JP6819325B2

JP6819325B2 - スイッチング電源装置

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Publication number: JP6819325B2
Application number: JP2017017335A
Authority: JP
Inventors: 旻林; 研松浦
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2017-02-02
Filing date: 2017-02-02
Publication date: 2021-01-27
Anticipated expiration: 2037-02-02
Also published as: JP2018125994A

Description

本発明は、互いに並列に接続されてインターリーブ駆動される複数の共振型スイッチング回路部を備えたスイッチング電源装置に関するものである。

この種のスイッチング電源装置として、下記の非特許文献１に開示されたスイッチング電源装置が知られている。このスイッチング電源装置１００は、図７に示すように、一対の直流入力端子１０２ａ，１０２ｂと一対の直流出力端子１０３ａ，１０３ｂとの間に、共振型スイッチング回路部としてのＥ級インバータ回路１４０_１および共振整流平滑回路１５０_１を有するコンバータと、共振型スイッチング回路部としてのＥ級インバータ回路１４０_２および共振整流平滑回路１５０_２を有するもう１つのコンバータとが並列に接続されて構成されて、直流入力端子１０２ａ，１０２ｂに入力される直流入力電圧Ｖｉを直流出力電圧Ｖｏに変換して直流出力端子１０３ａ，１０３ｂから出力可能に構成されている。また、このスイッチング電源装置１００は、直流入力端子１０２ｂおよび直流出力端子１０３ｂが共に共通グランドＧに接続されることで、非絶縁型コンバータ装置として構成されている。

具体的には、Ｅ級インバータ回路１４０_１は、直流入力端子１０２ａ，１０２ｂのうちの一方の直流入力端子１０２ａに一端が接続された第１インダクタ１４１_１、第１インダクタ１４１_１の他端に一方の端子が接続されると共に直流入力端子１０２ａ，１０２ｂのうちの共通グランドＧに接続された直流入力端子１０２ｂに他方の端子が接続されたスイッチング素子１４２_１、スイッチング素子１４２_１に並列に接続された第１共振キャパシタ１４３_１、および第１インダクタ１４１_１の他端に一端が接続された第２共振インダクタ１４４_１を備えている。また、Ｅ級インバータ回路１４０_１の後段に接続された共振整流平滑回路１５０_１は、第２共振インダクタ１４４_１の他端にアノード端子が接続されると共に直流出力端子１０３ａ，１０３ｂのうちの一方の直流出力端子１０３ａにカソード端子が接続されたダイオード１５１_１、ダイオード１５１_１に並列に接続された第２共振キャパシタ１５２_１、および直流出力端子１０３ａ，１０３ｂ間に接続された平滑キャパシタ１５３を備えている。

また、Ｅ級インバータ回路１４０_２は、直流入力端子１０２ａに一端が接続された第１インダクタ１４１_２、第１インダクタ１４１_２の他端に一方の端子が接続されると共に直流入力端子１０２ｂに他方の端子が接続されたスイッチング素子１４２_２、スイッチング素子１４２_２に並列に接続された第１共振キャパシタ１４３_２、および第１インダクタ１４１_２の他端に一端が接続された第２共振インダクタ１４４_２を備えている。また、Ｅ級インバータ回路１４０_２の後段に接続された共振整流平滑回路１５０_２は、第２共振インダクタ１４４_２の他端にアノード端子が接続されると共に直流出力端子１０３ａにカソード端子が接続されたダイオード１５１_２、ダイオード１５１_２に並列に接続された第２共振キャパシタ１５２_２および平滑キャパシタ１５３を備えている。

この構成により、このスイッチング電源装置１００では、Ｅ級インバータ回路１４０_１および共振整流平滑回路１５０_１を有するコンバータと、Ｅ級インバータ回路１４０_２および共振整流平滑回路１５０_２を有するもう１つのコンバータとが、平滑キャパシタ１５３を共用する形態で並列に接続されている。

このスイッチング電源装置１００では、Ｅ級インバータ回路１４０_１，１４０_２の各スイッチング素子１４２_１，１４２_２にインターリーブ動作させるための駆動電圧Ｖｐ_１，Ｖｐ_２（１８０°位相のずれた逆相の駆動電圧Ｖｐ_１，Ｖｐ_２）が供給されることにより、直流出力端子１０３ａ，１０３ｂから出力される直流出力電圧Ｖｏに生じるリップルの周波数を各スイッチング素子１４２_１，１４２_２のスイッチング周波数（駆動電圧Ｖｐ_１，Ｖｐ_２の周波数）の２倍にすることができ、これによってこの２つのコンバータのいずれか１つでスイッチング電源装置を構成する場合と比較して、１つのコンバータにかかる負担を軽減できる結果、出力容量を大きくしつつ（大電力化を図りつつ）、平滑キャパシタ１５３の容量を小さくすること（つまり、平滑キャパシタ１５３を小型化すること）、ひいては装置全体を小型化することが可能となっている。

On the Ongoing Evolution of Very High Frequency Power Supplies, The Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), 2013 Twenty-Eighth Annual IEEE, APEC 2013, PP 17-21, March 2013.

しかしながら、従来のスイッチング電源装置には、以下のような解決すべき課題が存在している。具体的には、この種のスイッチング電源装置に対して、さらなる小型化が望まれている。そのためには、更なる部品点数の削減が必要となるが、共振整流平滑回路部の平滑コンデンサを共用しているものの、共振型スイッチング回路部（上記のＥ級インバータ回路）および共振整流平滑回路部で構成されるコンバータのほぼ全体を単純に複数個並列に接続する従来のスイッチング電源装置では、この要望に応えることが難しいという課題が存在している。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、互いに並列に接続されてインターリーブ駆動される複数の共振型スイッチング回路部を備えて大電力化を図りつつ、装置全体をより小型化し得るスイッチング電源装置を提供することを主目的とする。

上記目的を達成すべく、本発明に係るスイッチング電源装置は、スイッチング素子を有すると共に直流入力部と交流出力部との間に並列接続されて、前記スイッチング素子がオン・オフ駆動されることによって前記直流入力部から入力される直流入力電圧を交流出力電圧に変換して前記交流出力部に出力する複数の共振型スイッチング回路部と、前記交流出力部と直流出力部との間に配設されて前記交流出力電圧を直流出力電圧に変換して当該直流出力部から出力する１つの共振整流平滑回路部と、前記複数の共振型スイッチング回路の前記スイッチング素子をインターリーブ動作させるための駆動信号を生成して出力する制御部とを備えているスイッチング電源装置であって、前記共振型スイッチング回路部は、第１インダクタおよび前記スイッチング素子の直列回路、一端が前記第１インダクタおよび前記スイッチング素子の接続点に接続された第２共振インダクタ、並びに前記スイッチング素子に並列接続された第１共振キャパシタを備えると共に、前記第１インダクタおよび前記スイッチング素子の前記直列回路が前記直流入力部を構成する一対の直流入力端子間に接続され、前記第１インダクタおよび前記第２共振インダクタの直列回路が前記一対の直流入力端子のうちの一方の直流入力端子と前記交流出力部を構成する一対の交流出力端子のうちの一方の交流出力端子との間に接続され、かつ前記スイッチング素子の一対の端子のうちの前記接続点に接続されていない端子が前記一対の直流入力端子のうちの他方の直流入力端子と前記一対の交流出力端子のうちの他方の交流出力端子とに接続されている。

これにより、複数の共振型スイッチング回路部が１つの共振整流平滑回路部を共用する構成のため、共振整流平滑回路部を共振型スイッチング回路部毎に個別に設ける従来例の構成と比較して、並列接続する共振型スイッチング回路部の数に関係なく共振整流平滑回路部を１つとすることができるため、その分だけ部品点数を削減することができ、これにより、大電力化を図りつつ、装置全体をより小型化することができる。また、共振型スイッチング回路部を簡易な構成で実現することができる。

また、本発明に係るスイッチング電源装置は、前記共振整流平滑回路部は、第２共振キャパシタおよび共振整流素子の並列回路と、前記直流出力部を構成する一対の直流出力端子間に接続された平滑キャパシタとを備えると共に、前記並列回路が前記交流出力部と前記直流出力部との間に直列接続されて、共振整流平滑回路として構成されている

これにより、共振整流平滑回路部を簡易な構成で実現することができる。

また、本発明に係る本発明に係るスイッチング電源装置は、前記共振整流平滑回路部は、第２共振キャパシタおよび第３共振キャパシタの直列回路と、前記第３共振キャパシタに並列接続された第３共振インダクタと、前記第２共振キャパシタおよび前記第３共振キャパシタの接続点と前記直流出力部との間に接続された整流素子とを備えると共に、前記第２共振キャパシタおよび前記第３共振キャパシタの前記直列回路が前記交流出力部を構成する一対の交流出力端子間に接続されて、共振整流平滑回路として構成されている。

これにより、第３共振インダクタを備えた分だけ共振整流平滑回路部での共振周波数の設定の幅が広がるため、この共振周波数の設定が容易になる。

また、本発明に係る本発明に係るスイッチング電源装置は、前記共振整流平滑回路部は、第２共振キャパシタおよび第３共振キャパシタの直列回路と、第１巻線および第２巻線を有して当該第１巻線が前記第３共振キャパシタに並列接続された絶縁トランスと、前記第２巻線と前記直流出力部との間に接続された整流素子とを備えると共に、前記第２共振キャパシタおよび前記第３共振キャパシタの前記直列回路が前記交流出力部を構成する一対の交流出力端子間に接続されて、共振整流平滑回路として構成されている。

これにより、共振整流平滑回路部の絶縁トランスによって直流入力部側の基準電位と直流出力部側の基準電位とを磁界によって絶縁（電気的に分離）することができる。

本発明によれば、並列に接続された複数の共振型スイッチング回路部を備えつつ、装置全体をより小型化し得るスイッチング電源装置を提供することができる。また、本発明によれば、共振型スイッチング回路部を簡易な構成で実現することができる。

スイッチング電源装置１ａの構成図である。スイッチング電源装置１ａの動作を説明するための波形図である。スイッチング電源装置１ｂの構成図である。スイッチング電源装置１ｂの動作を説明するための波形図である。スイッチング電源装置１ｃの構成図である。スイッチング電源装置１ｄの構成図である。従来のスイッチング電源装置１００の構成図である。

以下、スイッチング電源装置の実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。

スイッチング電源装置の一例としてのスイッチング電源装置１ａは、図１に示すように、直流入力部としての一対の直流入力端子２ａ，２ｂ、交流出力部としての一対の交流出力端子Ｐａ，Ｐｂ、直流出力部としての一対の直流出力端子３ａ，３ｂ、複数の共振型スイッチング回路部（同図では一例として２個の共振型スイッチング回路部４_１，４_２）、１つの共振整流平滑回路部５ａ、および制御部６を備え、直流入力端子２ａ，２ｂ間に入力される直流入力電圧Ｖｉに基づいて直流出力電圧Ｖｏを生成して直流出力端子３ａ，３ｂから出力可能に構成されている。なお、本例では一例として、直流入力電圧Ｖｉは、基準電位（本例では共通グランドＧ）に接続された直流入力端子２ｂを低電位側として、直流入力端子２ａ，２ｂ間に入力される。また、本例では、直流出力端子３ａ，３ｂのうちの直流出力端子３ｂも共通グランドＧに接続されて、スイッチング電源装置１ａが非絶縁型コンバータ装置として構成されるため、直流出力電圧Ｖｏは、直流出力端子３ｂを低電位側として、直流出力端子３ａ，３ｂ間から出力される。また、本例では、交流出力端子Ｐａ，Ｐｂのうちの交流出力端子Ｐｂも共通グランドＧに接続されている。

共振型スイッチング回路部４_１，４_２（以下、単にスイッチング回路部４_１，４_２ともいう）は、一例として同一の構成を備えたインバータ回路として構成されて、直流入力端子２ａ，２ｂと交流出力端子Ｐａ，Ｐｂとの間に並列接続されている。

具体的には、スイッチング回路部４_１は、第１インダクタ４１_１およびスイッチング素子４２_１の直列回路、スイッチング素子４２_１に並列接続された第１共振キャパシタ４３_１、および一端が第１インダクタ４１_１およびスイッチング素子４２_１の接続点（第１接続点Ａ_１）に接続された第２共振インダクタ４４_１を備えている。また、スイッチング回路部４_１では、第１インダクタ４１_１およびスイッチング素子４２_１の直列回路が一対の直流入力端子２ａ，２ｂ間に接続され、第１インダクタ４１_１および第２共振インダクタ４４_１の直列回路が一対の直流入力端子２ａ，２ｂのうちの一方の直流入力端子（この例では直流入力端子２ａ）と一対の交流出力端子Ｐａ，Ｐｂのうちの一方の交流出力端子（この例では交流出力端子Ｐａ）との間に接続され、かつスイッチング素子４２_１の一対の端子のうちの第１接続点Ａ_１に接続されていない端子が一対の直流入力端子２ａ，２ｂのうちの他方の直流入力端子（この例では直流入力端子２ｂ）と一対の交流出力端子Ｐａ，Ｐｂのうちの他方の交流出力端子（この例では交流出力端子Ｐｂ）とに接続されている。なお、第１共振キャパシタ４３_１には、スイッチング素子４２_１の出力容量（不図示）が含まれるものとする。

また、スイッチング回路部４_２は、図１に示すように、第１インダクタ４１_２、スイッチング素子４２_２、第１共振キャパシタ４３_２、および第２共振インダクタ４４_２を備え、第１接続点Ａ_２で互いに接続された第１インダクタ４１_２およびスイッチング素子４２_２の直列回路が一対の直流入力端子２ａ，２ｂ間に接続され、第１接続点Ａ_２で互いに接続された第１インダクタ４１_２および第２共振インダクタ４４_２の直列回路が直流入力端子２ａと交流出力端子Ｐａとの間に接続され、かつスイッチング素子４２_２の一対の端子のうちの第１接続点Ａ_２に接続されていない端子が直流入力端子２ｂと交流出力端子Ｐｂとに接続されて、スイッチング回路部４_１と同一に構成されている。なお、第１共振キャパシタ４３_２には、スイッチング素子４２_２の出力容量（不図示）が含まれるものとする。以上の構成を備えたスイッチング回路部４_１，４_２は、２相のＥ級インバータ回路として構成されている。

この場合、スイッチング素子４２_１，４２_２は、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Ｔransistor）などの電界効果型トランジスタ、バイポーラトランジスタまたはＧａＮ（窒化ガリウム）デバイスなどで構成されている。

以上の構成を備えた各スイッチング回路部４_１，４_２は、制御部６から供給される後述の駆動電圧Ｖｐ_１，Ｖｐ_２でそれぞれのスイッチング素子４２_１，４２_２がインターリーブ駆動されることにより、直流入力端子２ａ，２ｂ間に入力される直流入力電圧Ｖｉを交流出力電圧Ｖａｃに変換して交流出力端子Ｐａ，Ｐｂに出力することが可能となっている。

共振整流平滑回路部５ａは、一例として、共振整流素子としてのダイオード５１、第２共振キャパシタ５２および平滑キャパシタ５３を備えて、共振整流平滑回路として構成されている。具体的には、ダイオード５１は、アノード端子が一方の交流出力端子Ｐａに接続され、カソード端子が一方の直流出力端子３ａに接続されている。第２共振キャパシタ５２は、ダイオード５１に並列に接続されている。なお、第２共振キャパシタ５２には、ダイオード５１のＰＮ接合容量が含まれるものとする。平滑キャパシタ５３は、直流出力端子３ａ，３ｂ間に接続されている。つまり、このスイッチング電源装置１ａでは、共振整流平滑回路部５ａは、各スイッチング回路部４_１，４_２によって共用される構成となっている。この構成により、共振整流平滑回路部５ａは、交流出力端子Ｐａ，Ｐｂ間に生じる交流出力電圧Ｖａｃを直流出力電圧Ｖｏに変換して直流出力端子３ａ，３ｂから出力することが可能となっている。

詳細には、共振整流平滑回路部５ａでは、定常状態において、平滑キャパシタ５３の両端の直流出力電圧Ｖｏを電圧源として、スイッチング素子４２_１，４２_２のオン／オフによってスイッチング素子４２_１，４２_２の両端に発生した直流分を含む交流成分電圧が第２共振インダクタ４４_１，４４_２と第２共振キャパシタ５２とで構成されるＬＣ共振回路に入力することで、交流出力端子Ｐａ，Ｐｂ間に共振電圧（交流出力電圧Ｖａｃ）が発生する。この場合、スイッチング素子４２_１，４２_２の両端に発生した上記の直流分を含む交流成分電圧の基本波周波数が上記のＬＣ共振回路の共振周波数に接近すればするほど交流出力電圧Ｖａｃの振幅が大きくなる。また、ダイオード５１の順方向導通電圧を無視できるとすると、交流出力電圧Ｖａｃが出力電圧Ｖｏより高くなると、ダイオード５１がオンにし、交流出力電圧Ｖａｃが直流出力電圧Ｖｏにクランプされる。また、交流出力電圧Ｖａｃが直流出力電圧Ｖｏより低くなるとダイオード５１がオフすることから、上記のＬＣ共振回路において共振が発生して、交流出力電圧Ｖａｃが振動することで、交流出力電圧Ｖａｃに負の共振ピークが生じる。また、図２に示すように、ダイオード５１のオンからオフへの切替時には第２共振キャパシタ５２の両端電圧がゼロで、ダイオード５１と第２共振キャパシタ５２の並列回路全体に流れる電流Ｉｒもゼロである。

制御部６は、直流出力電圧Ｖｏを検出しつつ、各スイッチング回路部４_１，４_２のスイッチング素子４２_１，４２_２をインターリーブ駆動するための駆動信号としての駆動電圧Ｖｐ_１，Ｖｐ_２を生成して出力する。本例では、並列接続されているスイッチング回路部の数が、スイッチング回路部４_１，４_２の２つであるため、駆動電圧Ｖｐ_１，Ｖｐ_２は、図２に示すように、互いの位相が１８０°（＝３６０°／２）ずれた信号（逆相の信号）となっている。なお、並列接続されているスイッチング回路部の数がｎ（３以上の数）のときには、制御部６が生成する駆動信号（駆動電圧Ｖｐ）の数もｎ個となり、ｎ個の駆動電圧Ｖｐは、互いの位相が３６０°／ｎずれた信号となる。これにより、本例では、２つのスイッチング回路部４_１，４_２（具体的には、スイッチング回路部４_１，４_２の各スイッチング素子４２_１，４２_２）は、交互にオン状態に移行する。

次に、スイッチング電源装置１ａの基本動作について、図２の定常動作波形図を参照して説明する。

まず、時間ｔ０から時間ｔ１までの期間での動作について説明する。

この期間では、スイッチング素子４２_１のオン／オフを制御する制御部６からの駆動電圧Ｖｐ_１は、スイッチング素子４２_１をオンとするために時間ｔ（＝ｔ０）のときにハイレベルになり、その後、時間ｔ（＝ｔ１）までハイレベルを維持する。また、スイッチング素子４２_２のオン／オフを制御する制御部６からの駆動電圧Ｖｐ_２は、スイッチング素子４２_２をオフとするために時間ｔ（＝ｔ０）のときにローレベルになり、その後、時間ｔ（＝ｔ１）までローレベルを維持する。

このため、スイッチング回路部４_１，４_２では、スイッチング素子４２_１がオンとなり（導通状態となり）、スイッチング素子４２_２はオフとなる（遮断状態となる）。これにより、スイッチング回路部４_１では、スイッチング素子４２_１の両端間の電圧Ｖ２_１は零であり、第１共振キャパシタ４３_１に流れる電流Ｉｃ_１は零である。一方、スイッチング回路部４_２では、第１インダクタ４１_２、第２共振インダクタ４４_２および第１共振キャパシタ４３_２で構成されるネットワークの応答によって共振が生じ、これによって図２に示すような電流Ｉｃ_２が第１共振キャパシタ４３_２に流れる。この結果、スイッチング素子４２_２の両端間の電圧Ｖ２_２は、時間ｔ０のときの零から上昇し始め、その後、正の共振ピークに達した後に、時間ｔ１までに零に戻る（低下する）。

この期間において、共振整流平滑回路部５ａは、スイッチング回路部４_１，４_２から交流出力端子Ｐａ，Ｐｂ間に出力される交流出力電圧Ｖａｃを共振整流平滑することにより、リップル成分の周波数がスイッチング素子４２_１，４２_２のスイッチング周波数（駆動電圧Ｖｐ_１，Ｖｐ_２の周波数）の２倍となる直流出力電圧Ｖｏを生成して出力する。この場合、交流出力電圧Ｖａｃは、正弦波状の共振波形として発生するが、実際にダイオード５１の順方向導通電圧を無視できるとすると、図２に示すように、時間ｔ（＝ｔ０）のときの電圧値（直流出力電圧Ｖｏ）から低下し始め、その後、共振ピーク値まで低下すると共に、時間ｔ１までに直流出力電圧Ｖｏに達する（上昇する）。また、交流出力電圧Ｖａｃは、直流出力電圧Ｖｏに達した後は、ダイオード５１が導通状態となることから直流出力電圧Ｖｏにクランプされる。よって、交流出力電圧Ｖａｃは、図２に示すように逆となった半波状の波形で発生する。

次に、時間ｔ１から時間ｔ２までの期間での動作について説明する。

この期間では、スイッチング素子４２_１のオン／オフを制御する駆動電圧Ｖｐ_１は、スイッチング素子４２_１をオフとするために時間ｔ（＝ｔ１）のときにローレベルになり、その後、時間ｔ（＝ｔ２）までにローレベルを維持する。また、スイッチング素子４２_２のオン／オフを制御する駆動電圧Ｖｐ_２は、スイッチング素子４２_２をオンとするために時間ｔ（＝ｔ１）のときにハイレベルになり、その後、時間ｔ（＝ｔ２）までにハイレベルを維持する。

このため、スイッチング回路部４_１，４_２では、スイッチング素子４２_２がオンとなり、スイッチング素子４２_１はオフとなる。これにより、スイッチング回路部４_２では、スイッチング素子４２_２の両端間の電圧Ｖ２_２は零であり、第１共振キャパシタ４３_２に流れる電流Ｉｃ_２は零である。一方、スイッチング回路部４_１では、第１インダクタ４１_１、第２共振インダクタ４４_１および第１共振キャパシタ４３_１で構成されるネットワークの応答によって共振が生じ、これによって図２に示すような電流Ｉｃ_１が第１共振キャパシタ４３_１に流れる。この結果、スイッチング素子４２_１の両端間の電圧Ｖ２_１は、時間ｔ１のときの零から上昇し始め、その後、正の共振ピークに達した後に、時間ｔ２までに零に戻る（低下する）。

この期間においても、共振整流平滑回路部５ａは、スイッチング回路部４_１，４_２から交流出力端子Ｐａ，Ｐｂ間に出力される交流出力電圧Ｖａｃを共振整流平滑することにより、リップル成分の周波数がスイッチング素子４２_１，４２_２のスイッチング周波数（駆動電圧Ｖｐ_１，Ｖｐ_２の周波数）の２倍となる直流出力電圧Ｖｏを生成して出力する。この場合、交流出力電圧Ｖａｃは、正弦波状の共振波形として発生するが、実際にダイオード５１の順方向導通電圧を無視できるとすると、図２に示すように、上記した時間ｔ０から時間ｔ１までの期間のときと同様にして、時間ｔ（＝ｔ１）のときの電圧値（直流出力電圧Ｖｏ）から低下し始め、その後、共振ピーク値まで低下すると共に、時間ｔ２までに直流出力電圧Ｖｏに達する（上昇する）。また、交流出力電圧Ｖａｃは、直流出力電圧Ｖｏに達した後は、ダイオード５１が導通状態となることから直流出力電圧Ｖｏにクランプされる。よって、交流出力電圧Ｖａｃは、図２に示すように逆となった半波状の波形で発生する。

その後の時間ｔ２から時間ｔ３までの期間では、駆動電圧Ｖｐ_１はハイレベルを維持し、駆動電圧Ｖｐ_２はローレベルを維持する。これにより、スイッチング回路部４_１，４_２および共振整流平滑回路部５ａは、上記した時間ｔ０から時間ｔ１までの期間のときと同様に動作する。また、その次の時間ｔ３から時間ｔ４までの期間では、駆動電圧Ｖｐ_１はローレベルを維持し、駆動電圧Ｖｐ_２はハイレベルを維持する。これにより、スイッチング回路部４_１，４_２および共振整流平滑回路部５ａは、上記した時間ｔ１から時間ｔ２までの期間のときと同様に動作する。つまり、図２に示すように、スイッチング素子４２_１，４２_２のオン／オフを制御するための各駆動電圧Ｖｐ_１，Ｖｐ_２が１８０°位相がずれ、かつ周期Ｔでハイレベルとなることにより、スイッチング回路部４_１，４_２および共振整流平滑回路部５ａは、上記した時間ｔ０から時間ｔ２までの期間のときの動作を周期Ｔで繰り返し実行する。

このように、このスイッチング電源装置１ａによれば、各スイッチング回路部４_１，４_２が１つの共振整流平滑回路部５ａを共用する構成のため、平滑キャパシタ５３を除く共振整流平滑回路部５ａの各構成要素（ダイオード５１および第２共振キャパシタ５２）で構成される不図示の共振整流平滑回路をスイッチング回路部４_１，４_２毎に個別に設ける従来例の構成と比較して、並列接続するスイッチング回路部４_１，４_２の数に関係なく共振整流平滑回路部５ａを１つとすることができるため、その分だけ部品点数を削減することができ、これにより、大電力化を図りつつ装置全体をより小型化することができる。

次に、スイッチング電源装置の他の一例としてのスイッチング電源装置１ｂについて、図３，４を参照して説明する。なお、スイッチング電源装置１ａと同一の構成については同一の符号を付して重複する説明を省略する。

まず、スイッチング電源装置１ｂの構成について説明する。スイッチング電源装置１ｂは、図３に示すように、一対の直流入力端子２ａ，２ｂ、一対の交流出力端子Ｐａ，Ｐｂ、一対の直流出力端子３ａ，３ｂ、複数の共振型スイッチング回路部（同図では一例として２個の共振型スイッチング回路部４_１，４_２）、１つの共振整流平滑回路部５ｂ、および制御部６を備え、直流入力端子２ａ，２ｂ間に入力される直流入力電圧Ｖｉに基づいて直流出力電圧Ｖｏを生成して直流出力端子３ａ，３ｂから出力可能に構成されている。このように、スイッチング電源装置１ｂは、共振整流平滑回路部５ａに代えて共振整流平滑回路部５ｂを使用している構成においてのみスイッチング電源装置１ａと相違し、他の構成についてはスイッチング電源装置１ａと同一に構成されている。

共振整流平滑回路部５ｂは、一例として、第２共振キャパシタ５２および第３共振キャパシタ５４の直列回路と、第３共振キャパシタ５４に並列接続された第３共振インダクタ５５と、第２共振キャパシタ５２および第３共振キャパシタ５４の接続点（第２接続点Ｂ）と直流出力端子３ａ，３ｂ（本例では直流出力端子３ａ）との間に接続されたダイオード５１とを備えると共に、第２共振キャパシタ５２および第３共振キャパシタ５４の直列回路が交流出力端子Ｐａ，Ｐｂ間に接続されて、共振整流平滑回路として構成されている。本例では、第２共振キャパシタ５２およびダイオード５１の直列回路が、交流出力端子Ｐａと直流出力端子３ａとの間に接続されるように、第２共振キャパシタ５２および第３共振キャパシタ５４の直列回路が交流出力端子Ｐａ，Ｐｂ間に接続されている。また、平滑キャパシタ５３は、直流出力端子３ａ，３ｂ間に接続されている。なお、第３共振キャパシタ５４には、ダイオード５１のＰＮ接合容量が含まれるものとする。これにより、このスイッチング電源装置１ｂにおいても、共振整流平滑回路部５ｂは、各スイッチング回路部４_１，４_２によって共用される構成となっている。

次に、スイッチング電源装置１ｂの基本動作について、図４の定常動作波形図を参照して説明する。

この期間では、スイッチング素子４２_１のオン／オフを制御する駆動電圧Ｖｐ_１は、スイッチング素子４２_１をオンとするために時間ｔ（＝ｔ０）のときにハイレベルになり、その後、時間ｔ（＝ｔ１）までハイレベルを維持する。また、スイッチング素子４２_２のオン／オフを制御する駆動電圧Ｖｐ_２は、スイッチング素子４２_２をオフとするために時間ｔ（＝ｔ０）のときにローレベルになり、その後、時間ｔ（＝ｔ１）までローレベルを維持する。

このため、スイッチング回路部４_１，４_２では、スイッチング素子４２_１がオンとなり、スイッチング素子４２_２はオフとなる。これにより、スイッチング素子４２_１の両端間の電圧Ｖ２_１は零であり、第１共振キャパシタ４３_１に流れる電流は零である。一方、スイッチング素子４２_２の両端間の電圧Ｖ２_２は、第１インダクタ４１_２、第２共振インダクタ４４_２および第１共振キャパシタ４３_２で構成されるネットワークの応答によって共振が生じ、電流が第１共振キャパシタ４３_２に流れる。この結果、スイッチング素子４２_２の両端間の電圧Ｖ２_２は、時間ｔ０のときの零から上昇し始め、その後、正の共振ピークに達した後に、時間ｔ１までに零に戻る（低下する）。

この期間において、共振整流平滑回路部５ａは、スイッチング回路部４_１，４_２から交流出力端子Ｐａ，Ｐｂ間に出力される交流出力電圧Ｖａｃを共振整流平滑することにより、リップル成分の周波数がスイッチング素子４２_１，４２_２のスイッチング周波数（駆動電圧Ｖｐ_１，Ｖｐ_２の周波数）の２倍となる直流出力電圧Ｖｏを生成して出力する。この場合、交流出力電圧Ｖａｃは、正弦波状の共振波形として発生するが、実際にダイオード５１の順方向導通電圧を無視できるとすると、図４に示すように、時間ｔ（＝ｔ０）のときの電圧値（直流出力電圧Ｖｏ）から低下し始め、その後、共振ピーク値まで低下すると共に、時間ｔ１までに直流出力電圧Ｖｏに達する（上昇する）。また、交流出力電圧Ｖａｃは、直流出力電圧Ｖｏに達した後は、ダイオード５１が導通状態となることから直流出力電圧Ｖｏにクランプされる。よって、交流出力電圧Ｖａｃは、図４に示すように逆となった半波状の波形で発生する。

この期間では、スイッチング素子４２_１のオン／オフを制御する駆動電圧Ｖｐ_１は、スイッチング素子４２_１をオフとするために時間ｔ（＝ｔ１）のときにローレベルになり、その後、時間ｔ（＝ｔ２）までローレベルを維持する。また、スイッチング素子４２_２のオン／オフを制御する駆動電圧Ｖｐ_２は、スイッチング素子４２_２をオンとするために時間ｔ（＝ｔ１）のときにハイレベルになり、その後、時間ｔ（＝ｔ２）までハイレベルを維持する。

このため、スイッチング回路部４_１，４_２では、スイッチング素子４２_２がオンとなり、スイッチング素子４２_１はオフとなる。これにより、スイッチング回路部４_２では、スイッチング素子４２_２の両端間の電圧Ｖ２_２は零であり、第１共振キャパシタ４３_２に流れる電流は零である。一方、スイッチング回路部４_１では、第１インダクタ４１_１、第２共振インダクタ４４_１および第１共振キャパシタ４３_１で構成されるネットワークの応答によって共振が生じ、これによって電流が第１共振キャパシタ４３_１に流れる。この結果、スイッチング素子４２_１の両端間の電圧Ｖ２_１は、時間ｔ１のときの零から上昇し始め、その後、正の共振ピークに達した後に、時間ｔ２までに零に戻る（低下する）。

この期間においても、共振整流平滑回路部５ａは、スイッチング回路部４_１，４_２から交流出力端子Ｐａ，Ｐｂ間に出力される交流出力電圧Ｖａｃを共振整流平滑することにより、リップル成分の周波数がスイッチング素子４２_１，４２_２のスイッチング周波数（駆動電圧Ｖｐ_１，Ｖｐ_２の周波数）の２倍となる直流出力電圧Ｖｏを生成して出力する。この場合、交流出力電圧Ｖａｃは、正弦波状の共振波形として発生するが、実際にダイオード５１の順方向導通電圧を無視できるとすると、図４に示すように、上記した時間ｔ０から時間ｔ１までの期間のときと同様にして、時間ｔ（＝ｔ１）のときの電圧値（直流出力電圧Ｖｏ）から低下し始め、その後、共振ピーク値まで低下すると共に、時間ｔ２までに直流出力電圧Ｖｏに達する（上昇する）。また、交流出力電圧Ｖａｃは、直流出力電圧Ｖｏに達した後は、ダイオード５１が導通状態となることから直流出力電圧Ｖｏにクランプされる。よって、交流出力電圧Ｖａｃは、図４に示すように逆となった半波状の波形で発生する。

その後の時間ｔ２から時間ｔ３までの期間では、駆動電圧Ｖｐ_１はハイレベルを維持し、駆動電圧Ｖｐ_２はローレベルを維持する。これにより、スイッチング回路部４_１，４_２および共振整流平滑回路部５ａは、上記した時間ｔ０から時間ｔ１までの期間のときと同様に動作する。また、その次の時間ｔ３から時間ｔ４までの期間では、駆動電圧Ｖｐ_１はローレベルを維持し、駆動電圧Ｖｐ_２はハイレベルを維持する。これにより、スイッチング回路部４_１，４_２および共振整流平滑回路部５ａは、上記した時間ｔ１から時間ｔ２までの期間のときと同様に動作する。つまり、図４に示すように、スイッチング素子４２_１，４２_２のオン／オフを制御するための各駆動電圧Ｖｐ_１，Ｖｐ_２が１８０°位相がずれ、かつ周期Ｔでハイレベルとなることにより、スイッチング回路部４_１，４_２および共振整流平滑回路部５ａは、上記した時間ｔ０から時間ｔ２までの期間のときの動作を周期Ｔで繰り返し実行する。

このように、このスイッチング電源装置１ｂにおいても、各スイッチング回路部４_１，４_２が１つの共振整流平滑回路部５ｂを共用する構成のため、スイッチング電源装置１ｂによっても、平滑キャパシタ５３を除く共振整流平滑回路部５ｂの各構成要素（ダイオード５１、第２共振キャパシタ５２、第３共振キャパシタ５４および共振インダクタ５５）で構成される不図示の共振整流平滑回路をスイッチング回路部４_１，４_２毎に個別に設ける従来例の構成と比較して、並列接続するスイッチング回路部４_１，４_２の数に関係なく共振整流平滑回路部５ｂを１つとすることができるため、その分だけ部品点数を削減することができ、これにより、大電力化を図りつつ装置全体をより小型化することができる。

なお、スイッチング電源装置を非絶縁共振型コンバータ装置として構成したスイッチング電源装置１ａ，１ｂについて上記したが、スイッチング電源装置はこれに限定されるものではなく、図５，６に示すスイッチング電源装置１ｃ，１ｄのように絶縁共振型コンバータ装置として構成して、直流入力端子２ａ，２ｂ側の基準電位（共通グランドＧ）と、直流出力端子３ａ，３ｂ側の基準電位（共通グランドＧ１）とを絶縁（電気的に分離）することもできる。以下、このスイッチング電源装置１ｃ，１ｄの構成および動作について説明する。なお、構成の説明においては、スイッチング電源装置１ｂと同一の構成については同一の符号を付して重複する説明を省略し、また動作の説明においても、スイッチング電源装置１ｂと同一の動作についての説明を省略する。

まず、スイッチング電源装置１ｃについて説明する。スイッチング電源装置１ｃは、図５に示すように、一対の直流入力端子２ａ，２ｂ、一対の交流出力端子Ｐａ，Ｐｂ、一対の直流出力端子３ａ，３ｂ、複数の共振型スイッチング回路部（同図では一例として２個の共振型スイッチング回路部４_１，４_２）、１つの共振整流平滑回路部５ｃ、および制御部６を備え、直流入力端子２ａ，２ｂ間に入力される直流入力電圧Ｖｉに基づいて直流出力電圧Ｖｏを生成して直流出力端子３ａ，３ｂから出力可能に構成されている。このように、スイッチング電源装置１ｃは、共振整流平滑回路部５ｂに代えて共振整流平滑回路部５ｃを使用している構成においてのみスイッチング電源装置１ｂと相違し、他の構成についてはスイッチング電源装置１ｂと同一に構成されている。

共振整流平滑回路部５ｃは、一例として、第２共振キャパシタ５２（本例では、２つの第２共振キャパシタ５２_１，５２_２で構成されている）および第３共振キャパシタ５４の直列回路と、第３共振キャパシタ５４に並列接続された第３共振インダクタ５５と、第２共振キャパシタ５２および第３共振キャパシタ５４の接続点（第２接続点Ｂ）と直流出力端子３ａ，３ｂ（本例では直流出力端子３ａ）との間に接続されたダイオード５１とを備えると共に、第２共振キャパシタ５２および第３共振キャパシタ５４の直列回路が交流出力端子Ｐａ，Ｐｂ間に接続されて、共振整流平滑回路として構成されている。本例では、第２共振キャパシタ５２および第３共振キャパシタ５４の直列回路は、２つの第２共振キャパシタ５２_１，５２_２間に第３共振キャパシタ５４が配置される接続形態で構成されており、第２共振キャパシタ５２_１が交流出力端子Ｐａに接続され、第２共振キャパシタ５２_２が交流出力端子Ｐｂに接続されている。また、第２接続点Ｂは、第２共振キャパシタ５２_１および第３共振キャパシタ５４の接続点に規定されている。よって、第２共振キャパシタ５２_１およびダイオード５１の直列回路は、交流出力端子Ｐａと直流出力端子３ａとの間に接続されている。また、平滑キャパシタ５３は、直流出力端子３ａ，３ｂ間に接続されている。これにより、このスイッチング電源装置１ｃにおいても、共振整流平滑回路部５ｃは、各スイッチング回路部４_１，４_２によって共用される構成となっている。

この構成、つまり、交流出力端子Ｐａに第２共振キャパシタ５２_１が直列に接続されると共に、交流出力端子Ｐｂに第２共振キャパシタ５２_２が直列に接続される構成により、この共振整流平滑回路部５ｃは、一対の第２共振キャパシタ５２_１，５２_２によって直流入力端子２ａ，２ｂ側の基準電位（共通グランドＧ）と直流出力端子３ａ，３ｂ側の基準電位（共通グランドＧ１）とを電界によって絶縁（直流的に分離）している。

次いで、スイッチング電源装置１ｃの動作について説明する。スイッチング電源装置１ｃでは、一対の第２共振キャパシタ５２_１，５２_２が全体としてスイッチング電源装置１ｂの第２共振キャパシタ５２と同等に機能する。このため、スイッチング電源装置１ｃでは、各スイッチング回路部４_１，４_２がスイッチング電源装置１ｂと同様に動作して、直流入力端子２ａ，２ｂ間に入力される直流入力電圧Ｖｉを交流出力電圧Ｖａｃに変換して交流出力端子Ｐａ，Ｐｂに出力し、共振整流平滑回路部５ｃが、この交流出力電圧Ｖａｃを共通グランドＧ側と絶縁した状態で直流出力電圧Ｖｏに変換して直流出力端子３ａ，３ｂから出力する。

このように、このスイッチング電源装置１ｃにおいても、各スイッチング回路部４_１，４_２が１つの共振整流平滑回路部５ｃを共用する構成のため、スイッチング電源装置１ｃによっても、平滑キャパシタ５３を除く共振整流平滑回路部５ｃの各構成要素（ダイオード５１、第２共振キャパシタ５２_１，５２_２、第３共振キャパシタ５４および共振インダクタ５５）で構成される不図示の共振整流平滑回路をスイッチング回路部４_１，４_２毎に個別に設ける従来例の構成と比較して、並列接続するスイッチング回路部４_１，４_２の数に関係なく共振整流平滑回路部５ｃを１つとすることができるため、その分だけ部品点数を削減することができ、これにより、大電力化を図りつつ装置全体をより小型化することができる。

次に、スイッチング電源装置１ｄについて説明する。スイッチング電源装置１ｄは、図６に示すように、一対の直流入力端子２ａ，２ｂ、一対の交流出力端子Ｐａ，Ｐｂ、一対の直流出力端子３ａ，３ｂ、複数の共振型スイッチング回路部（同図では一例として２個の共振型スイッチング回路部４_１，４_２）、１つの共振整流平滑回路部５ｄ、および制御部６を備え、直流入力端子２ａ，２ｂ間に入力される直流入力電圧Ｖｉに基づいて直流出力電圧Ｖｏを生成して直流出力端子３ａ，３ｂから出力可能に構成されている。このように、スイッチング電源装置１ｄは、共振整流平滑回路部５ｂに代えて共振整流平滑回路部５ｄを使用している構成においてのみスイッチング電源装置１ｂと相違し、他の構成についてはスイッチング電源装置１ｂと同一に構成されている。

共振整流平滑回路部５ｄは、一例として、第２共振キャパシタ５２および第３共振キャパシタ５４の直列回路と、第１巻線５６ａおよび第２巻線５６ｂを有して第１巻線５６ａが第３共振キャパシタ５４に並列接続された絶縁トランス５６と、第２巻線５６ｂの一端と直流出力端子３ａ，３ｂ（本例では直流出力端子３ａ）との間に接続されたダイオード５１とを備えると共に、第２共振キャパシタ５２および第３共振キャパシタ５４の直列回路が交流出力端子Ｐａ，Ｐｂ間に接続され、かつ第２巻線５６ｂの他端が直流出力端子３ｂ（共通グランドＧ１に接続されている端子）に接続されて、共振整流平滑回路として構成されている。本例では、第２共振キャパシタ５２および第３共振キャパシタ５４の直列回路は、第２共振キャパシタ５２が交流出力端子Ｐａに接続される接続形態で構成されている。また、平滑キャパシタ５３は、直流出力端子３ａ，３ｂ間に接続されている。これにより、このスイッチング電源装置１ｄにおいても、共振整流平滑回路部５ｄは、各スイッチング回路部４_１，４_２によって共用される構成となっている。

この構成により、この共振整流平滑回路部５ｄは、絶縁トランス５６によって直流入力端子２ａ，２ｂ側の基準電位（共通グランドＧ）と直流出力端子３ａ，３ｂ側の基準電位（共通グランドＧ１）とを磁界によって絶縁（電気的に分離）している。

次いで、スイッチング電源装置１ｄの動作について説明する。スイッチング電源装置１ｄでは、絶縁トランス５６の第１巻線５６ａがスイッチング電源装置１ｂの共振インダクタ５５と同等に機能する。このため、スイッチング電源装置１ｄでは、各スイッチング回路部４_１，４_２がスイッチング電源装置１ｂと同様に動作して、直流入力端子２ａ，２ｂ間に入力される直流入力電圧Ｖｉを交流出力電圧Ｖａｃに変換して交流出力端子Ｐａ，Ｐｂに出力し、共振整流平滑回路部５ｄが、この交流出力電圧Ｖａｃを共通グランドＧ側と絶縁した状態で直流出力電圧Ｖｏに変換して直流出力端子３ａ，３ｂから出力する。

このように、このスイッチング電源装置１ｄにおいても、各スイッチング回路部４_１，４_２が１つの共振整流平滑回路部５ｄを共用する構成のため、スイッチング電源装置１ｄによっても、平滑キャパシタ５３を除く共振整流平滑回路部５ｄの各構成要素（ダイオード５１、第２共振キャパシタ５２、第３共振キャパシタ５４および絶縁トランス５６）で構成される不図示の共振整流平滑回路をスイッチング回路部４_１，４_２毎に個別に設ける従来例の構成と比較して、並列接続するスイッチング回路部４_１，４_２の数に関係なく共振整流平滑回路部５ｄを１つとすることができるため、その分だけ部品点数を削減することができ、これにより、大電力化を図りつつ装置全体をより小型化することができる。

以上、スイッチング電源装置について、種々の実施の形態を挙げて説明したが、上記した実施の形態の構成に限定されず、種々の変形実施が可能である。例えば、直流入力端子２ａ，２ｂと交流出力端子Ｐａ，Ｐｂとの間に並列に接続するスイッチング回路部の数については、上記した２個に限定されず、３個以上の任意の個数とすることもできる。

また、上記のスイッチング回路部４_１，４_２では、第１インダクタ４１_１および第２共振インダクタ４４_１の直列回路と、第１インダクタ４１_２および第２共振インダクタ４４_２の直列回路とを、直流入力端子２ａと交流出力端子Ｐａとの間に接続し、かつスイッチング素子４２_１の第１接続点Ａ_１に接続されていない端子およびスイッチング素子４２_２の第１接続点Ａ_２に接続されていない端子を直流入力端子２ｂと交流出力端子Ｐｂとに接続する構成を採用しているが、これに限定されるものではない。例えば、第１インダクタ４１_１および第２共振インダクタ４４_１の直列回路と、第１インダクタ４１_２および第２共振インダクタ４４_２の直列回路とを、直流入力端子２ｂと交流出力端子Ｐｂとの間に接続し（共通グランドＧ側に配置し）、かつスイッチング素子４２_１の第１接続点Ａ_１に接続されていない端子およびスイッチング素子４２_２の第１接続点Ａ_２に接続されていない端子を直流入力端子２ａと交流出力端子Ｐａとに接続する構成を採用することもできる。

１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄスイッチング電源装置
２ａ，２ｂ直流入力端子
３ａ，３ｂ直流出力端子
４_１，４_２スイッチング回路部
５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ共振整流平滑回路部
６制御部
４１_１，４１_２第１インダクタ
４２_１，４２_２スイッチング素子
４３_１，４３_２第１共振キャパシタ
４４_１，４４_２第２共振インダクタ
５１ダイオード
５２第２共振キャパシタ
５３平滑キャパシタ
５４第３共振キャパシタ
Ｖａｃ交流出力電圧
Ｖｉ直流入力電圧
Ｖｏ直流出力電圧
Ｖｐ_１，Ｖｐ_２駆動電圧
Ｐａ，Ｐｂ交流出力端子

Claims

スイッチング素子を有すると共に直流入力部と交流出力部との間に並列接続されて、前記スイッチング素子がオン・オフ駆動されることによって前記直流入力部から入力される直流入力電圧を交流出力電圧に変換して前記交流出力部に出力する複数の共振型スイッチング回路部と、
前記交流出力部と直流出力部との間に配設されて前記交流出力電圧を直流出力電圧に変換して当該直流出力部から出力する１つの共振整流平滑回路部と、
前記複数の共振型スイッチング回路の前記スイッチング素子をインターリーブ動作させるための駆動信号を生成して出力する制御部とを備えているスイッチング電源装置であって、
前記共振型スイッチング回路部は、第１インダクタおよび前記スイッチング素子の直列回路、一端が前記第１インダクタおよび前記スイッチング素子の接続点に接続された第２共振インダクタ、並びに前記スイッチング素子に並列接続された第１共振キャパシタを備えると共に、前記第１インダクタおよび前記スイッチング素子の前記直列回路が前記直流入力部を構成する一対の直流入力端子間に接続され、前記第１インダクタおよび前記第２共振インダクタの直列回路が前記一対の直流入力端子のうちの一方の直流入力端子と前記交流出力部を構成する一対の交流出力端子のうちの一方の交流出力端子との間に接続され、かつ前記スイッチング素子の一対の端子のうちの前記接続点に接続されていない端子が前記一対の直流入力端子のうちの他方の直流入力端子と前記一対の交流出力端子のうちの他方の交流出力端子とに接続されているスイッチング電源装置。
前記共振整流平滑回路部は、第２共振キャパシタおよび共振整流素子の並列回路と、前記直流出力部を構成する一対の直流出力端子間に接続された平滑キャパシタとを備えると共に、前記並列回路が前記交流出力部と前記直流出力部との間に直列接続されて、共振整流平滑回路として構成されている請求項１記載のスイッチング電源装置。
前記共振整流平滑回路部は、第２共振キャパシタおよび第３共振キャパシタの直列回路と、前記第３共振キャパシタに並列接続された第３共振インダクタと、前記第２共振キャパシタおよび前記第３共振キャパシタの接続点と前記直流出力部との間に接続された整流素子とを備えると共に、前記第２共振キャパシタおよび前記第３共振キャパシタの前記直列回路が前記交流出力部を構成する一対の交流出力端子間に接続されて、共振整流平滑回路として構成されている請求項１記載のスイッチング電源装置。
前記共振整流平滑回路部は、第２共振キャパシタおよび第３共振キャパシタの直列回路と、第１巻線および第２巻線を有して当該第１巻線が前記第３共振キャパシタに並列接続された絶縁トランスと、前記第２巻線と前記直流出力部との間に接続された整流素子とを備えると共に、前記第２共振キャパシタおよび前記第３共振キャパシタの前記直列回路が前記交流出力部を構成する一対の交流出力端子間に接続されて、共振整流平滑回路として構成されている請求項１記載のスイッチング電源装置。