路ＳＷ１、ＳＷ２に供給されると、合流ノードＮＤＭには直流電圧Ｖ１、Ｖ２が時分割で供給される。インダクタ３０は、電流に対応した磁気エネルギーを蓄積する。このとき、ゲート信号Ｇ３がオン電圧のとき、第３電界効果トランジスタＴｒ３１のソース・ドレイン間を経由して基準ノードＮＤｒｅｆから合流ノードＮＤＭに向かう電流が還流する。ゲート信号Ｇ３がオフ電圧のとき、第３電界効果トランジスタＴｒ３１のソース・ドレイン間が非導通状態になり、第３電界効果トランジスタＴｒ３１に形成されたボディダイオードがダイオード２１と同様に還流ダイオード及びサージ電圧保護回路として機能する。
第１構成例と同様に、ゲート信号Ｇ１のパルス幅をＴｏｎ１とし、ゲート信号Ｇ２のパルス幅をＴｏｎ２とすると、出力電圧Ｖｏｕｔは、式（１）のように表される。
第３構成例によれば、整流回路２０が、第１構成例のようなダイオード２１の電圧降下を伴うことなく電流を還流させることができるので、電圧変換の効率を向上させることができる。
図９に、第３構成例に係るＤＣ／ＤＣコンバータ１の動作シミュレーションの一例を示す。
図９では、直流電圧Ｖ１は１０［Ｖ］であり、直流電圧Ｖ２は５［Ｖ］である。なお、図９において、スイッチ回路ＳＷ１に流れる電流ＩＳＷ１と表し、スイッチ回路ＳＷ２に流れる電流をＩＳＷ２と表し、スイッチ素子に流れる電流をＩＳＷ３と表し、インダクタ３０に流れる電流をＩＬと表し、合流ノードＮＤＭにおける合成電圧をＶＮＤＭと表す。電流ＩＳＷ１は、第１電界効果トランジスタＴｒ１１のソースから第２電界効果トランジスタＴｒ１２のソースに流れる電流である。電流ＩＳＷ２は、第１電界効果トランジスタＴｒ２１のソースから第２電界効果トランジスタＴｒ２２のソースに流れる電流である。電流ＩＳＷ３は、第３電界効果トランジスタＴｒ３１のソース・ドレイン間（又はボディダイオード）に流れる電流である。
図９に示すように、ゲート信号Ｇ１、Ｇ２によりスイッチ回路ＳＷ１、ＳＷ２のそれぞれが導通状態から非導通状態になったときに発生するサージ電流が第３電界効果トランジスタＴｒ３１のソース・ドレイン間（又はボディダイオード）を経由して流れる。また、スイッチ回路ＳＷ１、ＳＷ２が共に非導通状態に設定されたとき、ゲート信号Ｇ３により第３電界効果トランジスタＴｒ３１を導通状態に設定することで、第３電界効果トランジスタＴｒ３１のソース・ドレイン間を経由して還流電流が流れる。
図９においても、Ｔｏｎ１／Ｔ＝Ｔｏｎ２／Ｔ＝０．２であるため、出力電圧Ｖｏｕｔとして式（１）に示すように３．０［Ｖ］が出力される。
＜＜第４構成例＞＞
第１構成例〜第３構成例では、複数の直流電圧が時分割で供給された合流ノードＮＤＭにおける合成電圧を降圧する場合について説明したが、実施形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータ１の構成は図１に示す構成や第１構成例〜第３構成例に示す構成に限定されるものではない。
第４構成例に係るＤＣ／ＤＣコンバータ１は、第１構成例〜第３構成例に示す構成にダイオード及びスイッチ回路を追加することにより、合流ノードＮＤＭにおける合成電圧を昇圧することができる。以下、第４構成例について、第１構成例に係るＤＣ／ＤＣコンバータ１にダイオード及びスイッチ回路を追加した場合について説明するが、第２構成例又は第３構成例に係るＤＣ／ＤＣコンバータ１にダイオード及びスイッチ回路を追加した場合でも同様である。
図１０に、実施形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータ１の第４構成例を示す。図１０において、図２と同様の部分には同一符号を付し、適宜説明を省略する。
第４構成例におけるＤＣ／ＤＣコンバータ１の構成が第１構成例におけるＤＣ／ＤＣコンバータ１の構成と異なる点は、第１構成例におけるＤＣ／ＤＣコンバータ１に昇圧用ダイオード４０及び昇圧用スイッチ回路ＳＷ１０が追加された点である。昇圧用ダイオード４０は、インダクタ３０の出力側端子にアノードが電気的に接続され、電圧出力端子ＴＭｏｕｔにカソードが電気的に接続される。昇圧用スイッチ回路ＳＷ１０は、インダクタ３０の出力側端子と基準ノードＮＤｒｅｆとの間に接続される。昇圧用スイッチ回路ＳＷ１０は、制御回路１００からの制御信号によりスイッチ制御される。
昇圧用スイッチ回路ＳＷ１０は、電界効果トランジスタＴｒ１０１を含む。電界効果トランジスタＴｒ１０１は、Ｎチャネル型のＭＯＳＦＥＴである。電界効果トランジスタＴｒ１０１のドレインがインダクタ３０の出力側端子に電気的に接続され、ソースが基準ノードＮＤｒｅｆに電気的に接続される。電界効果トランジスタＴｒ１０１には、ソースとドレインとの間にボディダイオードが形成される。
第４構成例において、電界効果トランジスタＴｒ１０１のゲートには、制御回路１００からのゲート信号Ｇ１０が供給される。制御回路１００は、昇圧比に応じたデューティ比を有するパルス信号をゲート信号Ｇ１０として出力する。ゲート信号Ｇ１０がオン電圧のとき、電界効果トランジスタＴｒ１０１のソース・ドレイン間が導通状態になり、ゲート信号Ｇ１０がオフ電圧のとき、電界効果トランジスタＴｒ１０１のソース・ドレイン間が非導通状態になる。
図１１に、ゲート信号Ｇ１、Ｇ２、Ｇ１０のタイミングの一例を模式的に示す。図１１において、横軸は時間を表し、縦軸は信号レベル（電圧）を表す。図１１においても、ゲート信号Ｇ１、Ｇ２、Ｇ１０の高電位側電圧をオン電圧とし、低電位側電圧をオフ電圧として表されている。
制御回路１００は、第１構成例で説明したように、合流ノードＮＤＭにおける電圧を所望の合成電圧にするように周期Ｔ１のパルス信号をゲート信号Ｇ１、Ｇ２として出力する。制御回路１００は、周期Ｔ２のパルス信号をゲート信号Ｇ１０として出力する。いくつかの実施形態では、ゲート信号Ｇ１、Ｇ２とゲート信号Ｇ１０とは非同期である。
いくつかの実施形態では、制御回路１００は、ゲート信号Ｇ１０の波形を設定するための制御レジスタを含む。制御レジスタには、パルスの周期、基準タイミングを基準としたパルスの立ち上がりタイミング、及びパルス幅等が設定される。制御回路１００は、このような制御レジスタの設定情報（設定内容）に対応したパルス信号をゲート信号Ｇ１０として出力することができる。
図１１に示すようなゲート信号Ｇ１、Ｇ２がスイッチ回路ＳＷ１、ＳＷ２に供給されると、合流ノードＮＤＭには直流電圧Ｖ１、Ｖ２が時分割で供給される。インダクタ３０は、電流に対応した磁気エネルギーを蓄積する。ゲート信号Ｇ１０がオン電圧のとき、インダクタ３０に蓄積された磁気エネルギーにより発生した電流は電界効果トランジスタＴｒ１０１のソース・ドレイン間を流れる。ゲート信号Ｇ１０がオフ電圧のとき、インダクタ３０に蓄積された磁気エネルギーにより発生した電流が昇圧用ダイオード４０を介して流れ、電圧出力端子ＴＭｏｕｔに出力電圧Ｖｏｕｔが発生する。
ゲート信号Ｇ１のパルス幅をＴｏｎ１とし、ゲート信号Ｇ２のパルス幅をＴｏｎ２とし、ゲート信号Ｇ１０のパルス幅をＴｏｎ１０とすると、出力電圧Ｖｏｕｔは、以下の式で表される。
Figure 2019205321
例えば、ゲート信号Ｇ１、Ｇ２のデューティ比を変更することにより合流ノードＮＤＭにおける合成電圧を調整し、調整された合成電圧を所定の昇圧比で昇圧することで、出力電圧Ｖｏｕｔを所望の電圧に設定することができる。例えば、ゲート信号Ｇ１０のデューティ比を変更することにより昇圧比を調整することにより所定の合成電圧を昇圧することで、出力電圧Ｖｏｕｔを所望の電圧に設定することができる。例えば、ゲート信号Ｇ１、Ｇ２、Ｇ１０のデューティ比を変更することにより、出力電圧Ｖｏｕｔを所望の電圧に設定することができる。
図１２に、第４構成例に係るＤＣ／ＤＣコンバータ１の動作シミュレーションの一例を示す。
図１２では、直流電圧Ｖ１は１０［Ｖ］であり、直流電圧Ｖ２は５［Ｖ］である。なお、図１２において、スイッチ回路ＳＷ１に流れる電流ＩＳＷ１と表し、スイッチ回路ＳＷ２に流れる電流をＩＳＷ２と表し、昇圧用スイッチ回路に流れる電流をＩＳＷ１０と表し、ダイオード２１に流れる電流をＩＤと表し、インダクタ３０に流れる電流をＩＬと表し、合流ノードＮＤＭにおける合成電圧をＶＮＤＭと表す。電流ＩＳＷ１は、第１電界効果トランジスタＴｒ１１のソースから第２電界効果トランジスタＴｒ１２のソースに流れる電流である。電流ＩＳＷ２は、第１電界効果トランジスタＴｒ２１のソースから第２電界効果トランジスタＴｒ２２のソースに流れる電流である。電流ＩＳＷ１０は、電界効果トランジスタＴｒ１０１のソース・ドレイン間に流れる電流である。
図１２に示すように、ゲート信号Ｇ１、Ｇ２にスイッチ回路ＳＷ１、ＳＷ２を供給することで合流ノードＮＤＭに合成電圧ＶＮＤＭが生成される。スイッチ回路ＳＷ１、ＳＷ２のそれぞれが導通状態から非導通状態になったときに発生するサージ電流がダイオード２１を経由して流れる。
ゲート信号Ｇ１０がオン電圧のとき、電界効果トランジスタＴｒ１０１のソース・ドレイン間に電流が流れる。このとき、インダクタ３０に磁気エネルギーが蓄積される。図示しない負荷に対して、それまでキャパシタＣｏｕｔに充電されていた電荷を用いて電流が供給される。ゲート信号Ｇ１０がオフ電圧のとき、インダクタ３０に蓄積された磁気エネルギーにより昇圧用ダイオード４０を介して電圧出力端子ＴＭｏｕｔに出力電圧Ｖｏｕｔが発生する。キャパシタＣｏｕｔには、電荷が充電される。
図１２では、Ｔｏｎ１／Ｔ１＝Ｔｏｎ２／Ｔ１＝０．４であり、Ｔｏｎ１０／Ｔ２＝０．５であるため、出力電圧Ｖｏｕｔとして式（２）に示すように１２［Ｖ］が出力される。
＜＜第５構成例＞＞
第４構成例では、昇圧用ダイオード４０を介して出力電圧Ｖｏｕｔを出力する場合について説明したが、昇圧が可能な実施形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータ１の構成は第４構成例に示す構成に限定されるものではない。
図１３に、実施形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータ１の第５構成例を示す。図１３において、図１１と同様の部分には同一符号を付し、適宜説明を省略する。
第５構成例におけるＤＣ／ＤＣコンバータ１の構成が第４構成例におけるＤＣ／ＤＣコンバータ１の構成と異なる点は、昇圧用ダイオード４０に代えてスイッチ回路ＳＷ１１が設けられている点である。
第５構成例では、スイッチ回路ＳＷ１１は、電界効果トランジスタＴｒ１１１を含む。電界効果トランジスタＴｒ１１１は、Ｎチャネル型のＭＯＳＦＥＴである。電界効果トランジスタＴｒ１１１のソースがインダクタ３０の出力側端子に電気的に接続され、ドレインが電圧出力端子ＴＭｏｕｔに電気的に接続される。電界効果トランジスタＴｒ１１１には、ソースとドレインとの間にボディダイオードが形成される。電界効果トランジスタＴｒ１１１に形成されたボディダイオードは、昇圧用ダイオード４０と同様の機能を有する。
第５構成例において、電界効果トランジスタＴｒ１１１のゲートには、制御回路１００からのゲート信号Ｇ１１が供給される。ゲート信号Ｇ１１は、電界効果トランジスタＴｒ１０１が非導通状態のとき電界効果トランジスタＴｒ１１１が導通状態になるように生成される。ゲート信号Ｇ１１がオン電圧のとき、電界効果トランジスタＴｒ１１１のソース・ドレイン間が導通状態になり、ゲート信号Ｇ１１がオフ電圧のとき、電界効果トランジスタＴｒ１１１のソース・ドレイン間が非導通状態になる。
第５構成例によれば、第４構成例のような昇圧用ダイオード４０を介してインダクタ３０からの電流が電圧出力端子ＴＭｏｕｔに向かうことがなくなるので、電圧変換の効率を向上させることができる。
図１４に、第５構成例に係るＤＣ／ＤＣコンバータ１の動作シミュレーションの一例を示す。
図１４では、直流電圧Ｖ１は１０［Ｖ］であり、直流電圧Ｖ２は５［Ｖ］である。なお、図１４において、スイッチ回路ＳＷ１に流れる電流ＩＳＷ１と表し、スイッチ回路ＳＷ２に流れる電流をＩＳＷ２と表し、昇圧用スイッチ回路ＳＷ１０に流れる電流をＩＳＷ１０と表し、スイッチ回路ＳＷ１１に流れる電流をＩＳＷ１１と表し、インダクタ３０に流れる電流をＩＬと表し、合流ノードＮＤＭにおける合成電圧をＶＮＤＭと表す。電流ＩＳＷ１は、第１電界効果トランジスタＴｒ１１のソースから第２電界効果トランジスタＴｒ１２のソースに流れる電流である。電流ＩＳＷ２は、第１電界効果トランジスタＴｒ２１のソースから第２電界効果トランジスタＴｒ２２のソースに流れる電流である。電流ＩＳＷ１０は、電界効果トランジスタＴｒ１０１のソース・ドレイン間（又はボディダイオード）に流れる電流である。電流ＩＳＷ１１は、電界効果トランジスタＴｒ１１１のソース・ドレイン間（又はボディダイオード）に流れる電流である。
図１４に示すように、ゲート信号Ｇ１、Ｇ２にスイッチ回路ＳＷ１、ＳＷ２を供給することで合流ノードＮＤＭに合成電圧ＶＮＤＭが生成される。スイッチ回路ＳＷ１、ＳＷ２のそれぞれが導通状態から非導通状態になったときに発生するサージ電流がダイオード２１を経由して流れる。
ゲート信号Ｇ１０がオン電圧のとき、電界効果トランジスタＴｒ１０１のソース・ドレイン間に電流が流れる。このとき、ゲート信号Ｇ１１がオフ電圧であり、インダクタ３０に磁気エネルギーが蓄積される。図示しない負荷に対して、それまでキャパシタＣｏｕｔに充電されていた電荷を用いて電流が供給される。ゲート信号Ｇ１０がオフ電圧のとき、ゲート信号Ｇ１１がオン電圧になり、インダクタ３０に蓄積された磁気エネルギーにより電界効果トランジスタＴｒ１１１のソース・ドレイン間を介して電圧出力端子ＴＭｏｕｔに出力電圧Ｖｏｕｔが発生する。キャパシタＣｏｕｔには、電荷が充電される。
図１４では、Ｔｏｎ１／Ｔ１＝Ｔｏｎ２／Ｔ１＝０．４であり、Ｔｏｎ１０／Ｔ２＝０．５であるため、出力電圧Ｖｏｕｔとして式（２）に示すように１２［Ｖ］が出力される。
＜＜その他の変形例＞＞
第１構成例〜第５構成例では、直流電圧選択回路１０が時分割で複数の直流電圧を合流ノードＮＤＭに供給する場合について説明したが、実施形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータ１の構成はこれらに限定されるものではない。
いくつかの実施形態では、合流ノードＮＤＭに電気的に接続する電圧入力端子を切り替えるとき、所定の期間だけ合流ノードＮＤＭを２以上の電圧入力端子に電気的に接続する。例えば、第１構成例〜第５構成例において、制御回路１００は、ゲート信号Ｇ１がオン電圧からオフ電圧に切り替わる直前にゲート信号Ｇ２がオフ電圧からオン電圧に切り替わるようにゲート信号Ｇ１、Ｇ２を生成することができる。或いは、制御回路１００は、ゲート信号Ｇ１がオフ電圧からオン電圧に切り替わった後にゲート信号Ｇ２がオン電圧からオフ電圧に切り替わるようにゲート信号Ｇ１、Ｇ２を生成することができる。
このような構成によれば、直流電圧Ｖ１を出力する第１直流電源及び直流電圧Ｖ２を出力する第２直流電源のうち高い電圧を出力する一方の直流電源が他方の直流電源に電圧を供給することが可能になる。低い電圧を出力する直流電源が二次電池の場合、当該直流電源への充電を行うことができる。
＜エネルギーシステム＞
次に、実施形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータ１が適用されたエネルギーシステムについて説明する。
実施形態に係るエネルギーシステムは、２以上の発電装置を含み、２以上の発電装置から出力された２以上の直流電圧から所望の電圧を生成し、生成された電圧を負荷に供給する。このとき、２以上の発電装置の１つに必要な物質を他の発電装置から供給されたエネルギーを用いて生成することができる。
図１５に、実施形態に係るエネルギーシステム２００の構成例を示す。図１５において、図１〜図１４と同様の部分には同一符号を付し、適宜説明を省略する。
エネルギーシステム２００は、実施形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータ１と、水電解セル用コンバータ２１０とを含む。エネルギーシステム２００には、光電池３００からの直流電圧Ｖ１と燃料電池３１０からの直流電圧Ｖ２とが供給される。光電池３００は、太陽光などの光のエネルギーを電気エネルギーに変換し、変換された電気エネルギーを用いて直流電圧Ｖ１を出力する。燃料電池３１０は、水素と酸素の電気化学反応により電気エネルギーを取り出し、取り出した電気エネルギーを用いて直流電圧Ｖ２を出力する。
ＤＣ／ＤＣコンバータ１は、直流電圧Ｖ１、Ｖ２から生成された合成電圧を上記のように降圧又は昇圧した電圧を負荷ＬＤに供給する。
水電解セル用コンバータ２１０は、光電池３００からの直流電圧Ｖ１を受け、燃料電池３１０による発電に必要な水素を生成する水電解セル３２０に供給するための所定の電圧に変換する。水電解セル用コンバータ２１０の機能は、公知のＤＣ／ＤＣコンバータ又はＤＣ／ＡＣコンバータにより実現される。
水電解セル３２０は、水電解セル用コンバータ２１０から電圧が供給され、公知の手法で水を電気分解して水素を生成する。水電解セル３２０により生成された水素は、公知の手法で燃料電池３１０に送られる。すなわち、燃料電池３１０は、水電解セル用コンバータ２１０から電気エネルギーを受けた水電解セル３２０による電気分解によって生成された水素を用いた電気化学反応により直流電圧Ｖ２を生成する。
いくつかの実施形態では、エネルギーシステム２００は、光電池３００、燃料電池３１０、及び水電解セル３２０のうち少なくとも１つを更に含む。
以上説明したように、実施形態に係るエネルギーシステム２００によれば、簡素な構成で、再生可能エネルギーを用いて負荷に対して効率的に電力を供給することが可能になる。
ＤＣ／ＤＣコンバータ１は、実施形態に係る「直流電圧変換回路」の一例である。電圧入力端子ＴＭ１〜ＴＭＮは、実施形態に係る「電圧入力部」の一例である。電圧出力端子ＴＭｏｕｔは、実施形態に係る「電圧出力部」の一例である。昇圧用ダイオード４０又は電界効果トランジスタＴｒ１１１に形成されたボディダイオードは、実施形態に係る「昇圧用ダイオード」の一例である。電界効果トランジスタＴｒ１０１は、実施形態に係る「昇圧用スイッチ回路」の一例である。エネルギーシステム２００は、実施形態に係る「電源システム」の一例である。光電池３００は、実施形態に係る「第１発電装置」の一例である。燃料電池３１０は、実施形態に係る「第２発電装置」の一例である。直流電圧Ｖ１は、実施形態に係る「第１直流電圧」の一例である。直流電圧Ｖ２は、実施形態に係る「第２直流電圧」の一例である。水電解セル用コンバータ２１０は、実施形態に係る「電圧変換回路」の一例である。水素は、実施形態に係る「化学物質」の一例である。水電解セル３２０は、実施形態に係る「電気分解装置」の一例である。
［作用・効果］
実施形態に係る直流電圧変換回路、及び電源システムの作用及び効果について説明する。
いくつかの実施形態に係る直流電圧変換回路（ＤＣ／ＤＣコンバータ１）は、直流電圧選択回路（１０）と、インダクタ（３０）と、整流回路（２０）とを含む。直流電圧選択回路は、互いに異なる複数の直流電圧（Ｖ１〜ＶＮ）が供給される複数の電圧入力部（電圧入力端子ＴＭ１〜ＴＭＮ）を時分割で合流ノード（ＮＤＭ）に電気的に接続する。インダクタは、合流ノードと電圧出力部（電圧出力端子ＴＭｏｕｔ）との間に接続される。整流回路は、基準電圧（Ｖｒｅｆ）が供給される基準ノード（ＮＤｒｅｆ）と合流ノードとの間に接続される。
このような構成によれば、複数の直流電圧を時分割で合流ノードに出力することにより合成電圧を生成し、インダクタと整流回路とを用いて合成電圧を降圧するようにしたので、構成を簡素化し、複数の直流電圧の高低にかかわらず簡素なスイッチ制御で直流電圧の電圧変換を行うことができる。
また、いくつかの実施形態に係る直流電圧変換回路では、直流電圧選択回路は、複数の電圧入力部のそれぞれと合流ノードとの間に接続された複数のスイッチ回路（ＳＷ１、ＳＷ２）を含む。複数のスイッチ回路の少なくとも１つは、電圧入力部と第１ノード（ＮＤ１）との間に接続されたスイッチ素子（第１電界効果トランジスタＴｒ１１、Ｔｒ２１）と、第１ノードと合流ノードとの間に接続され、合流ノードから第１ノードに向かう逆電流の発生を防止する逆電流防止素子（第２電界効果トランジスタＴｒ１２、Ｔｒ２２に形成されたボディダイオード、ダイオードＤ１、Ｄ２）と、を含む。
このような構成によれば、複数の電圧入力部のそれぞれに対応した複数のスイッチ回路の少なくとも１つに直流電源に向かう逆電流を防止する逆電流防止素子を設けるようにしたので、合流ノードの電圧が電圧入力部に供給される直流電圧より高い場合であっても、逆電流に起因した直流電源の損傷を回避することが可能になる。
また、いくつかの実施形態に係る直流電圧変換回路では、複数のスイッチ回路の少なくとも１つは、電圧入力部にドレインが接続され、第１ノードにソースが接続された第１電界効果トランジスタ（Ｔｒ１１、Ｔｒ２１）と、第１ノードにソースが接続され、合流ノードにドレインが接続された第２電界効果トランジスタ（Ｔｒ１２、Ｔｒ２２）と、を含み、第２電界効果トランジスタは、ソースとドレインとの間に形成されたボディダイオードを含む。
このような構成によれば、複数の電圧入力部のそれぞれに対応した複数のスイッチ回路の少なくとも１つに、電界効果トランジスタに形成されたボディダイオードを設けるようにしたので、合流ノードの電圧が電圧入力部に供給される直流電圧より高い場合であっても、逆電流に起因した直流電源の損傷を回避することが可能になる。
また、いくつかの実施形態に係る直流電圧変換回路では、複数のスイッチ回路のそれぞれは、第１電界効果トランジスタと第２電界効果トランジスタとを含み、各スイッチ回路の第１電界効果トランジスタのゲート信号（Ｇ１、Ｇ２）及び第２電界効果トランジスタのゲート信号（Ｇ１、Ｇ２）のパルス幅を制御することにより複数のスイッチ回路のスイッチ制御を行う制御回路（１００）を含む。
このような構成によれば、パルス幅制御により複数のスイッチ回路のスイッチ制御を行うようにしたので、例えば、直流電圧を出力する直流電源の種別に応じて合成電圧を生成することができるので、柔軟に直流電圧を変換することが可能な直流電圧変換回路を提供することが可能になる。
また、いくつかの実施形態に係る直流電圧変換回路は、インダクタの出力側端子にアノードが接続され、電圧出力部にカソードが接続された昇圧用ダイオード（昇圧用ダイオード４０、電界効果トランジスタＴｒ１１１に形成されたボディダイオード）と、出力側端子と基準ノードとの間に接続された昇圧用スイッチ回路（ＳＷ１０）と、を含む。
このような構成によれば、上記の構成を有する直流電圧変換回路に対して昇圧用ダイオードと昇圧用スイッチ素子とを追加し、直流電圧選択回路と昇圧用スイッチ素子との制御により合成電圧を昇圧するようにしたので、構成を簡素化し、複数の直流電圧の高低にかかわらず簡素なスイッチ制御で直流電圧の電圧変換を行うことができる。
また、いくつかの実施形態に係る直流電圧変換回路では、昇圧用スイッチ回路は、基準ノードにソースが接続され、出力側端子にドレインが接続された電界効果トランジスタ（Ｔｒ１０１）を含む。
このような構成によれば、昇圧用スイッチ素子が電界効果トランジスタを含むように構成したので、簡素な構成で、合成電圧の昇圧制御を簡素化することができる。
また、いくつかの実施形態に係る直流電圧変換回路は、パルス幅制御により複数のスイッチ回路のスイッチ制御を行うと共に、昇圧比に対応したデューティ比を有する制御信号（ゲート信号Ｇ１０）に基づいて昇圧用スイッチ回路のスイッチ制御を行う制御回路（１００）を含む。
このような構成によれば、パルス幅制御によりスイッチ制御が行われた複数のスイッチ回路により時分割で複数の直流電圧を出力して合成電圧を生成し、昇圧比に応じたディーティ比を有する制御信号により昇圧用スイッチ素子を制御するようにしたので、構成を簡素化し、複数の直流電圧の高低にかかわらず簡素なスイッチ制御で直流電圧の電圧変換を行うことができる。
また、いくつかの実施形態に係る直流電圧変換回路では、整流回路は、基準ノードにアノードが接続され、合流ノードにカソードが接続されたダイオード（２１、第３電界効果トランジスタＴｒ３１に形成されたボディダイオード）を含む。
このような構成によれば、整流回路がダイオードを含むように構成したので、直流電圧変換回路の構成を簡素化することができる。
また、いくつかの実施形態に係る電源システム（エネルギーシステム２００）は、第１発電装置（光電池３００）から出力された第１直流電圧（直流電圧Ｖ１）を所定の電圧に変換する電圧変換回路（水電解セル用コンバータ２１０）と、第１直流電圧と第２発電装置（燃料電池３１０）から出力された第２直流電圧（直流電圧Ｖ２）とに基づいて生成された直流電圧（出力電圧Ｖｏｕｔ）を負荷に供給する上記のいずれかに記載の直流電圧変換回路と、を含み、第２発電装置は、電圧変換回路から電気エネルギーを受けた電気分解装置（水電解セル３２０）による電気分解によって生成された化学物質（水素）を用いた電気化学反応により第２直流電圧を生成する。
このような構成によれば、上記の直流電圧変換回路を用いて第１直流電圧と第２直流電圧とに基づいて生成された変換電圧を負荷に供給しつつ、第１直流電圧を用いた電気分解により化学物質を生成し、生成された化学物質を用いた電気化学反応により第２直流電圧を生成するようにしたので、制御及び構成が簡素化された直流電圧変換回路が適用された電源システムの効率化を図ることができる。
また、実施形態に係る電源システムは、更に、第１発電装置、第２発電装置、及び電気分解装置のうち少なくとも１つを含む。
このような構成によれば、上記の直流電圧変換回路及び電圧変換回路に加えて、第１発電装置、第２発電装置及び電気分解装置の少なくとも１つを含めるようにしたので、制御及び構成が簡素化された直流電圧変換回路が適用された電源システムを提供することができる。
また、実施形態に係る電源システムでは、第１発電装置は、光電池を含み、第２発電装置は、燃料電池を含み、電気分解装置は、水電解装置であり、化学物質は、水素である。
このような構成によれば、上記の直流電圧変換回路を用いて第１直流電圧と第２直流電圧とに基づいて生成された変換電圧を負荷に供給しつつ、電気分解により燃料電池に用いる水素を生成し、生成された水素を用いた電気化学反応により第２直流電圧を生成するようにしたので、制御及び構成を簡素化し、再生可能エネルギーや水素エネルギーを用いて効率的に負荷に給電することが可能な電源システムを提供することができる。
＜その他＞
以上に示された実施形態は、この発明を実施するための一例に過ぎない。この発明を実施しようとする者は、この発明の要旨の範囲内において任意の変形、省略、追加等を施すことが可能である。
実施形態の第１構成例〜第５構成例において、ダイオードの機能を電界効果トランジスタのボディダイオードで実現する場合に、ダイオードと並列に電界効果トランジスタを接続するようにしてもよい。また、電界効果トランジスタに代えてバイポーラトランジスタやＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を用いてもよい。
１ ＤＣ／ＤＣコンバータ
１０ 直流電圧選択回路
２０ 整流回路
２１、４０、Ｄ１、Ｄ２ ダイオード
３０ インダクタ
１００ 制御回路
２００ エネルギーシステム
２１０ 水電解セル用コンバータ
３００ 光電池
３１０ 燃料電池
３２０ 水電解セル
Ｃ１〜ＣＮ、Ｃｏｕｔ キャパシタ
Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３、Ｇ１０、Ｇ１１ ゲート信号
ＮＤＭ 合流ノード
ＮＤｒｅｆ 基準ノード
ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ１１ スイッチ回路
ＳＷ１０ 昇圧用スイッチ回路
Ｔｒ１１、Ｔｒ２１ 第１電界効果トランジスタ
Ｔｒ１２、Ｔｒ２２ 第２電界効果トランジスタ
Ｔｒ３１ 第３電界効果トランジスタ
Ｔｒ１０１、Ｔｒ１１１ 電界効果トランジスタ
ＴＭ０〜ＴＭＮ 電圧入力端子
ＴＭｏｕｔ 電圧出力端子
Ｖ１、Ｖ２、ＶＮ 直流電圧
Ｖｏｕｔ 出力電圧
Ｖｒｅｆ 基準電圧

Claims (11)

  1. 互いに異なる複数の直流電圧が供給される複数の電圧入力部を時分割で合流ノードに電気的に接続する直流電圧選択回路と、
    前記合流ノードと電圧出力部との間に接続されたインダクタと、
    基準電圧が供給される基準ノードと前記合流ノードとの間に接続された整流回路と、
    を含む直流電圧変換回路。
  2. 前記直流電圧選択回路は、
    前記複数の電圧入力部のそれぞれと前記合流ノードとの間に接続された複数のスイッチ回路を含み、
    前記複数のスイッチ回路の少なくとも１つは、
    前記電圧入力部と第１ノードとの間に接続されたスイッチ素子と、
    前記第１ノードと前記合流ノードとの間に接続され、前記合流ノードから前記第１ノードに向かう逆電流の発生を防止する逆電流防止素子と、
    を含む
    ことを特徴とする請求項１に記載に直流電圧変換回路。
  3. 前記複数のスイッチ回路の少なくとも１つは、
    前記電圧入力部にドレインが接続され、前記第１ノードにソースが接続された第１電界効果トランジスタと、
    前記第１ノードにソースが接続され、前記合流ノードにドレインが接続された第２電界効果トランジスタと、
    を含み、
    前記第２電界効果トランジスタは、ソースとドレインとの間に形成されたボディダイオードを含む
    ことを特徴とする請求項２に記載の直流電圧変換回路。
  4. 前記複数のスイッチ回路のそれぞれは、前記第１電界効果トランジスタと前記第２電界効果トランジスタとを含み、
    各スイッチ回路の前記第１電界効果トランジスタのゲート信号及び前記第２電界効果トランジスタのゲート信号のパルス幅を制御することにより前記複数のスイッチ回路のスイッチ制御を行う制御回路を含む
    ことを特徴とする請求項３に記載の直流電圧変換回路。
  5. 前記インダクタの出力側端子にアノードが接続され、前記電圧出力部にカソードが接続された昇圧用ダイオードと、
    前記出力側端子と前記基準ノードとの間に接続された昇圧用スイッチ回路と、
    を含む
    ことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の直流電圧変換回路。
  6. 前記昇圧用スイッチ回路は、
    前記基準ノードにソースが接続され、前記出力側端子にドレインが接続された電界効果トランジスタを含む
    ことを特徴とする請求項５に記載の直流電圧変換回路。
  7. パルス幅制御により前記複数のスイッチ回路のスイッチ制御を行うと共に、昇圧比に対応したデューティ比を有する制御信号に基づいて前記昇圧用スイッチ回路のスイッチ制御を行う制御回路を含む
    ことを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の直流電圧変換回路。
  8. 前記整流回路は、前記基準ノードにアノードが接続され、前記合流ノードにカソードが接続されたダイオードを含む
    ことを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載の直流電圧変換回路。
  9. 第１発電装置から出力された第１直流電圧を所定の電圧に変換する電圧変換回路と、
    前記第１直流電圧と第２発電装置から出力された第２直流電圧とに基づいて生成された直流電圧を負荷に供給する請求項１〜請求項８のいずれか一項に記載の直流電圧変換回路と、
    を含み、
    前記第２発電装置は、前記電圧変換回路から電気エネルギーを受けた電気分解装置による電気分解によって生成された化学物質を用いた電気化学反応により前記第２直流電圧を生成する
    ことを特徴とする電源システム。
  10. 更に、前記第１発電装置、前記第２発電装置、及び前記電気分解装置のうち少なくとも１つを含む
    ことを特徴とする請求項９に記載の電源システム。
  11. 前記第１発電装置は、光電池を含み、
    前記第２発電装置は、燃料電池を含み、
    前記電気分解装置は、水電解装置であり、
    前記化学物質は、水素である
    ことを特徴とする請求項９又は請求項１０に記載の電源システム。
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