JP6825460B2 - 電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数の電池回路モジュールを備えた電源装置に関する。

様々な電源装置が知られており、例えば、ハイブリッド車両や電動車両における走行モータの駆動に用いられる電源装置では、電池の電圧を昇圧コンバータで昇圧してインバータに入力している。

特に、特許文献１には、バッテリ等の電池からの直流電圧をスイッチング素子のスイッチングによりＤＣ／ＤＣ変換して、走行モータに出力するＤＣ／ＤＣコンバータと、ＤＣ／ＤＣコンバータの損失特性に基づいてスイッチング素子のスイッチング周波数を設定する周波数設定手段と、この設定された周波数に基づきスイッチング素子をスイッチング制御する制御手段とを備えた電源装置が記載されている。この電源装置によれば、ＤＣ／ＤＣコンバータの損失を小さくするスイッチング周波数を設定することにより、ＤＣ／ＤＣコンバータを効率良く駆動することができる。

特開２００３−１１６２８０号公報

特許文献１に記載の電源装置において、スイッチング素子やＤＣ／ＤＣコンバータに用いられる昇圧用リアクトルは、必要とされる電流容量や出力電圧に応じて設計される。また、それを収納する筐体も、使用する部品の大きさに応じて設計される。このため、スイッチング素子や昇圧用リアクトル、また、これらに関係する周辺部品等は、必要とされる電流容量や出力電圧に基づいて毎回、設計する必要がある。

すなわち、電源装置は、求められる仕様（必要とされる電流容量や出力電圧）に基づいて毎回新たに設計する必要があり汎用性が低かった。また、昇圧のためのＤＣ／ＤＣコンバータが必要である。

本発明は、直列接続された複数の電源回路ユニットを含み、各電源回路ユニットに対し、デューティー比の異なるゲート信号が入力可能な電源装置であって、各電源回路ユニットは、電池を正側端子と負側端子に接続し電池からの電力を出力する接続状態と、電池を正側端子または負側端子から切り離し正側端子と負側端子を短絡するスルー状態とが、ゲート信号によって切り換えられる電池回路モジュールを、正側端子および負側端子を介して複数直列接続した電池回路モジュール群と、各電池回路モジュールに対応して設けられ、ゲート信号を一定時間ずつ遅延させて伝達する複数の遅延回路を含み、各電池回路モジュールに対してゲート信号を一定時間ずつずらせて供給する制御回路と、を含む。

また、複数の電源回路ユニットに入力するゲート信号のうち、いずれかのゲート信号のデューティー比が１００％に設定されている動作モードを有するとよい。

また、複数の電源回路ユニットに入力するゲート信号のデューティー比および周期が等しい動作モードを有するとよい。

本発明によれば、構成が簡素であり、所望の出力電圧に容易に対応することができ、汎用性が高い電源装置を得ることができる。そして、電源回路ブロックに供給するゲート信号のデューティー比を返納することで各種の動作モードが可能となる。

実施形態における電源回路ユニットの概略ブロック図である。 電池回路モジュールの概略構成図である。 電池回路モジュールの動作を説明するタイムチャートである。 電池回路モジュールの動作説明図であり、（ａ）は第１のスイッチング素子がＯＮ、第２のスイッチング素子がＯＦＦした状態を示し、（ｂ）は第１のスイッチング素子がＯＦＦ、第２のスイッチング素子がＯＮした状態を示す。 電源回路ユニット全体の動作を説明するタイムチャートである。 電源回路ユニットを複数設けた電源装置の構成を示す図である。 電源回路ユニットを複数設けた電源装置の操作を説明する図である。 電池回路モジュールの変形例を説明する概略構成図である。 電池回路モジュールへのゲート信号の供給経路の例を説明する図である。

「電源回路ユニットの構成」
実施形態における電源装置は、複数の電源回路ユニット１を含んでいる。そこで、まず電源回路ユニット１の構成について説明する。図１は、電源回路ユニット１のブロック図を示している。図１に示すように、電源回路ユニット１は、複数の電池回路モジュール１０（１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・，１０ｅ）と、電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・，１０ｅにゲート信号を出力して電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・，１０ｅをＯＮＯＦＦ駆動する制御回路１１とを備えている。

電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・，１０ｅは、その正側端子＋ＯＴが負側端子−ＯＴに順次接続されることで直列接続されており、電池回路モジュール群１００を構成している。最上流側の電池回路モジュール１０ａの正側端子＋ＯＴが、電池回路モジュール群１００の正側出力端子＋ＯＵＴに接続され、最下流側の電池回路モジュール１０ｅの負側端子−ＯＴが電池回路モジュール群１００の負側出力端子−ＯＵＴに接続されている。

電池回路モジュール１０は、複数の電池セルが直列接続された電池Ｂを有する。電池Ｂの正極は、チョークコイルＬ、第２のスイッチング素子Ｓ２を介し、正側端子＋ＯＴに接続されており、電池Ｂの負極は負側端子−ＯＴに接続されている。正側端子＋ＯＴと負側端子−ＯＴの間には第１のスイッチング素子Ｓ１が配置されている。また、チョークコイルＬと第２のスイッチング素子Ｓ２との接続点と電池Ｂの陰極との間にはコンデンサＣが配置されている。

従って、第２のスイッチング素子Ｓ２をＯＮ、第１のスイッチング素子Ｓ１をＯＦＦにすると、正側端子＋ＯＴと、負側端子−ＯＴの間に、電池Ｂとコンデンサの両方が並列接続された直流電源となる（接続状態）。一方、第２のスイッチング素子Ｓ２をＯＦＦ、第１のスイッチング素子Ｓ１をＯＮにすると、電池Ｂが切り離され正側端子＋ＯＴと、負側端子−ＯＴが短絡され、この電池回路モジュール１０は、スルー状態になる。なお、電池Ｂ、チョークコイルＬおよびコンデンサＣによってＲＬＣフィルタを形成して電流の平準化を図り、電池Ｂの劣化を抑制している。

第１のスイッチング素子Ｓ１および第２のスイッチング素子Ｓ２は、電界効果トランジスタとしてのＭＯＳ−ＦＥＴである。第１のスイッチング素子Ｓ１および第２のスイッチング素子Ｓ２は、制御回路１１からのゲート信号によってスイッチング動作される。なお、スイッチング動作可能な素子であれば、ＭＯＳ−ＦＥＴ以外のスイッチング素子を使用することもできる。

電池回路モジュール１０には、制御回路１１が接続されており、制御回路１１から出力されるゲート信号が各電池回路モジュール１０に供給される。このゲート信号は、各電池回路モジュール１０において、第１のスイッチング素子Ｓ１および第２のスイッチング素子Ｓ２の一方をオン、他方をオフする。

制御回路１１は、コントローラ１２を有しており、このコントローラ１２が最上流側の電池回路モジュール１０ａに供給するためのゲート信号を出力する。制御回路１１は、各電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・，１０ｅに対応して、遅延回路１３（１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，・・・，１３ｅ）を有しており、各遅延回路１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，・・・１３ｅによって遅延したゲート信号が、対応する電池回路モジュール１０ｂ，１０ｃ，・・・，１０ｅに供給される。

従って、各電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・，１０ｅにおける、第１のスイッチング素子Ｓ１および第２のスイッチング素子Ｓ２のスイッチングのタイミングは、遅延回路１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，・・・の遅延時間ずつ遅れることになる。

そして、最下流側の遅延回路１３ｅから出力されたゲート信号は、コントローラ１２に入力されるようになっている。従って、コントローラ１２は、自己の出力したゲート信号がすべての遅延回路１３によって遅延された合計の遅延時間を把握することができ、これに基づいて、次のゲート信号を出力することができる。また、遅延時間の合計をゲート信号の周期に容易に一致させることができる。

「電池回路モジュール１０の動作」
次に、電池回路モジュール１０の動作について図２、３を参照して説明する。図２は、電池回路モジュール１０の概略構成図を、図３は電池回路モジュール１０の動作に関するタイムチャートをそれぞれ示している。また、図３において、符号Ｄ１は、電池回路モジュール１０ａを駆動するゲート信号の矩形波を、符号Ｄ２は、第１のスイッチング素子Ｓ１のＯＮＯＦＦ状態を示す矩形波を、符号Ｄ３は、第２のスイッチング素子Ｓ２のＯＮＯＦＦ状態を示す矩形波を、符号Ｄ４は、電池回路モジュール１０ａにより出力される電圧Ｖ_ｍｏｄの特性をそれぞれ示している。

電池回路モジュール１０の初期状態、すなわち、ゲート信号が出力されていない状態（ゲート信号がＯＦＦの状態）では、第１のスイッチング素子Ｓ１はＯＮ状態、第２のスイッチング素子Ｓ２はＯＦＦ状態となっている。そして、制御回路１１からゲート信号が電池回路モジュール１０ａに入力されると、電池回路モジュール１０はＰＷＭ制御によってスイッチング動作する。このスイッチング動作は、第１のスイッチング素子Ｓ１と第２のスイッチング素子Ｓ２とが交互にＯＮＯＦＦすることによって行われる。

図３の符号Ｄ１で示すように、制御回路１１からゲート信号が出力されると、このゲート信号に応じて、電池回路モジュール１０ａの第１のスイッチング素子Ｓ１および第２のスイッチング素子Ｓ２が駆動される。第１のスイッチング素子Ｓ１は、ゲート信号の立ち上がりに応じて、ＯＮ状態からＯＦＦ状態に切り替わる。また、第１のスイッチング素子Ｓ１は、ゲート信号の立ち下がりから僅かな時間（デッドタイムｄｔ）遅れて、ＯＦＦ状態からＯＮ状態に切り替わる（符号Ｄ２参照）。

一方、第２のスイッチング素子Ｓ２は、ゲート信号の立ち上がりから僅かな時間（デッドタイムｄｔ）遅れて、ＯＦＦ状態からＯＮ状態に切り替わる。また、第２のスイッチング素子Ｓ２は、ゲート信号の立ち下がりと同時に、ＯＮ状態からＯＦＦ状態に切り替わる（符号Ｄ３参照）。このように、第１のスイッチング素子Ｓ１と第２のスイッチング素子Ｓ２とは交互にＯＮＯＦＦ動作する。

なお、第１のスイッチング素子Ｓ１がゲート信号の立ち下がり時に僅かな時間（デッドタイムｄｔ）遅れて動作することと、第２のスイッチング素子Ｓ２がゲート信号の立ち上がり時に僅かな時間（デッドタイムｄｔ）遅れて動作することは、第１のスイッチング素子Ｓ１と第２のスイッチング素子Ｓ２とが同時に動作することを防止するためである。すなわち、第１のスイッチング素子Ｓ１と第２のスイッチング素子Ｓ２とが同時にＯＮして短絡することを防止している。この動作を遅らせているデッドタイムｄｔは、例えば、１００ｎｓに設定しているが、適宜設定することができる。なお、デッドタイムｄｔ中はダイオードを還流し、その還流したダイオードと並列にあるスイッチング素子がＯＮしたときと同じ状態になる。

そして、この動作によって、電池回路モジュール１０は、図３の符号Ｄ４で示すように、ゲート信号がＯＦＦ時（すなわち、第１のスイッチング素子Ｓ１がＯＮ、第２のスイッチング素子Ｓ２がＯＦＦ）では、コンデンサＣが電池回路モジュール１０ａの正側端子＋ＯＴから切り離されて正側端子＋ＯＴには電圧が出力されない。この状態を、図４（ａ）に示す。図４（ａ）に示すように、電池回路モジュール１０の電池Ｂ（コンデンサＣ）をバイパス（スルー状態）している。

また、ゲート信号がＯＮ時（すなわち、第１のスイッチング素子Ｓ１がＯＦＦ、第２のスイッチング素子Ｓ２がＯＮ）では、コンデンサＣが電池回路モジュール１０の正側端子＋ＯＴに接続されて正側端子＋ＯＴに電圧が出力される。この状態を、図４（ｂ）に示す。図４（ｂ）に示すように、電池回路モジュール１０におけるコンデンサＣを介して電圧Ｖ_ｍｏｄが正側端子＋ＯＴに出力されている。

ここで、ゲート信号のデューティー比は、電源回路ユニット１に対する出力電圧要求によって決定され、決定されたデューティー比のゲート信号が生成される。出力電圧要求は電源回路ユニット１から電力を使用するシステム側からの要求である。

「制御回路１１の動作」
図１に戻り、制御回路１１による電源回路ユニット１の制御について説明する。制御回路１１は、電池回路モジュール群１００の全体を制御する。すなわち、電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・，１０ｅの動作をそれぞれ制御して電源回路ユニット１としての出力電圧を制御する。

上述したように、制御回路１１は、矩形波のゲート信号を出力するコントローラ１２と、コントローラ１２から出力されるゲート信号を、電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・，１０ｅに遅延させて順次出力する遅延回路１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，・・・，１３ｅとを備えている。

コントローラ１２は、電池回路モジュール群１００において直列接続されている電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・，１０ｅのうちの最上流側の電池回路モジュール１０ａにゲート信号を供給する。

遅延回路１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，・・・，１３ｅは、電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・，１０ｅに対応してそれぞれ設けられている。遅延回路１３ａは、コントローラ１２からのゲート信号を、一定時間遅延させて隣接する電池回路モジュール１０ｂに出力するとともに、遅延回路１３ｂに出力する。この結果、コントローラ１２から出力されたゲート信号は、電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・，１０ｅに順次遅延されて供給される。

なお、遅延回路１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，・・・，１３ｅは、電気的な回路構成としては制御回路１１に含まれるものであるが、ハード構成としては電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・，１０ｅと一体化して構成することが好ましい。図１において、例えば、一点鎖線Ｍで示すように、遅延回路１３ｂと電池回路モジュール１０ｂとを一体化（モジュール化）して構成するとよい。

図１において、コントローラ１２から最上流側の電池回路モジュール１０ａにゲート信号を出力すると、電池回路モジュール１０ａが駆動されて、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、電池回路モジュール１０ａにおける電圧が正側端子＋ＯＴに出力される。また、コントローラ１２からのゲート信号は、遅延回路１３ａに入力されて、一定時間遅延された後、隣接する電池回路モジュール１０ｂに入力される。このゲート信号により電池回路モジュール１０ｂが駆動する。

一方、遅延回路１３ａからのゲート信号は、遅延回路１３ｂにも入力されて、遅延回路１３ａと同様に、一定時間遅延されて、次に隣接する電池回路モジュール１０ｃに入力される。以下、同様に、ゲート信号は遅延されて下流側の電池回路モジュールにそれぞれ入力される。そして、電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・，１０ｅは、順次駆動されて、電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・，１０ｅの電圧が各正側端子＋ＯＴに順次出力される。

電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・，１０ｅが順次駆動される状態を図５に示す。図５に示すように、ゲート信号に応じて、電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・，１０ｅが、一定の遅延時間を持って上流側から下流側に次々と駆動されている。図５において、符号Ｅ１は、電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・，１０ｅの第１のスイッチング素子Ｓ１がＯＦＦ、第２のスイッチング素子Ｓ２がＯＮして、電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・，１０ｅが正側端子＋ＯＴから電圧を出力している状態（接続状態）を示している。また、符号Ｅ２は、電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・，１０ｅの第１のスイッチング素子Ｓ１がＯＮ、第２のスイッチング素子Ｓ２がＯＦＦして、電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・，１０ｅが正側端子＋ＯＴから電圧を出力していない状態（スルー状態）を示す。このように、電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・，１０ｅは、一定の遅延時間を持って順次駆動される。

図５を参照して、ゲート信号やゲート信号の遅延時間の設定について説明する。ゲート信号の周期Ｆは、電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・，１０ｅの遅延時間を合計することによって設定される。このため、遅延時間を長く設定すると、ゲート信号の周波数は低周波になる。逆に、遅延時間を短く設定すると、ゲート信号の周波数は高周波になる。また、ゲート信号を遅延する遅延時間は、電源回路ユニット１に求められる仕様に応じて適宜設定することができる。

ゲート信号の周期ＦにおけるＯＮ時比率Ｇ１、すなわち、周期ＦのうちのＯＮ時間の比率は、電源回路ユニット１の出力電圧／電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・，１０ｅの合計電圧（電池回路モジュール電池電圧×電池回路モジュール数）により算出することができる。すなわち、ＯＮ時比率Ｇ１＝電源装置出力電圧／（電池回路モジュール電池電圧×電池回路モジュール数）となる。なお、厳密には、デッドタイムｄｔだけＯＮ時比率がずれてしまうので、チョッパ回路で一般的に行われているようにフィードバックまたはフィードフォワードでＯＮ時比率の補正を行う。

電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・，１０ｅの合計電圧は、上述したように、電池回路モジュール電池電圧×接続状態の電池回路モジュール数によって表すことができる。電源回路ユニット１の出力電圧が、一つの電池回路モジュール１０の電池電圧で割り切れる値であれば、電池回路モジュール１０が通過（スルー状態）から接続に切り替わる瞬間に、他の電池回路モジュールが接続から通過（スルー状態）に切り替わるので、電池回路モジュール群１００の全体の出力電圧に変動はない。

しかし、電源回路ユニット１の出力電圧が、電池回路モジュール１０ａの電池電圧で割り切れない値であれば、電源回路ユニット１の出力電圧と、電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・，１０ｅの合計電圧とは整合しない。換言すると、電源回路ユニット１の出力電圧（電池回路モジュール群１００の全体の出力電圧）が変動してしまう。ただし、このときの変動振幅は１つの電池回路モジュール分の電圧であり、また、この変動周期は、ゲート信号の周期Ｆ／電池回路モジュール数となる。ここでは、数十個の電池回路モジュールを直列接続しているので、電池回路モジュール全体の寄生インダクタンスは大きな値となっており、この電圧変動はフィルタされて結果的には電源回路ユニット１の出力電圧を得ることができる。

「具体例」
次に、具体例について説明する。図５において、例えば、電源回路ユニット１としての所望の出力電圧が４００Ｖ、電池回路モジュール１０の電池電圧が１５Ｖ、電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・，１０ｅ数が４０個、遅延時間が２００ｎｓであるとする。なお、この場合は、電源回路ユニット１の出力電圧（４００Ｖ）が、電池回路モジュール１０の電池電圧（１５Ｖ）で割り切れない場合に相当する。

これらの数値に基づくと、ゲート信号の周期Ｆは、遅延時間×電池回路モジュール数により算出されるので、２００ｎｓ×４０個＝８μｓとなり、ゲート信号は１２５ｋＨｚ相当の矩形波になる。また、ゲート信号のＯＮ時比率Ｇ１は、電源装置出力電圧／（電池回路モジュール電池電圧×電池回路モジュール数）により算出されるので、ＯＮ時比率Ｇ１は、４００Ｖ／（１５Ｖ×４０個）≒０．６７となる。

これらの数値に基づいて、電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・，１０ｅを順次駆動すると、電源回路ユニット１として、図５中、符号Ｈ１で示す矩形波状の出力特性が得られる。この出力特性は、３９０Ｖと４０５Ｖとの間で変動する電圧出力特性となる。すなわち、ゲート信号の周期Ｆ／電池回路モジュール数により算出される周期で変動する出力特性となり、８μｓ／４０個＝２００ｎｓ（５ＭＨｚ相当）で変動する出力特性となる。この変動は、電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・，１０ｅの配線による寄生インダクタンスでフィルタリングされるので、符号Ｈ２で示すように、電源回路ユニット１としては、４００Ｖの電圧が出力される。

そして、最上流側の電池回路モジュール１０ａのコンデンサＣには、接続状態の場合に電流が流れるため、図５中符号Ｊ１で示すように、コンデンサ電流波形は矩形波になる。
電池ＢとコンデンサＣはＲＬＣフィルタを形成しているので、電源回路ユニット１にはフィルタリングされて平準化された電流が出力される（図５中、符号Ｊ２参照）。

このように、全ての電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・，１０ｅにおいて電流波形は同様であり、また、全ての電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・，１０ｅから均等に電流を出力することができる。

「電源装置の構成」
図６に実施形態に係る電源装置の構成を示す。このように、電源装置は、複数の電源回路ユニット１を有している。図においては、電源回路ユニット１を２つのみ示し、最上流側の電源回路ユニット１の正側端子＋ＯＴが電源装置の正側出力端子＋ＯＵＴとなる。また、最下流側の電源回路ユニット１の負側端子−ＯＴが電源回路ユニット１の負側出力端子−ＯＵＴとなる。

そして、電源装置は、全体動作を制御する統括制御回路２００を有している。統括制御回路２００には、各電源回路ユニット１のコントローラ１２が接続されており、ここにゲート制御信号が供給される。各コントローラ１２は、統括制御回路２００からのゲート制御信号に基づいて、ゲート信号の出力を制御する。すなわち、受け取ったゲート制御信号に応じて出力するゲート信号の出力タイミングおよびデューティー比を制御する。従って、統括制御回路２００は、各電源回路ユニット１の動作を総合的に制御することができる。なお、ゲート制御信号は、所定のデューティー比に設定され、所定のタイミングで出力されるゲート信号であることが好適である。

「電源装置の動作」
本実施形態における動作について、図７に基づいて説明する。この例では、４つの電源回路ユニット１（ユニットＡ〜Ｄ）を有する構成としている。そして、動作モードとして、（ｉ）非ＰＷＭ制御モード、（ｉｉ）ＰＷＭ制御モードの２つを有する。

＜非ＰＷＭ制御モード＞
上述したように、本実施形態では、統括制御回路２００からのゲート制御信号に基づいて、各電源回路ユニット１毎にデューティー比を設定できる。例えば、図７の下図の左端のように、ユニットＡおよびＢをデューティー比１００％、ユニットＣおよびＤをデューティー比０％とすると、ユニットＡおよびＢに含まれる電池回路モジュール群１００をすべて直列接続した電圧が出力として得られる。この動作モードでは、離散的な電圧しか出力できないが、ＰＷＭ制御しないためスイッチング損失が発生しない。

＜ＰＷＭ制御モード＞
図６において、もし各電源回路ユニット１が、電池出力（強電系）だけでなく、制御回路１１の遅延回路１３も直列接続しているならば、図１の回路と全く同じ構成になる。すなわち、４つの電源回路ユニット１が１つの電源回路ユニット１として動作する。

この場合、統括制御回路２００により、遅延回路を直列接続していた場合に入力されるべきゲート信号を生成して各電源回路ユニット１に供給し、コントローラ１２が受け取ったタイミングで最上流側の電池回路モジュール１０および遅延回路１３に入力すればよい。なお、統括制御回路２００からのゲート制御信号に応じてコントローラ１２が適切なゲート信号を発生してもよい。

具体的には、各電源回路ユニット１において、同じデューティー比であって同じ周波数（周期）のゲート信号を発生する。ただし、各ゲート信号には各ユニットの遅延時間合計に依存した時間差（位相差）を与える必要がある。例えば、ユニットＡ→Ｂ→Ｃ→Ｄの順にゲート信号が伝播する動作を真似る場合、ユニットＡとＢのゲート信号の時間差を、ユニットＡの遅延時間合計と一致させる。ユニットＢとＣのゲート信号の時間差をユニットＢの遅延時間合計と一致させ、以降も同様とする。そして、ユニットＡ〜Ｄにおける全遅延時間をゲート信号の周期と一致させることで、電源装置の出力電圧をデューティー比に応じたものに設定することができる。

簡素な例として、図７のような４ユニット構成で、各電源回路ユニット１の遅延時間合計が同じである場合は、各電源回路ユニット１の先頭には全遅延時間の１／４の時間差、すなわち９０度の位相差を与えればよい。この動作によれば、任意の電圧を出力できるがスイッチング損失が発生する。

＜モード切り換え＞
図７では、非ＰＷＭ制御モードにおいて、デューティー比１００％指令を与えるモジュール群を切り替えるシーケンスの例を示している。すなわち、ユニットＡおよびＢを全接続している状態から、ユニットＣのみを全接続している状態に切り換える場合、これを瞬時に行ってしまうと、出力電圧が突然１／２になる。従って、電源装置から電力供給を受けている負荷に接続されている容量成分（コンデンサなど）から突入電流が流れて電源装置が故障するおそれがある。

このために、非ＰＷＭ制御モードの２つの状態の間に、ＰＷＭ制御モードを挿入し、ここで出力電圧を徐々に変更する。すなわち、ユニットＡおよびＢを全接続する状態では、ユニットＡ〜Ｄのデューティー比が１００，１００，０，０であるが、これをＰＷＭ制御モードとして、ユニットＡ〜Ｄのデューティー比を５０％に設定する。この場合、全体として、１つの電源回路ユニット１として動作する必要があり、例えば、ゲート信号の位相（最上流側の電池回路モジュール１０に入力されるゲート信号の位相）を、各ユニットでそれぞれ０、９０、１８０、２７０度とする。なお、各ユニット毎に供給されるゲート信号の位相の順番は入れ換えてもよい。例えば、上から１８０、０、２７０、９０度の位相差を持ったゲート信号を与えても、出力電圧は同じである。

そして、ゲート信号のデューティー比を徐々に小さくして、２５％にした後、非ＰＷＭ制御モードとして、１つのユニット（この例ではユニットＣ）のデューティー比を１００％、他のユニットのデューティー比を０％とする。このモード切り換え時における出力電圧の変化はなく、切り換えに問題はない。

このようにして、スイッチング損失の少ない非ＰＷＭ制御モードを用いつつ、その切り換え時にＰＷＭ制御モードを介在させることで、適切な出力電圧の変更が行える。なお、非ＰＷＭ制御モードの状態は数秒以上継続することが好適であり、また過渡的なＰＷＭ制御モードは数ミリ秒程度が好適である。

「実施形態の効果」
以上説明したように、電池回路モジュール群１００を駆動する場合、最上流側の電池回路モジュール１０ａに出力したゲート信号を、下流側の電池回路モジュール１０ｂに一定時間遅延して出力して、さらに、このゲート信号を一定時間遅延して下流側の電池回路モジュールに順次伝達するので、電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・，１０ｅは、一定時間遅延しながら、接続状態の期間において順次電圧をそれぞれ出力する。そして、これらの電圧が合計されることによって、電源回路ユニット１としての電圧が出力されることになり、所望の電圧を得ることができる。このため、昇圧回路が必要なくなり、電源回路ユニット１の構成を簡素化することができ、小型化、低コスト化することができる。また、構成が簡素化されるので、損失が発生する部分が減少して昇圧効率が向上する。さらに、複数の電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・，１０ｅから略均等に電圧を出力しているので、特定の電池回路モジュールに駆動が集中することもなく、電源回路ユニット１の内部抵抗損失を低減することができる。

また、ＯＮ時比率Ｇ１を調整することによって、所望の電圧に容易に対応することができ、電源回路ユニット１としての汎用性を向上することができる。特に、電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・，１０ｅに故障が発生して、使用困難な電池回路モジュールが発生した場合でも、その故障した電池回路モジュールをスルー状態に固定することで除外して、正常な電池回路モジュールを使用して、ゲート信号の周期Ｆ、ＯＮ時比率Ｇ１、遅延時間を再設定することによって、所望の電圧を得ることができる。すなわち、電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・，１０ｅに故障が発生しても所望の電圧の出力を継続することができる。

さらに、ゲート信号を遅延する遅延時間を長く設定することによって、ゲート信号の周波数が低周波になるので、第１のスイッチング素子Ｓ１および第２のスイッチング素子Ｓ２のスイッチング周波数も低くなり、スイッチング損失を低減することができ、電力変換効率を向上することができる。逆に、ゲート信号を遅延する遅延時間を短くすることによって、ゲート信号の周波数が高周波になるので、電圧変動の周波数が高くなり、フィルタリングが容易になって、安定した電圧を得ることができる。また、電流変動をＲＬＣフィルタによって平準化することも容易になる。このように、ゲート信号を遅延する遅延時間を調整することによって、求められる仕様、性能に応じた電源回路ユニット１を提供することができる。

本実施形態では、電源回路ユニット１毎に、全接続／全スルー（非ＰＷＭモード）を選択することができる。これによって、ＰＷＭ制御せずに出力電圧を調整でき、スイッチング損失が発生しない。この非ＰＷＭモードでは、出力できる電圧が離散的になる。切り換えの際のＰＷＭモードを利用することで、出力電圧を徐々に変更することが可能であり、出力電圧の急激な変化に起因する突入電流の発生を抑制することができる。

「変形例」
次に、電池回路モジュール１０の構成の変形例について説明する。図８に示すように、電池回路モジュール１０の構成として、図１に示す電池回路モジュール１０のチョークコイルＬと電池Ｂとの配置位置（接続位置）を入れ替えてもよい。また、第２のスイッチング素子Ｓ２を、第１のスイッチング素子Ｓ１に対して正側端子＋ＯＴの反対側に配置してもよい。すなわち、第１のスイッチング素子Ｓ１と第２のスイッチング素子Ｓ２とのスイッチング動作により電池Ｂ（コンデンサＣ）の電圧を正側端子＋ＯＴに出力できるのであれば、電池回路モジュール１０における各素子、電気部品の配置を適宜変更することができる。

また、電池Ｂの電圧出力特性が優れている場合、すなわち、電源電流がコンデンサ電流と一致して、出力波形が矩形波となっても電源回路において問題がないときには、ＲＬＣフィルタを省略してもよい。また、電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・，１０ｅの配線による寄生インダクタンスを利用していたが、配線による寄生インダクタンスを利用する代わりに、必要なインダクタンス値を担保するためにインダクタンス部品を実装してもよい。

さらに、上記実施形態では、図９（ａ）に示すように、コントローラ１２からのゲート信号を、遅延回路１３に出力する前に、電池回路モジュール１０に出力していたが、図９（ｂ）に示すように、ゲート信号を、遅延回路１３で遅延した後に電池回路モジュール１０に出力してもよい。この場合、遅延回路１３から出力される遅延されたゲート信号が、電池回路モジュール１０ａおよび遅延回路１３ｂにそれぞれ出力される。遅延回路１３ｂ，１３ｃ，・・・１３ｅにおいても同様の制御を行う。この制御によっても、電池回路モジュール１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・，１０ｅを一定時間遅延しながら順次駆動することができ、コントローラ１２において、合計の遅延時間を把握して、次のゲート信号を出力することができる。

１ 電源回路ユニット、１０（１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・，１０ｅ） 電池回路モジュール、１１ 制御回路、１２ コントローラ、１３（１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，・・・，１３ｅ） 遅延回路、１００ 電池回路モジュール群、２００ 統括制御回路、Ｂ 電池、Ｃ コンデンサ、Ｌ チョークコイル、＋ＯＴ 正側端子、−ＯＴ 負側端子、Ｓ１ 第１のスイッチング素子、Ｓ２ 第２のスイッチング素子。

Claims (3)

1. 直列接続された複数の電源回路ユニットを含み、各電源回路ユニットに対し、デューティー比の異なるゲート信号が入力可能な電源装置であって、
   各電源回路ユニットは、
   電池を正側端子と負側端子に接続し電池からの電力を出力する接続状態と、電池を正側端子または負側端子から切り離し正側端子と負側端子を短絡するスルー状態とが、ゲート信号によって切り換えられる電池回路モジュールを、正側端子および負側端子を介して複数直列接続した電池回路モジュール群と、
   各電池回路モジュールに対応して設けられ、ゲート信号を一定時間ずつ遅延させて伝達する複数の遅延回路を含み、各電池回路モジュールに対してゲート信号を一定時間ずつずらせて供給する、制御回路と、
   を含む、
   電源装置。
2. 請求項１に記載の電源装置であって、
   複数の電源回路ユニットに入力するゲート信号のうち、いずれかのゲート信号のデューティー比が１００％に設定されている動作モードを有する、
   電源装置。
3. 請求項１に記載の電源装置であって、
   複数の電源回路ユニットに入力するゲート信号のデューティー比および周期が等しい動作モードを有する、
   電源装置。