JP6217257B2 - Ｄｃ／ｄｃコンバータ及び電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、並列接続された複数のＤＣ／ＤＣコンバータを備えた電源装置と、そのような電源装置のためのＤＣ／ＤＣコンバータとに関する。

携帯機器は、その高性能化及び高機能化にともない、より小型化することが求められるとともに、より大きな電力が必要とされている。このため、携帯機器に搭載されるＤＣ／ＤＣコンバータ（以下、「コンバータ」と略す）は、より小さく、大電力を扱うことができ、高効率であることが求められている。

この課題の解決策の候補として、複数のコンバータを並列接続するマルチフェーズ電源技術が既に知られている。マルチフェーズ電源技術を用いた電源装置によれば、複数のコンバータを並列接続し、これらのコンバータのスイッチング動作に所定の位相差を与えて同期させる。複数のコンバータの出力電流を合成することによりリップルを低減できるので、電源装置の出力部に設けるフィルタを構成するために大きな受動素子を用いることが不要になるという利点がある。また、各コンバータに流れる電流は電源装置が単一のコンバータのみからなるときよりも減少するので、各コンバータにおいて回路の損失により発生する熱も減少し、個々のコンバータに対する放熱性能の要件が緩和されるという利点がある。これらの利点により、電源装置の小型化が容易になる。さらに、負荷装置の電力消費量が小さい場合、一部のコンバータを休止させることで、電源装置全体の電力変換効率を向上できるという利点がある。

マルチフェーズ電源技術を用いた電源装置の例として、特許文献１及び２の発明が知られている。例えば特許文献１の発明は、並列接続された複数のＤＣ／ＤＣコンバータを備えたマルチフェーズの電源装置である。その各コンバータは、１つのコンバータのエラーアンプから出力される共通のエラーアンプ信号に基づいて、ＰＷＭデューティをそれぞれ決定する。一般に、マルチフェーズ電源装置では、各フェーズで流す電流をより均等化することで、バランスがとれた安定した電源を実現する。特許文献１の発明では、各コンバータが共通のエラーアンプ信号に基づいて動作することにより、各コンバータの動作を外部コントローラから制御することを必要とせずに、各コンバータの出力電流を均等化する。

従来、一般に、並列接続された複数のコンバータを用いる場合には、複数のコンバータの管理及び制御を外部コントローラにより集中的に行うことが必要であった。このため、電源装置の部品点数が増え、コンバータ及び外部コントローラの間の配線も複雑になり、電源装置全体としてはむしろ大型化してしまう傾向があった。従って、並列接続された複数のコンバータを備えた電源装置は、上記の利点にもかかわらず、携帯機器への適用にはふさわしくなかった。

一方、特許文献１の発明のように、各コンバータの動作を外部コントローラから制御することなく、個々のコンバータを連携動作させる手法をとると、部品点数は増えず、構成も簡潔にすることができる。しかしながら、この場合、負荷装置の電力消費量の変動に対する応答が悪くなるという問題があった。その理由を以下に詳細に述べる。

並列接続された複数のコンバータを備えた電源装置では、各コンバータの特性のばらつきにより、出力電圧の目標値を示す基準電圧はコンバータ毎に微妙に異なる。このため、単純に複数のコンバータを並列接続するだけではなく、各コンバータの出力電流をモニタして、出力電流が互いに等しくなるように、各コンバータの基準電圧間の誤差を調整する必要がある。ところが、負荷装置の電力消費量が小さいとき、複数のコンバータのうちの一部を休止させると、休止したコンバータでは出力電流がゼロになる。この場合、休止したコンバータの出力電流が他のコンバータの出力電流と等しくなるように、休止したコンバータの基準電圧を調整することはできない。このため、休止させたコンバータを復帰させた後に、復帰したコンバータの出力電流が既に動作していた他のコンバータの出力電流に等しくなるように、復帰したコンバータの基準電圧を調整するための整定時間が必要になる。このため、並列接続された複数のコンバータを備えた電源装置では、負荷装置の電力消費量が小さいときに一部のコンバータを休止させると、復帰後に必要な整定時間により、負荷装置の電力消費量の変動に対する応答性が悪くなるという問題があった。応答性を犠牲にできないのであれば、常にすべてのコンバータを動作させなければならず、負荷装置の電力消費量が小さいときの電力変換効率が悪くなるという問題があった。

本発明の目的は、並列接続された複数のＤＣ／ＤＣコンバータを備えた電源装置であって、高い電力変換効率を有し、かつ、負荷装置の電力消費量の変動に対する応答性が高い電源装置を提供することにある。

本発明の態様に係る電源装置によれば、
並列接続された複数のＤＣ／ＤＣコンバータを備えた電源装置において、
上記複数のＤＣ／ＤＣコンバータのそれぞれは、
少なくとも１つのスイッチと、
上記電源装置の出力電圧と基準電圧との誤差を表す第１の誤差電圧を発生する第１の誤差検出回路と、
上記第１の誤差電圧に基づいて上記スイッチを駆動する駆動回路と、
上記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電流値を検出する電流センサとを備え、
上記複数のＤＣ／ＤＣコンバータは、
上記電源装置の動作中において出力電流を発生する１つのマスタＤＣ／ＤＣコンバータと、
上記電源装置の動作中において出力電流を発生する動作状態と出力電流を発生しない休止状態とを有する少なくとも１つのスレーブＤＣ／ＤＣコンバータとを含み、
上記各スレーブＤＣ／ＤＣコンバータは、
予め決められた第１の基準電圧を発生する基準電圧源と、
上記第１の誤差電圧の目標値である目標誤差電圧を発生する目標誤差電圧発生回路と、
上記第１の誤差電圧と上記目標誤差電圧との誤差を表す第２の誤差電圧を発生する第２の誤差検出回路と、
上記マスタＤＣ／ＤＣコンバータの出力電流値と当該スレーブＤＣ／ＤＣコンバータの出力電流値との誤差を表す第３の誤差電圧を発生する第３の誤差検出回路とをさらに備え、
上記各スレーブＤＣ／ＤＣコンバータの第１の誤差検出回路は、当該スレーブＤＣ／ＤＣコンバータが動作状態にあるとき、上記第１の基準電圧と上記第３の誤差電圧との和に基づく電圧を上記第１の誤差検出回路の基準電圧として使用し、当該スレーブＤＣ／ＤＣコンバータが休止状態にあるとき、上記第１の基準電圧と上記第２の誤差電圧との和に基づく電圧を上記第１の誤差検出回路の基準電圧として使用することを特徴とする。

本発明によれば、並列接続された複数のコンバータを備えた電源装置は、高い電力変換効率を有し、かつ、負荷装置の電力消費量の変動に対する高い応答性を有する。

本発明の実施形態に係る電源装置の構成を示すブロック図である。 図１のＤＣ／ＤＣコンバータ１の詳細構成を示すブロック図である。 図１のＤＣ／ＤＣコンバータ２，３の詳細構成を示すブロック図である。 図２及び図３の誤差検出回路１１，２１の詳細構成を示す回路図である。 図３の目標誤差電圧発生回路２６の詳細構成を示す回路図である。 比較例のＤＣ／ＤＣコンバータ２Ａ，３Ａの詳細構成を示すブロック図である。 図１の電源装置の出力電圧Ｖｏｕｔの波形を示すグラフである。 図１のＤＣ／ＤＣコンバータ１，２の出力電流Ｉｏｕｔ１，Ｉｏｕｔ２の波形を示すグラフである。 図６のＤＣ／ＤＣコンバータ２Ａ，３Ａを含む電源装置の出力電圧Ｖｏｕｔの波形を示すグラフである。 図６のＤＣ／ＤＣコンバータ２Ａ，３Ａを含む電源装置の出力電流Ｉｏｕｔ１，Ｉｏｕｔ２の波形を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態に係る電源装置の特徴について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る電源装置の構成を示すブロック図である。電源装置は、並列接続された複数のＤＣ／ＤＣコンバータ（以下、「コンバータ」と略す）１〜３、インダクタＬ１〜Ｌ３、及びキャパシタＣ１を備える。コンバータ１〜３は、電源装置の動作中において常に出力電流を発生する１つのマスタのコンバータ１と、電源装置の動作中において出力電流を発生する動作状態と出力電流を発生しない休止状態とを有する少なくとも１つのスレーブのコンバータ２，３とを含む。コンバータ１〜３は、共通の直流電圧源から入力電圧Ｖｉｎを取得し、各出力電流Ｉｏｕｔ１〜Ｉｏｕｔ３をインダクタＬ１〜Ｌ３を介してキャパシタＣ１に送る。インダクタＬ１〜Ｌ３及びキャパシタＣ１はフィルタを構成し、このフィルタにより平滑化された電圧が、電源装置の出力電圧Ｖｏｕｔとして負荷装置４に供給される。また、コンバータ１〜３のそれぞれは、その出力電流Ｉｏｕｔ１〜Ｉｏｕｔ３の大きさを内部でモニタリングし、さらに、電源装置の出力電圧Ｖｏｕｔをモニタリングする。コンバータ１は、コンバータ１の出力電流の大きさを示す信号（例えば電圧信号）Ｖｓｅｎｓｅ１を、他のコンバータ２，３に送る。スレーブのコンバータ２，３は、その出力電流Ｉｏｕｔ２，Ｉｏｕｔ３がマスタのコンバータ１の出力電流Ｉｏｕｔ１と等しくなるように動作し、これにより、全てのコンバータ１〜３の出力電流Ｉｏｕｔ１〜Ｉｏｕｔ３が等しくなる。

図２は、図１のＤＣ／ＤＣコンバータ１の詳細構成を示すブロック図である。コンバータ１は、基準電圧源Ｅ１、誤差検出回路１１、三角波発生回路１２、比較器１３、ドライバ回路１４、スイッチＳＷ１，ＳＷ２、及び電流センサ１５を備える。基準電圧源Ｅ１は、予め決められた基準電圧Ｖｒｅｆ１を発生する。誤差検出回路１１は、電源装置の出力電圧Ｖｏｕｔと基準電圧Ｖｒｅｆ１との誤差を表す誤差電圧Ｖｅｒｒｏｒ１を発生する。三角波発生回路１２は、予め決められた周波数及び振幅を有する三角波を発生する。比較器１３は、誤差電圧Ｖｅｒｒｏｒ１と三角波とを比較し、比較結果を示す信号をドライバ回路１４に送る。ドライバ回路１４は、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号を発生してスイッチＳＷ１，ＳＷ２のオン・オフを制御する。従って、比較器１３及びドライバ回路１４は、誤差電圧Ｖｅｒｒｏｒ１に基づいてスイッチＳＷ１，ＳＷ２を駆動する駆動回路として動作する。電流センサ１５は、コンバータ１の出力電流Ｉｏｕｔ１の大きさを検出し、出力電流値に比例した電圧を有する信号Ｖｓｅｎｓｅ１に変換する。信号Ｖｓｅｎｓｅ１は、コンバータ１から他のコンバータ２，３に送られる。

図３は、図１のＤＣ／ＤＣコンバータ２，３の詳細構成を示すブロック図である。コンバータ２は、基準電圧源Ｅ２、誤差検出回路２１、三角波発生回路２２、比較器２３、ドライバ回路２４、スイッチＳＷ３，ＳＷ４、及び電流センサ２５を備える。コンバータ２のこれらの構成要素は、コンバータ１の対応する構成要素と同様に構成される。基準電圧源Ｅ２は、コンバータ１の基準電圧源Ｅ１と同じ基準電圧Ｖｒｅｆ１を発生する。誤差検出回路２１には、基準電圧源Ｅ２によって発生された基準電圧Ｖｒｅｆ１ではなく、コンバータ２の出力電流Ｉｏｕｔ２がコンバータ１の出力電流Ｉｏｕｔ１に等しくなるように基準電圧Ｖｒｅｆ１を調整した基準電圧Ｖｒｅｆ２が入力される。コンバータ２は、さらに、目標誤差電圧発生回路２６、誤差検出回路２７，２８、加算器２９，３１、積分器３０、及び制御回路３２を備える。目標誤差電圧発生回路２６は、誤差検出回路２１から出力される第１の誤差電圧Ｖｅｒｒｏｒ１の目標値（コンバータ２が動作状態にあるときの理想値）である目標誤差電圧Ｖａｉｍを発生する。誤差検出回路２７は、第１の誤差電圧Ｖｅｒｒｏｒ１と目標誤差電圧Ｖａｉｍとの誤差を表す第２の誤差電圧Ｖｅｒｒｏｒ２を発生する。誤差検出回路２８は、コンバータ１の出力電流Ｉｏｕｔ１の大きさを示す信号Ｖｓｅｎｓｅ１と、コンバータ２の出力電流Ｉｏｕｔ２の大きさを示す信号Ｖｓｅｎｓｅ２との誤差を表す第３の誤差電圧Ｖｅｒｒｏｒ３を発生する。制御回路３２は、信号Ｖｓｅｎｓｅ１及び第２の誤差電圧Ｖｅｒｒｏｒ２に基づいてコンバータ２を動作状態又は休止状態に切り換える。制御回路３２は、コンバータ２が動作状態にあるとき、信号Ｖｓｅｎｓｅ１が予め決められたしきい値未満になると、負荷装置４の電力消費量が減少したと判断し、コンバータ２を休止状態に切り換える。制御回路３２は、コンバータ２が休止状態にあるとき、信号Ｖｓｅｎｓｅ１が予め決められたしきい値を超えて増大すると、負荷装置４の電力消費量が増大したと判断し、コンバータ２を動作状態に切り換える。また、制御回路３２は、コンバータ２が休止状態にあるとき、第２の誤差電圧Ｖｅｒｒｏｒ２が予め決められたしきい値を超えて増大すると、負荷装置４の電力消費量が増大したと判断し、コンバータ２を動作状態に切り換える。制御回路３２は、コンバータ２が動作状態及び休止状態のいずれにあるかに応じて、コンバータ２内の各構成要素のオン／オフを制御する。

コンバータ２が動作状態にあるとき、誤差検出回路２７及び目標誤差電圧発生回路２６のみが機能を停止し、他の構成要素は動作している。従って、このとき、第３の誤差電圧Ｖｅｒｒｏｒ３が積分器３０によって積分されて電圧調整値Ｖａｄｊｕｓｔになり、基準電圧Ｖｒｅｆ１と電圧調整値Ｖａｄｊｕｓｔとの和が基準電圧Ｖｒｅｆ２として誤差検出回路２１に入力される。言い換えると、コンバータ２が動作状態にあるとき、誤差検出回路２１は、基準電圧Ｖｒｅｆ１と積分された第３の誤差電圧Ｖｅｒｒｏｒ３との和を、誤差検出回路２１の基準電圧Ｖｒｅｆ２として使用する。

一方、コンバータ２が休止状態にあるとき、誤差検出回路２１，２７、目標誤差電圧発生回路２６、加算器２９，３１、積分器３０、基準電圧源Ｅ２、及び制御回路のみが動作し、他の構成要素は機能を停止している。従って、このとき、第２の誤差電圧Ｖｅｒｒｏｒ２が積分器３０によって積分されて電圧調整値Ｖａｄｊｕｓｔになり、基準電圧Ｖｒｅｆ１と電圧調整値Ｖａｄｊｕｓｔとの和が基準電圧Ｖｒｅｆ２として誤差検出回路２１に入力される。言い換えると、コンバータ２が休止状態にあるとき、誤差検出回路２１は、基準電圧Ｖｒｅｆ１と積分された第２の誤差電圧Ｖｅｒｒｏｒ２との和を、誤差検出回路２１の基準電圧として使用する。

コンバータ２の基準電圧源Ｅ２の基準電圧Ｖｒｅｆ１は、本来は、コンバータ１の基準電圧源Ｅ１の基準電圧Ｖｒｅｆ１と一致しているはずであるが、製造ばらつきにより誤差を有する可能性がある。従って、コンバータ２が動作状態にあるとき、基準電圧源Ｅ２の基準電圧Ｖｒｅｆ１は、第３の誤差電圧Ｖｅｒｒｏｒ３に基づき、コンバータ２の出力電流Ｉｏｕｔ２がコンバータ１の出力電流Ｉｏｕｔ１に等しくなるように調整される。コンバータ１，２が十分に長い時間にわたって動作して定常状態になると、コンバータ２の基準電圧源Ｅ２の基準電圧Ｖｒｅｆ１を調整した基準電圧Ｖｒｅｆ２は、コンバータ１の基準電圧源Ｅ１の基準電圧Ｖｒｅｆ１に等しくなっている。このとき、コンバータ１，２の各電流センサ１５，２５によって検出される出力電流Ｉｏｕｔ１，Ｉｏｕｔ２の大きさは等しくなる。ただし、このように基準電圧源Ｅ２の基準電圧Ｖｒｅｆ１の誤差を調整する機能は、コンバータ２が動作状態にあり、出力電流Ｉｏｕｔ２を発生していることが前提である。よって、コンバータ２が休止状態にあるとき、出力電流Ｉｏｕｔ２はゼロになるので、第３の誤差電圧Ｖｅｒｒｏｒ３に基づき、基準電圧源Ｅ２の基準電圧Ｖｒｅｆ１の誤差を補正することはできなくなる。このため、コンバータ２が休止状態にあるとき、基準電圧源Ｅ２の基準電圧Ｖｒｅｆ１は、第３の誤差電圧Ｖｅｒｒｏｒ３に代えて、第２の誤差電圧Ｖｅｒｒｏｒ２に基づいて調整される（後述）。

コンバータ３もコンバータ２と同様に構成される。

図４は、図２及び図３の誤差検出回路１１，２１の詳細構成を示す回路図である。誤差検出回路１１，２１は、抵抗Ｒ１〜Ｒ５、キャパシタＣ２，Ｃ３、及びオペアンプ４１を備えた位相補償回路および積分回路を含む。誤差検出回路１１，２１は、電源装置の出力電圧Ｖｏｕｔと基準電圧Ｖｒｅｆ１又はＶｒｅｆ２との誤差を検出し、この誤差を増幅して積分し、誤差電圧Ｖｅｒｒｏｒ１を発生する

図５は、図３の目標誤差電圧発生回路２６の詳細構成を示す回路図である。電源装置の出力電圧Ｖｏｕｔの目標値をＶｓｅｔと表すとき、誤差検出回路２１から出力される誤差電圧Ｖｅｒｒｏｒ１は、定常状態においては、Ｖｓｅｔ／Ｖｉｎに比例した値になるはずである。このため、目標誤差電圧発生回路２６は、Ｖｓｅｔ／Ｖｉｎに比例する目標誤差電圧Ｖａｉｍを発生するように設定される。

目標誤差電圧発生回路２６は、抵抗Ｒ１１〜Ｒ１４、誤差検出回路５１〜５３、Ｎｃｈ又はＰｃｈの電界効果トランジスタであるトランジスタＳＷ１１〜ＳＷ１６、及び基準電圧源Ｅ１１，Ｅ１２を備える。基準電圧源Ｅ１１は、電源装置の出力電圧Ｖｏｕｔの目標値Ｖｓｅｔに等しい基準電圧Ｖｒｅｆ３を発生する。基準電圧源Ｅ１２は、予め決められた基準電圧Ｖｒｅｆ４を発生する。目標誤差電圧発生回路２６には、図１の電源装置の入力電圧Ｖｉｎと同じ入力電圧Ｖｉｎが供給される。入力電圧Ｖｉｎを抵抗Ｒ１１，Ｒ１２で分圧して誤差検出回路５１に入力することで、抵抗Ｒ１３には、入力電圧Ｖｉｎに比例した電流が流れる。ＰｃｈトランジスタＳＷ１１，ＳＷ１２は同一条件でバイアスされるので、それぞれに流れる電流は等しい。このため、ＮｃｈトランジスタＳＷ１３にも、入力電圧Ｖｉｎに比例した電流が流れる。ＮｃｈトランジスタＳＷ１３は、線形領域で動作し、可変抵抗として扱うことが可能である。ＮｃｈトランジスタＳＷ１３のドレイン電圧は、誤差検出回路５２によって、基準電圧源Ｅ１２の基準電圧Ｖｒｅｆ４と等しくなるように制御される。このため、ＮｃｈトランジスタＳＷ１３を可変抵抗とみなすとき、基準電圧源Ｅ１２の基準電圧Ｖｒｅｆ４に等しい電圧が印加され、入力電圧Ｖｉｎに比例した電流が流れる。ここで、「電圧＝抵抗×電流」の関係式より、ＮｃｈトランジスタＳＷ１３のドレイン−ソース間抵抗値は、１／Ｖｉｎに比例することになる。抵抗Ｒ１４を流れる電流は、誤差検出回路５３により、基準電圧源Ｅ１１の基準電圧Ｖｒｅｆ３（すなわち、電源装置の出力電圧Ｖｏｕｔの目標値Ｖｓｅｔ）に比例するように制御される。ＰｃｈトランジスタＳＷ１４，ＳＷ１５は同一条件でバイアスされるので、それぞれに流れる電流はトランジスタサイズに比例する。従って、ＮｃｈトランジスタＳＷ１６にも、基準電圧源Ｅ１１の基準電圧Ｖｒｅｆ３（すなわちＶｓｅｔ）に比例した電流が流れる。ＮｃｈトランジスタＳＷ１６のゲート電圧は、ＮｃｈトランジスタＳＷ１３のゲート電圧と同じであり、かつ線形領域で動作する。従って、ＮｃｈトランジスタＳＷ１６は、ＮｃｈトランジスタＳＷ１３と同様に可変抵抗とみなすことができ、ＮｃｈトランジスタＳＷ１３の抵抗値とほぼ同じ抵抗値を有する。このため、ＮｃｈトランジスタＳＷ１６を可変抵抗とみなすときの抵抗値は、１／Ｖｉｎに比例し、基準電圧源Ｅ１１の基準電圧Ｖｒｅｆ３（すなわちＶｓｅｔ）に比例した電流が流れる。従って、目標誤差電圧Ｖａｉｍは、「電圧＝抵抗×電流」の関係式より、Ｖｓｅｔ／Ｖｉｎに比例することになる。これにより、目標誤差電圧Ｖａｉｍは、誤差検出回路２１から出力される誤差電圧Ｖｅｒｒｏｒ１の望ましい値に近い値になる。

図１のコンバータ２，３は、動作状態にあるときだけでなく、休止状態にあるときにおいても、基準電圧源Ｅ２の基準電圧Ｖｒｅｆ１と、コンバータ１の基準電圧源Ｅ１の基準電圧Ｖｒｅｆ１との誤差を調整することを特徴とする。コンバータ２が休止状態にあるとき、基準電圧Ｖｒｅｆ１と積分された第２の誤差電圧Ｖｅｒｒｏｒ２との和を誤差検出回路２１の基準電圧Ｖｒｅｆ２として使用することにより、基準電圧Ｖｒｅｆ２は、基準電圧源Ｅ１の基準電圧Ｖｒｅｆ１と等しくなる。その理由を以下に述べる。コンバータ２，３が休止状態にあるときであっても、マスタのコンバータ１は常に動作状態にあり、電源装置の出力電圧Ｖｏｕｔは目標値Ｖｓｅｔになるように制御され、また、誤差検出回路２１は動作している。従って、定常状態では、誤差検出回路２１から出力される誤差電圧Ｖｅｒｒｏｒ１は、Ｖｓｅｔ／Ｖｉｎに比例した値になるはずである。しかし、実際には、コンバータ２，３の基準電圧源Ｅ２の基準電圧Ｖｒｅｆ１は、コンバータ１の基準電圧源Ｅ１の基準電圧Ｖｒｅｆ１とは異なるので、誤差電圧Ｖｅｒｒｏｒ１は、コンバータ２，３が動作状態にあるときの理想値とは異なるものになる。実際の誤差電圧Ｖｅｒｒｏｒ１とその理想値との誤差は、誤差検出回路２１に含まれる積分回路により、時間の経過とともにどんどん大きくなる。そこで、目標誤差電圧発生回路２６により誤差電圧Ｖｅｒｒｏｒ１の目標値である目標誤差電圧Ｖａｉｍを発生し、誤差検出回路２７により目標誤差電圧Ｖａｉｍと実際の誤差電圧Ｖｅｒｒｏｒ１とを比較し、その誤差が０になるようにフィードバックをかける。これにより、基準電圧Ｖｒｅｆ２は、基準電圧源Ｅ１の基準電圧Ｖｒｅｆ１と等しくなることが期待できる。なぜなら、誤差電圧Ｖｅｒｒｏｒ１が理想値に等しいということは、コンバータ１とコンバータ２，３とが同じ動作をし、コンバータ１〜３の誤差検出回路１１，２１に入力される基準電圧Ｖｒｅｆ１，Ｖｒｅｆ２が互いに等しいということを意味するからである。

本実施形態に係る電源装置は、並列接続されたコンバータ１〜３を備えた電圧変換装置であり、負荷装置４の電力消費量が小さいときには一部のコンバータは休止状態になる。このとき、休止状態のコンバータにおいて、出力電圧Ｖｏｕｔと基準電圧Ｖｒｅｆ２との誤差を示す誤差電圧Ｖｅｒｒｏｒ１が常に目標誤差電圧Ｖａｉｍ（当該コンバータが動作状態にあるときの理想値）に等しくなるように、基準電圧Ｖｒｅｆ２を調整する。これにより、休止状態のコンバータにおいても、その基準電圧をマスタのコンバータ１の基準電圧に等しくなるように調整することができる。このため、負荷装置４の電力消費量が増大したとき、休止したコンバータを短い整定時間で復帰させることができる。

本実施形態に係る電源装置によれば、各コンバータ１〜３の出力電圧及び出力電流を調整するために各コンバータ１〜３の動作を外部コントローラから制御する必要がない。また、負荷装置の電力消費量が小さいときに一部のコンバータを休止させることにより、電源装置全体の電力変換効率を向上することができる。また、休止させたコンバータを復帰させるために必要な時間が短いので、電源装置全体として、負荷装置４の電力消費量の変動に対する応答性が良好である。

本実施形態に係る電源回路によれば、コンバータ２，３が休止状態にあっても、コンバータ２，３内のすべての構成要素をオフにすることなく、一部の構成要素を動作させ続けるので、休止状態から動作状態への復帰が高速になる。本実施形態に係る電源回路によれば、一部の構成要素を動作させ続けるための新規な方法を提案し、これにより、復帰時間を犠牲にせずに、休止中の消費電流をなるべく少なくすることができる。

以下、図６〜図１０を参照して、図１の電源装置の効果について説明する。

図６は、比較例のＤＣ／ＤＣコンバータ２Ａ，３Ａの詳細構成を示すブロック図である。図６のコンバータ２Ａ，３Ａは、図１の電源装置において、コンバータ２，３に代えて設けられる。コンバータ２Ａ，３Ａは、目標誤差電圧発生回路２６、誤差検出回路２７、及び加算器２９を除去したことを除いて、図３のコンバータ２，３と同様に構成される。制御回路３２Ａは、信号Ｖｓｅｎｓｅ１に基づいてコンバータ２Ａを動作状態又は休止状態に切り換える。コンバータ２Ａ，３Ａが休止状態にあるとき、前述のように、出力電流Ｉｏｕｔ２，Ｉｏｕｔ３はゼロになるので、誤差電圧Ｖｅｒｒｏｒ３に基づき、基準電圧源Ｅ２の基準電圧Ｖｒｅｆ１の誤差を補正することはできなくなる。このため、コンバータ２，３を休止状態から動作状態に復帰させたとき、コンバータ２，３の出力電流Ｉｏｕｔ２，Ｉｏｕｔ３がコンバータ１の出力電流Ｉｏｕｔ１に等しくなるように調整するための整定時間が必要になり、応答性が悪化する。

図７は、図１の電源装置の出力電圧Ｖｏｕｔの波形を示すグラフである。図８は、図１のＤＣ／ＤＣコンバータ１，２の出力電流Ｉｏｕｔ１，Ｉｏｕｔ２の波形を示すグラフである。図９は、図６のＤＣ／ＤＣコンバータ２Ａ，３Ａを含む電源装置の出力電圧Ｖｏｕｔの波形を示すグラフである。図１０は、図６のＤＣ／ＤＣコンバータ２Ａ，３Ａを含む電源装置の出力電流Ｉｏｕｔ１，Ｉｏｕｔ２の波形を示すグラフである。図７〜図１０のシミュレーションでは、負荷装置４の電力消費量が小さい初期状態から開始し、１００マイクロ秒の時点で、負荷装置４の電力消費量が大きい状態に変化させるという同一条件下において、電圧及び電流の応答を確認した。出力電圧Ｖｏｕｔの目標値Ｖｓｅｔを１．２Ｖに設定した。以下、説明の簡単化のため、電源装置は２つのコンバータ１，２（図７及び図８）又は１，２Ａ（図９及び図１０）のみを備えるものとする。

まず、図９及び図１０のシミュレーション結果について説明する。１００マイクロ秒以前の時間区間では、負荷装置４の電力消費量が小さく、コンバータ１のみが動作状態にあり、コンバータ２は休止状態にある。出力電圧Ｖｏｕｔは目標値１．２Ｖで安定している。１００マイクロ秒の時点で負荷装置４の電力消費量が大きくなり、コンバータ２は休止状態から動作状態に復帰したが、出力電圧Ｖｏｕｔは、目標値１．２Ｖに対して−０．１５Ｖ〜＋０．１Ｖの範囲で大きく変動した（図９）。コンバータ１，２の出力電流Ｉｏｕｔ１，Ｉｏｕｔ２の値が等しくなるのに必要な時間は、３０マイクロ秒程度であった（図１０）。

次に、図７及び図８のシミュレーション結果について説明する。１００マイクロ秒の時点で負荷装置４の電力消費量が大きくなったとき、目標値１．２Ｖに対する出力電圧Ｖｏｕｔの乖離は、−０．０３Ｖ〜＋０．０２Ｖの範囲に減少した（図７）。コンバータ１，２の出力電流Ｉｏｕｔ１，Ｉｏｕｔ２の値が等しくなるのに必要な時間も、１０マイクロ秒以下に短縮した（図８）。

図７〜図１０からわかるように、図１の電源装置によれば、負荷装置４の電力消費量が増大したとき、休止したコンバータ２を短い整定時間で復帰させることができる。

変形例．
各コンバータ１〜３は、２つのスイッチを備えたことにより同期整流型のＤＣ／ＤＣコンバータとして動作するが、少なくとも１つのスイッチを備えた他のタイプのＤＣ／ＤＣコンバータとして構成されてもよい。

電源装置は、１つのマスタのコンバータと、３つ以上のスレーブのコンバータを備えてもよい。

本発明の態様に係る電源装置は、以下の構成を備えたことを特徴とする。

本発明の第１の態様に係る電源装置によれば、
並列接続された複数のＤＣ／ＤＣコンバータを備えた電源装置において、
上記複数のＤＣ／ＤＣコンバータのそれぞれは、
少なくとも１つのスイッチと、
上記電源装置の出力電圧と基準電圧との誤差を表す第１の誤差電圧を発生する第１の誤差検出回路と、
上記第１の誤差電圧に基づいて上記スイッチを駆動する駆動回路と、
上記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電流値を検出する電流センサとを備え、
上記複数のＤＣ／ＤＣコンバータは、
上記電源装置の動作中において出力電流を発生する１つのマスタＤＣ／ＤＣコンバータと、
上記電源装置の動作中において出力電流を発生する動作状態と出力電流を発生しない休止状態とを有する少なくとも１つのスレーブＤＣ／ＤＣコンバータとを含み、
上記各スレーブＤＣ／ＤＣコンバータは、
予め決められた第１の基準電圧を発生する基準電圧源と、
上記第１の誤差電圧の目標値である目標誤差電圧を発生する目標誤差電圧発生回路と、
上記第１の誤差電圧と上記目標誤差電圧との誤差を表す第２の誤差電圧を発生する第２の誤差検出回路と、
上記マスタＤＣ／ＤＣコンバータの出力電流値と当該スレーブＤＣ／ＤＣコンバータの出力電流値との誤差を表す第３の誤差電圧を発生する第３の誤差検出回路とをさらに備え、
上記各スレーブＤＣ／ＤＣコンバータの第１の誤差検出回路は、当該スレーブＤＣ／ＤＣコンバータが動作状態にあるとき、上記第１の基準電圧と上記第３の誤差電圧との和に基づく電圧を上記第１の誤差検出回路の基準電圧として使用し、当該スレーブＤＣ／ＤＣコンバータが休止状態にあるとき、上記第１の基準電圧と上記第２の誤差電圧との和に基づく電圧を上記第１の誤差検出回路の基準電圧として使用することを特徴とする。

本発明の第２の態様に係る電源装置によれば、第１の態様に係る電源装置において、
上記目標誤差電圧は、上記電源装置の入力電圧に対する上記電源装置の出力電圧の目標値の比に比例するように設定されることを特徴とする。

本発明の第３の態様に係るＤＣ／ＤＣコンバータによれば、
１つのマスタコンバータ及び少なくとも１つのスレーブコンバータを含む並列接続された複数のＤＣ／ＤＣコンバータを備えた電源装置のスレーブコンバータとして動作するＤＣ／ＤＣコンバータにおいて、
上記マスタコンバータは、上記電源装置の動作中において出力電流を発生し、
上記各スレーブコンバータは、上記電源装置の動作中において出力電流を発生する動作状態と出力電流を発生しない休止状態とを有し、
上記マスタコンバータは、上記マスタコンバータの出力電流値を検出する電流センサを備え、
上記各スレーブコンバータは、
少なくとも１つのスイッチと、
上記電源装置の出力電圧と基準電圧との誤差を表す第１の誤差電圧を発生する第１の誤差検出回路と、
上記第１の誤差電圧に基づいて上記スイッチを駆動する駆動回路と、
当該スレーブコンバータの出力電流値を検出する電流センサと、
予め決められた第１の基準電圧を発生する基準電圧源と、
上記第１の誤差電圧の目標値である目標誤差電圧を発生する目標誤差電圧発生回路と、
上記第１の誤差電圧と上記目標誤差電圧との誤差を表す第２の誤差電圧を発生する第２の誤差検出回路と、
上記マスタコンバータの出力電流値と当該スレーブコンバータの出力電流値との誤差を表す第３の誤差電圧を発生する第３の誤差検出回路とを備え、
上記各スレーブコンバータの第１の誤差検出回路は、当該スレーブコンバータが動作状態にあるとき、上記第１の基準電圧と上記第３の誤差電圧との和に基づく電圧を上記第１の誤差検出回路の基準電圧として使用し、当該スレーブコンバータが休止状態にあるとき、上記第１の基準電圧と上記第２の誤差電圧との和に基づく電圧を上記第１の誤差検出回路の基準電圧として使用することを特徴とする。

本発明の第４の態様に係るＤＣ／ＤＣコンバータによれば、第３の態様に係るＤＣ／ＤＣコンバータにおいて、
上記目標誤差電圧は、上記電源装置の入力電圧に対する上記電源装置の出力電圧の目標値の比に比例するように設定されることを特徴とする。

本発明の態様に係る電源装置は、例えば、インダクタ内蔵ＤＣ／ＤＣコンバータを備えた電源装置に適用可能である。

１〜３…ＤＣ／ＤＣコンバータ、
４…負荷装置、
１１，２１…誤差検出回路、
１２，２２…三角波発生回路、
１３，２３…比較器、
１４，２４…ドライバ回路、
１５，２５…電流センサ、
２６…目標誤差電圧発生回路、
２７，２８，５１〜５３…誤差検出回路、
２９，３１…加算器、
３２…制御回路、
３０…積分器、
４１…オペアンプ、
Ｃ１〜Ｃ３…キャパシタ、
Ｅ１，Ｅ２，Ｅ１１，Ｅ１２…基準電圧源、
Ｌ１〜Ｌ３…インダクタ、
Ｒ１〜Ｒ５，Ｒ１１〜Ｒ１４…抵抗、
ＳＷ１〜ＳＷ４…スイッチ。
ＳＷ１１，ＳＷ１２，ＳＷ１４，ＳＷ１５…Ｐｃｈトランジスタ、
ＳＷ１３，ＳＷ１６…Ｎｃｈトランジスタ。

特開２００９−２１９１８４号公報 特開２０１２−０１０４２０号公報

Claims (4)

1. 並列接続された複数のＤＣ／ＤＣコンバータを備えた電源装置において、
   上記複数のＤＣ／ＤＣコンバータのそれぞれは、
   少なくとも１つのスイッチと、
   上記電源装置の出力電圧と基準電圧との誤差を表す第１の誤差電圧を発生する第１の誤差検出回路と、
   上記第１の誤差電圧に基づいて上記スイッチを駆動する駆動回路と、
   上記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電流値を検出する電流センサとを備え、
   上記複数のＤＣ／ＤＣコンバータは、
   上記電源装置の動作中において出力電流を発生する１つのマスタＤＣ／ＤＣコンバータと、
   上記電源装置の動作中において出力電流を発生する動作状態と出力電流を発生しない休止状態とを有する少なくとも１つのスレーブＤＣ／ＤＣコンバータとを含み、
   上記各スレーブＤＣ／ＤＣコンバータは、
   予め決められた第１の基準電圧を発生する基準電圧源と、
   上記第１の誤差電圧の目標値である目標誤差電圧を発生する目標誤差電圧発生回路と、
   上記第１の誤差電圧と上記目標誤差電圧との誤差を表す第２の誤差電圧を発生する第２の誤差検出回路と、
   上記マスタＤＣ／ＤＣコンバータの出力電流値と当該スレーブＤＣ／ＤＣコンバータの出力電流値との誤差を表す第３の誤差電圧を発生する第３の誤差検出回路とをさらに備え、
   上記各スレーブＤＣ／ＤＣコンバータの第１の誤差検出回路は、当該スレーブＤＣ／ＤＣコンバータが動作状態にあるとき、上記第１の基準電圧と上記第３の誤差電圧との和に基づく電圧を上記第１の誤差検出回路の基準電圧として使用し、当該スレーブＤＣ／ＤＣコンバータが休止状態にあるとき、上記第１の基準電圧と上記第２の誤差電圧との和に基づく電圧を上記第１の誤差検出回路の基準電圧として使用することを特徴とする電源装置。
2. 上記目標誤差電圧は、上記電源装置の入力電圧に対する上記電源装置の出力電圧の目標値の比に比例するように設定されることを特徴とする請求項１記載の電源装置。
3. １つのマスタコンバータ及び少なくとも１つのスレーブコンバータを含む並列接続された複数のＤＣ／ＤＣコンバータを備えた電源装置のスレーブコンバータとして動作するＤＣ／ＤＣコンバータにおいて、
   上記マスタコンバータは、上記電源装置の動作中において出力電流を発生し、
   上記各スレーブコンバータは、上記電源装置の動作中において出力電流を発生する動作状態と出力電流を発生しない休止状態とを有し、
   上記マスタコンバータは、上記マスタコンバータの出力電流値を検出する電流センサを備え、
   上記各スレーブコンバータは、
   少なくとも１つのスイッチと、
   上記電源装置の出力電圧と基準電圧との誤差を表す第１の誤差電圧を発生する第１の誤差検出回路と、
   上記第１の誤差電圧に基づいて上記スイッチを駆動する駆動回路と、
   当該スレーブコンバータの出力電流値を検出する電流センサと、
   予め決められた第１の基準電圧を発生する基準電圧源と、
   上記第１の誤差電圧の目標値である目標誤差電圧を発生する目標誤差電圧発生回路と、
   上記第１の誤差電圧と上記目標誤差電圧との誤差を表す第２の誤差電圧を発生する第２の誤差検出回路と、
   上記マスタコンバータの出力電流値と当該スレーブコンバータの出力電流値との誤差を表す第３の誤差電圧を発生する第３の誤差検出回路とを備え、
   上記各スレーブコンバータの第１の誤差検出回路は、当該スレーブコンバータが動作状態にあるとき、上記第１の基準電圧と上記第３の誤差電圧との和に基づく電圧を上記第１の誤差検出回路の基準電圧として使用し、当該スレーブコンバータが休止状態にあるとき、上記第１の基準電圧と上記第２の誤差電圧との和に基づく電圧を上記第１の誤差検出回路の基準電圧として使用することを特徴とするＤＣ／ＤＣコンバータ。
4. 上記目標誤差電圧は、上記電源装置の入力電圧に対する上記電源装置の出力電圧の目標値の比に比例するように設定されることを特徴とする請求項３記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。

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