JP6959275B2 - スイッチング電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、入力端同士及び出力端同士が互いに並列接続された２つのＤＣ−ＤＣコンバータを有したスイッチング電源装置に関する。

従来、特許文献１に開示されているように、互いに並列接続された２つの昇圧コンバータを備え、軽負荷時に２つの昇圧コンバータの中の一方の動作を停止させ、重負荷時に双方を動作させる制御を行うことにより、電流が小さい領域から大きい領域まで効率を向上させたスイッチング電源回路があった。

図９に示す従来のスイッチング電源装置１０は、商用のAC100V〜AC200Vに対応したワイド入力タイプの電源装置であり、特許文献１のスイッチング電源回路に、一般的な過電流保護の機能と力率改善の機能を付加したものである。以下、スイッチング電源装置１０の構成及び動作について詳しく説明する。

スイッチング電源装置１０は、入力端同士及び出力端同士が互いに並列接続された２つの昇圧コンバータ１２(1)，１２(2)で構成された電力変換部１２と、昇圧コンバータ１２(1)，１２(2)が有する各スイッチング素子１４(1)，１４(2)を駆動し、これらのオン時間及びオフ時間を制御することによって電力変換部１２の出力電圧Voutを安定化するスイッチング制御部１６とを備え、さらに昇圧コンバータ１２(1)，１２(2)の入力端の前段に、商用交流電圧Eを全波整流して脈流電圧Vinを生成する整流器１８が設けられている。

昇圧コンバータ１２(1)は、入力コンデンサ２０、昇圧用インダクタ２２(1)、スイッチング素子１４(1)、整流ダイオード２４(1)及び出力コンデンサ２６で構成され、昇圧コンバータ１２(2)は、入力コンデンサ２０、昇圧用インダクタ２２(2)、スイッチング素子１４(2)、整流ダイオード２４(2)及び出力コンデンサ２６で構成されている。

スイッチング制御部１６は、入力情報取得部２８、出力情報取得部３０、過電流検出部３２及びスイッチング素子駆動部３４を備えている。

入力情報取得部２８は、電力変換部１２の入力端に発生している脈流電圧Vinに対応した脈流電圧情報S(Vin)と、電力変換部１２に流入している入力電流Iinに対応した入力電流情報S(Iin)とを取得又は生成し、これらをスイッチング素子駆動部３４に送信する。入力電流Iinは、昇圧コンバータ１２(1)の入力電流Iin1と昇圧コンバータ１２(2)の入力電流Iin2を合成した電流である。

出力情報取得部３０は、電力変換部１２の出力電圧Voutに対応した出力電圧情報S(Vout)を取得又は生成し、スイッチング素子駆動部３４に送信する。

過電流検出部３２は、昇圧用インダクタ２２(1)，２２(2)の各電流Ich1，Ich2を合成した電流Ich（以下、インダクタ電流Ichと称する。）が流れる部位に挿入された電流検出用抵抗３２ａと、その両端電圧を分圧する分圧用抵抗３２ｂ，３２ｃと、分圧用抵抗３２ｃの電圧が閾値Vthに達した時に出力が反転する比較器３２ｄとで構成されている。閾値Vthは、インダクタ電流Ichの許容上限値Ich(max)に対応した値に設定されている。したがって、比較器３２ｄは、インダクタ電流Ichが許容上限値Ich(max)に達すると出力のロジックが反転し、スイッチング素子駆動部３４に向けて、ハイレベル又はローレベルの電圧信号である過電流情報S(Ich(max))を送信する。

スイッチング素子駆動部３４は、受信した情報S(Vin)，S(Iin)，S(Vout)，S(Ich(max))に基づいて、スイッチング素子１４(1)，１４(2)をオンオフさせるための駆動パルスVg1，Vg2を生成する。具体的には、図１０に示すルールに基づいて動作する。

スイッチング素子駆動部３４は、まず、入力電流情報S(Iin)から入力電流Iinの平均値を算出して軽負荷時か重負荷時かの判定を行い、軽負荷時と判定された時は、スイッチング素子１４(2)の動作を停止させ、スイッチング素子１４(1)だけを動作させる。一方、重負荷時と判定された時は、スイッチング素子１４(1)，１４(2)の双方を駆動してインターリーブ動作させる。

そして、過電流情報S(Ich(max))が受信されない時は、出力電圧情報S(Vout)、脈流電圧情報S(Vin)及び入力電流情報S(Iin)を参照し、軽負荷時か重負荷時かにかかわらず、出力電圧Voutを目標値に近づけるように、且つ入力電流Iin波形が脈流電圧Vin波形と相似形になるように、スイッチング素子１４(1)，１４(2)のオン時間及びオフ時間を調節する。これによって、出力電圧Voがほぼ一定の値に保持され、さらに力率も改善されることになる。

過電流情報S(Ich(max))が受信された時は、軽負荷時か重負荷時かにかかわらず、スイッチング素子１４(1)，１４(2)のオンの時比率を制限し、インダクタ電流Ichが許容上限値Ich(max)を超えないようにする。その結果、入力電流Iinが規定値Iocpを超えないように制限され、出力電圧Voutがダウンすることになる。

次に、昇圧コンバータ１２(1)，１２(2)の各部に流れる電流の波形について説明する。ここでは、重負荷時で過電流情報S(Ich(max))が受信されない時の動作を通常動作Ａ２、重負荷時で過電流情報S(Ich(max))が受信された時の動作を過電流動作Ｂ２、軽負荷時で過電流情報S(Ich(max))が受信されない時の動作を通常動作Ａ１、軽負荷時で過電流情報S(Ich(max))が受信された時の動作を過電流動作Ｂ１と称する。また、昇圧コンバータ１２(1)，１２(2)は、インダクタ電流Ich1，Ich2がゼロアンペアから三角波状に増減する臨界モード動作を行うものとする。

図１１（ａ）は、通常動作Ａ２を行っている時の波形を示している。インダクタ電流Ichは、インダクタ電流Ich1，Ich2を合成したものであり、インダクタ電流Ich1，Ich2に含まれるスイッチング周波数成分をΔIch1，ΔIch2とすると、Ich＝(Iin1＋ΔIch1)＋(Iin2＋ΔIch2)となる。通常動作Ａ２では、インダクタ電流Ichが許容上限値Ich(max)に達していないので、インダクタ電流Ich＝Ich1＋Ich2はまだ増加することができ、入力電流Iin＝Iin1＋Iin2もまだ増加することができる。

図１１（ｂ）は、過電流動作Ｂ２を行っている時の波形を示しており、インダクタ電流Ich＝Ich1＋Ich2が許容上限値Ich(max)を超えないように制御され、その結果、入力電流Iin＝Iin1＋Iin2が規定値Iocpを超えないように制限される。

図１２（ａ）は、通常動作Ａ１を行っている時の波形を示している。ここでは、スイッチング素子１４(2)がスイッチング動作を停止しているので、インダクタ電流Ichはインダクタ電流Ich1と等しくなり、Ich＝Iin1＋ΔIch1となる。通常動作Ａ１では、インダクタ電流Ichが許容上限値Ich(max)に達していないので、インダクタ電流Ich＝Ich1はまだ増加することができ、入力電流Iin＝Iin1もまだ増加することができる。

図１２（ｂ）は、過電流動作Ｂ１を行っている時の波形を示しており、インダクタ電流Ich＝Ich1が許容上限値Ich(max)を超えないように制御され、その結果、入力電流Iin＝Iin1が規定値Iocpを超えないように制限される。

従来のスイッチング電源装置１０は、特許文献１の技術が適用されているので、電流が小さい領域から大きい領域まで効率を向上させることができる。また、過電流保護の機能が付加されているので、装置の安全性が向上する。

特開２０１１−２０５８０８号公報

従来のスイッチング電源装置１０は、出力電流Ioutが急増した時、出力電流Ioutが定格電流を超えなくても、入力電力Pinが一時的に過大になる可能性がある。出力電流Ioutが急増すると、出力コンデンサ２６の電荷が放電されて出力電圧Voutが低下し始めるので、出力コンデンサ２６を急いで充電し電圧Voutを上昇させる制御が行われ、入力電流Iinが急増するからである。

図１３の図表の中の左列は、出力電流Ioutがゼロアンペア（軽負荷）から定格電流（重負荷）に急増したときの入力電流Iin1，Iin2の波形を示している。AC100V入力の時の動作を説明すると、出力電流Ioutがゼロアンペアの時は通常動作Ａ１を行っている。その後、出力電流Ioutが定格電流に変化するが、入力情報取得部２８の動作遅れが原因で、インターリーブ動作の開始（スイッチング素子１４(2)の動作開始）が少し遅れる。そのため、遅れている期間に、通常動作Ａ１、過電流動作Ｂ１、通常動作Ａ１を順に行い、その後、インターリーブ動作が開始されて通常動作Ａ２に移行する。この一連の動作により、入力電流Iinが急増しても規定値Iocp（例えば40A）以下に制限され、入力電力Pinのピーク値が（100V×40A）相当の小さい値に収まるので、特に問題はない。

AC200V入力の時の動作を説明すると、出力電流Ioutがゼロアンペアの時は通常動作Ａ１を行い、出力電流Ioutが定格電流に変化した後は、入力電流Iinが規定値Iocp（例えば40A）に到達しないので通常動作Ａ１を継続し、インターリーブ動作が開始されて通常動作Ａ２に移行する。この一連の動作により、入力電流Iinが急増して規定値Iocp（例えば40A）に近い値になるので、入力電力Pinのピーク値が（200V×40A）相当の大きい値になってしまう。

このように、従来のスイッチング電源装置１０は、高入力で使用していて出力電流Ioutが急増した時、出力電流Ioutが定格電流を超えなくても、入力電力Pinが一時的に過大になる可能性がある。

この問題を解決する方策として、例えば、高入力の時、規定値Iocpを低入力時より低い値に切り替える方法が考えられる。図１４に示すスイッチング電源装置３６は、商用交流電圧Eに応じて規定値Iocpを切り替えるため、スイッチング電源装置１０のスイッチング制御部１６（入力情報取得部２８、過電流検出部３２）を、スイッチング制御部１６ｘ（入力情報取得部２８ｘ、過電流検出部３２ｘ）に改変したものである。

入力情報取得部２８ｘは、脈流電圧情報S(Vin)及び入力電流情報S(Iin)を取得又は生成してスイッチング素子駆動部３４に送信するとともに、商用交流電圧情報S(E)を取得又は生成して過電流検出部３２ｘに送信する。商用交流電圧情報S(E)は電圧信号であり、商用交流電圧EがAC100V系の時にハイレベル、AC200V系の時にローレベルになる。

過電流検出部３２ｘは、分圧抵抗３２ｃの両端に、抵抗３２ｅとスイッチ３２ｆの直列回路が付加され、スイッチ３２ｆは、入力情報取得部２８ｘから送信された商用交流電圧情報S(E)を受けてオン又はオフする構成になっている。スイッチ３２ｆはAC100V入力の時にオンし、これによって分圧回路の分圧比が小さくなり、規定値Iocpが実質的に高くなる（例えば40A）。また、AC200V入力の時はスイッチ３２ｆがオフし、これによって分圧回路の分圧比が大きくなり、規定値Iocpが実質的に低くなる（例えば20A）。

スイッチング制御部１６ｘが行う動作は図１５に示す通りである。図１０と比較して分かるように、スイッチング制御部１６と異なるのは、過電流保護に関する事項が追加されている点である。

図１６の図表の中の左列は、出力電流Ioutがゼロアンペア（軽負荷）から定格電流（重負荷）に急増した時の入力電流Iin1，Iin2の波形を示している。AC100V入力の時の動作及び波形はスイッチング電源装置１０（図１３）とほぼ同じであり、特に問題はない。

AC200V入力の時は、規定値Iocpが低くなっているので、入力電流Iinが規定値Iocpに達しやすくなっている。したがって、インターリーブ動作の開始が遅れている期間は、通常動作Ａ１、過電流動作Ｂ１、通常動作Ａ１を順に行い、その後、インターリーブ動作が開始されて通常動作Ａ２へ移行する。この一連の動作により、入力電流Iinが増加しても規定値Iocp（例えば20A）で制限され、入力電力Pinのピーク値が（200V×20A）相当の小さい値に収まるので、特に問題はない。

このように、スイッチング電源装置３６の構成にすれば、高入力で使用していて出力電流Ioutが急増した時に、入力電力Pinが一時的に過大になるのを防止することができる。しかしながら、スイッチング電源装置３６の構成にすると、別の問題が発生する可能性がある。瞬時停電等が発生して商用交流電圧Eが急に低下した時、出力電圧Voutが大きく低下するという問題である。

例えば、AC200V入力で負荷に一定の出力電力Poを供給している時（重負荷時）に、入力が急にAC100Vに低下した状況を考える。AC200V入力の時は少ない入力電流Iinで出力電力Poを供給できるが、AC100V入力に急変すると、AC200V入力の時の入力電流Iinで出力電力Poを供給できなくなり、出力コンデンサ２６の電荷が放電されて出力電圧Voutが低下し始める。そのため、出力コンデンサ２６を急いで充電して電圧Voutを上昇させる制御を行い、入力電流Iinを急増させる必要がある。

図１６の図表の中の右列は、入力がAC200VからAC100Vに急変した時の入力電流Iinの波形を示している。この波形から分かるように、規定値Iocpは、AC200V入力の時に低い値（例えば20A）になっており、入力がAC100Vに変化した後、規定値Iocpが切り替わるのが少し遅れるため、遅れている期間は、規定値Iocpが低い値（例えば20A）に保持されたまま、通常動作Ａ２、過電流動作Ｂ２、通常動作Ａ２を順に行い、その後、通常動作Ａ２の途中で規定値Iocpが高い値（例えば40A）に切り替わる。この一連の動作により、入力電流Iinが増加しても規定値Iocp（例えば20A）以下に制限されるので、十分な入力電流Iinを流すことができず、出力電圧Voutが大きく低下してしまう。

この出力電圧Voutの低下は、規定値Iocpが切り替わる時の遅延時間を短縮できれば小さくできる。しかし、規定値Iocpが切り替わる時の遅延時間は主に入力情報取得部２８ｘの動作遅れが原因であり、この遅延時間を短縮することは容易ではない。

なお、スイッチング電源装置１０の場合は、図１３の図表の中の右列の波形に示すように、入力がAC200VからAC100Vに急変した時に出力電圧Voutが大きく低下するという問題は発生しない。

以上のように、従来のスイッチング電源装置１０の構成は、出力電流Ioutが急変した時に入力電力Pinが過大になりやすいという問題があり、従来のスイッチング電源装置３６の構成は、入力が急変した時に出力電圧Voutが大きく低下しやすいという問題がある。

本発明は、上記背景技術に鑑みて成されたものであり、出力電流の急変時に入力電力が過大になるのを適切に防止することができ、入力急変時の出力電圧の低下も小さくできるシンプルな構成のスイッチング電源装置を提供することを目的とする。

本発明は、入力端同士及び出力端同士が互いに並列接続された２つのＤＣ−ＤＣコンバータで構成された電力変換部と、前記２つのＤＣ−ＤＣコンバータが有する各スイッチング素子を駆動し、これらのオン時間及びオフ時間を制御することによって前記電力変換部の出力電圧を安定化するスイッチング制御部とを備え、前記スイッチング制御部は、前記各スイッチング素子のオンの時比率を制限することによって、前記電力変換部に流入する入力電流が規定値を超えないように制限する過電流保護の機能を有し、前記電力変換部の入力電力又は出力電力が所定の値より小さい軽負荷時は、一方の前記スイッチング素子の動作を停止させるとともに前記過電流保護の規定値を相対的に小さくする軽負荷モードの制御を行い、前記入力電力又は前記出力電力が所定の値より大きい重負荷時は、双方の前記スイッチング素子を動作させるとともに前記過電流保護の規定値を相対的に大きくする重負荷モードの制御を行うスイッチング電源装置である。

前記スイッチング制御部は、前記電力変換部の入力電圧が所定の値より低くなると、軽負荷時か重負荷時かにかかわらず、前記重負荷モードの制御を行う。また、前記スイッチング制御部は、前記重負荷モードの制御を行う時、前記各スイッチング素子をインターリーブ動作させる構成にすることが好ましい。また、前記２つのＤＣ−ＤＣコンバータの入力端の前段に、商用交流電圧を全波整流して脈流電圧を生成する整流器が設けられ、前記スイッチング制御部は、前記入力電流の波形が前記脈流電圧の波形と相似形になるように前記各スイッチング素子を駆動する力率改善の機能を有している構成にすることができる。この場合、前記２つのＤＣ−ＤＣコンバータは昇圧コンバータであることが好ましい。

本発明のスイッチング電源装置は、シンプルな構成で独特な動作を行うスイッチング制御部を備えているので、出力電流の急変時に入力電力が過大になるのを適切に防止することができ、入力急変時の出力電圧の低下も小さく抑えることができる。また、電流が小さい領域から大きい領域まで効率を向上させることができる。

スイッチング電源装置の一実施形態を示す回路図である。 図１のスイッチング電源装置が有するスイッチング制御部の動作を示す図表である。 図１のスイッチング電源装置の過渡時の動作波形を示す図表である。 図１のスイッチング電源装置を改良した本発明のスイッチング電源装置の一実施形態を示す回路図である。 図１と図４のスイッチング電源装置が有する各スイッチング制御部の動作を示すグラフ（ａ）、（ｂ）。 図１のスイッチング電源装置及び図４のスイッチング電源装置の過渡時の動作波形を比較した図表である。 スイッチング電源装置の他の実施形態を示す回路図である。 図７のスイッチング電源装置が有するスイッチング制御部の動作を示す図表である。 従来のスイッチング電源装置の一例を示す回路図である。 図９のスイッチング電源装置が有するスイッチング制御部の動作を示す図表である。 図９のスイッチング電源装置の定常時の動作を説明する図であって、通常動作Ａ２を行っている時の動作波形（ａ）、過電流動作Ｂ２を行っている時の動作波形（ｂ）である。 図９のスイッチング電源装置の定常時の動作を説明する図であって、通常動作Ａ１を行っている時の動作波形（ａ）、過電流動作Ｂ１を行っている時の動作波形（ｂ）である。 図９のスイッチング電源装置の過渡時の動作波形を示す図表である。 従来のスイッチング電源装置の他の例を示す回路図である。 図１４のスイッチング電源装置が有するスイッチング制御部の動作を示す図表である。 図１４のスイッチング電源装置の過渡時の動作波形を示す図表である。

以下、スイッチング電源装置の一実施形態について、図１〜図３に基づいて説明する。この形態のスイッチング電源装置３８は、商用のAC100V〜AC200Vに対応したワイド入力タイプの電源装置であり、以下、従来のスイッチング電源装置１０，３６と同様の構成は、同一の符号を付して説明する。

スイッチング電源装置３８は、図１に示すように、入力端同士及び出力端同士が互いに並列接続された２つの昇圧コンバータ１２(1)，１２(2)で構成された電力変換部１２と、昇圧コンバータ１２(1)，１２(2)が有する各スイッチング素子１４(1)，１４(2)を駆動し、これらのオン時間及びオフ時間を制御することによって電力変換部１２の出力電圧Voutを安定化するスイッチング制御部４０とを備え、さらに昇圧コンバータ１２(1)，１２(2)の入力端の前段に、商用交流電圧Eを全波整流して脈流電圧Vinを生成する整流器１８が設けられている。昇圧コンバータ１２(1)，１２(2)の構成は、従来のスイッチング電源装置１０，３６と同様である。

スイッチング制御部４０は、入力情報取得部４２、出力情報取得部４４、過電流検出部４６及びスイッチング素子駆動部４８を備えている。

入力情報取得部４２は、電力変換部１２の入力端に発生している脈流電圧Vinに対応した脈流電圧情報S(Vin)と、電力変換部１２に流入している入力電流Iinに対応した入力電流情報S(Iin)とを取得又は生成し、これらをスイッチング素子駆動部４８に送信する。入力電流Iinは、昇圧コンバータ１２(1)の入力電流Iin1と昇圧コンバータ１２(2)の入力電流Iin2を合成した電流である。

出力情報取得部４４は、電力変換部１２の出力電圧Voutに対応した出力電圧情報S(Vout)と、電力変換部１２の出力電力Poutに対応した出力電力情報S(Pout)とを取得又は生成し、これらをスイッチング素子駆動部４８に送信する。出力電力情報S(Pout)は、過電流検出部４６にも送信する。出力電力情報S(Pout)は、軽負荷時か重負荷時かを示す電圧信号であり、出力電力Poutが所定の値以下の軽負荷時にローレベル、所定の値を超える重負荷時にハイレベルになる。

過電流検出部４６は、昇圧用インダクタ２２(1)，２２(2)の各電流Ich1，Ich2を合成した電流Ich（インダクタ電流Ich）が流れる部位に挿入された電流検出用抵抗４６ａと、その両端電圧を分圧する分圧用抵抗４６ｂ，４６ｃと、分圧抵抗４６ｃの両端に接続された抵抗４６ｅ及びスイッチ４６ｆの直列回路と、分圧用抵抗４６ｃの電圧と閾値Vthとを比較する比較器４６ｄとで構成されている。閾値Vthは、インダクタ電流Ichの許容上限値Ich(max)に対応した値に設定されている。したがって、比較器４６ｄは、インダクタ電流Ichが許容上限値Ich(max)に達すると出力のロジックが反転し、スイッチング素子駆動部４８に向けて、ハイレベル又はローレベルの電圧信号である過電流情報S(Ich(max))を送信する。

スイッチ４６ｆは、出力情報取得部４４から送信された出力電力情報S(Pout)を受けてオン又はオフする構成になっている。スイッチ４６ｆは重負荷時にオンし、これによって分圧回路の分圧比が小さくなり、入力電流Iinを制限する規定値Iocpが実質的に高くなる（例えば40A）。また、軽負荷時はスイッチ４６ｆがオフし、これによって分圧回路の分圧比が大きくなり、規定値Iocpが実質的に低くなる（例えば20A）。

スイッチング素子駆動部４８は、受信した情報S(Vin)，S(Iin)，S(Vout)，S(Pout)，S(Ich(max))に基づいて、スイッチング素子１４(1)，１４(2)をオンオフさせるための駆動パルスVg1，Vg2を生成する。具体的には、図２に示すルールに基づいて動作する。

スイッチング素子駆動部４８は、出力電力情報S(Pout)がローレベル電圧の時（軽負荷時）、スイッチング素子１４(2)の動作を停止させ、スイッチング素子１４(1)だけを動作させる。一方、ハイレベル電圧の時（重負荷時）は、スイッチング素子１４(1)，１４(2)の双方を駆動してインターリーブ動作させる。

そして、過電流情報S(Ich(max))が受信されない時は、出力電圧情報S(Vout)、脈流電圧情報S(Vin)及び入力電流情報S(Iin)を参照し、軽負荷時か重負荷時かにかかわらず、出力電圧Voutを目標値に近づけるように、且つ入力電流Iin波形が脈流電圧Vin波形と相似形になるように、スイッチング素子１４(1)，１４(2)のオン時間及びオフ時間を調節する。これによって、出力電圧Voがほぼ一定の値に保持され、さらに力率も改善されることになる。

過電流情報S(Ich(max))が受信された時は、軽負荷時か重負荷時かにかかわらず、スイッチング素子１４(1)，１４(2)のオンの時比率を制限し、インダクタ電流Ichが許容上限値Ich(max)を超えないようにする。その結果、入力電流Iinが規定値Iocpを超えないように制限され、出力電圧Voutがダウンすることになる。

スイッチング制御部４０が行う動作は図２に示すように、軽負荷モードの制御と重負荷モードの制御に区分することができる。図１５と比較して分かるように、スイッチング制御部１６ｘと異なるのは、入力電流Iinを制限する規定値Iocpを、商用交流電圧Eの高低に応じて切り替えるのではなく、軽負荷時か重負荷時かによって切り替える点である。

次に、昇圧コンバータ１２(1)，１２(2)の各部に流れる電流の波形について説明する。ここでは、重負荷モードで過電流情報S(Ich(max))が受信されない時の動作を通常動作Ａ２、重負荷モードで過電流情報S(Ich(max))が受信された時の動作を過電流動作Ｂ２、軽負荷モードで過電流情報S(Ich(max))が受信されない時の動作を通常動作Ａ１、軽負荷モードで過電流情報S(Ich(max))が受信された時の動作を過電流動作Ｂ１と称する。また、上記と同様に、昇圧コンバータ１２(1)，１２(2)は、インダクタ電流Ich1，Ich2がゼロアンペアから三角波状に増減する臨界モード動作を行うものとする。

図３の図表の中の左列は、出力電流Ioutがゼロアンペア（軽負荷）から定格電流（重負荷）に急増した時の入力電流Iin1，Iin2の波形を示している。AC100V入力の時の動作を説明すると、出力電流Ioutがゼロアンペアの時は通常動作Ａ１を行っている。その後、出力電流Ioutが定格電流に変化するが、出力情報取得部４４の動作遅れが原因で、重負荷モードへの切り換わり（スイッチング素子１４(2)の動作開始）が少し遅れる。そのため、遅れている期間に、通常動作Ａ１、過電流動作Ｂ１、通常動作Ａ１を順に行い、その後、重負荷モードに切り換わってスイッチング素子１４(2)が動作を開始するとともに規定値Iocpが高い値（例えば40A）に変化し、通常動作Ａ２に移行する。この一連の動作により、入力電流Iinが急増しても規定値Iocp（例えば20A）以下に制限され、入力電力Pinのピーク値が（100V×20A）相当の小さい値に収まるので、特に問題はない。

AC200V入力の時の動作も同様であり、入力電力Pinのピーク値が（200V×20A）相当の小さい値に収まるので、特に問題はない。

また、図３の図表の中の右列は、AC200V入力で負荷に一定の出力電力Poを供給している時（重負荷時）に、入力が急にAC100Vに低下した時の入力電流Iinの波形を示している。この波形から分かるように、商用交流電圧Eが低下しても重負荷の状態が継続するので、動作モードは重負荷モードを継続し、規定値Iocpが高い値（例えば40A）に保持される。したがって、入力がAC200VからAC100Vに変化した後は、入力電流Iinが規定値Iocp（例えば40A）に到達しないので通常動作Ａ２を継続する。この動作により、十分な入力電流Iinを流すことが可能になり、出力電圧Voutの低下を小さく抑えることができる。また、入力電流Iinが急増しても、入力電力Pinのピーク値が（100V×40A）相当の小さい値に収まるので、特に問題はない。

以上説明したように、スイッチング電源装置３８は、シンプルな構成で独特な動作を行うスイッチング制御部４０を備えているので、出力電流Ioutの急変時に入力電力Pinが過大になるのを適切に防止することができ、入力急変時の出力電圧Voutの低下も小さく抑えることができる。また、特許文献１のスイッチング電源回路と同様に、電流が小さい領域から大きい領域まで効率を向上させることができる。

なお、スイッチング電源装置３８は、高入力で使用しているとき、例えば負荷が故障して過負荷状態（出力電流Ioutが定格電流を超えた状態）となり、その状態で放置されると、電力変換部１２や負荷の発熱が大きくなる可能性がある。過負荷状態が継続している時の入力電力Pinの最大値は、AC100Vで使用された時は（100V×40A）相当の小さい値であるが、AC200Vで使用された時は（200V×40A）相当の大きい値になり、負荷に供給される出力電力Poutも大きくなるからである。

この問題は、従来のスイッチング電源装置３６の構成にすれば解決できるが、そうすると、入力急変時に出力電圧Voutが大きく低下してしまう問題を解決することができない。したがって、過負荷状態で放置されるケースが想定される場合は、別途、過熱保護回路等の保護手段を設け、電力変換部１２や負荷の発熱が過大になる前に電力変換部１２の動作を完全に停止させることによって安全を確保することが好ましい。

次に、スイッチング電源装置３８を改良した本発明の一実施形態について、図４〜図６に基づいて説明する。この実施形態のスイッチング電源装置３８ｘは、図４に示すように、スイッチング電源装置３８のスイッチング制御部４０（入力情報取得部４２、過電流検出部４６、スイッチング素子駆動部４８）を、スイッチング制御部４０ｘ（入力情報取得部４２ｘ、過電流検出部４６ｘ、スイッチング素子駆動部４８ｘ）に置き換えたものである。

入力情報取得部４２ｘは、脈流電圧情報S(Vin)及び入力電流情報S(Iin)を取得又は生成してスイッチング素子駆動部４８ｘに送信するとともに、商用交流電圧情報S(E)を取得又は生成して過電流検出部４６ｘ及びスイッチング素子駆動部４８ｘに送信する。商用交流電圧情報S(E)は電圧信号であり、商用交流電圧EがAC100V系の時にハイレベル、AC200V系の時にローレベルになる。

過電流検出部４６ｘの基本的な動作は、過電流検出部４６と同様である。ただし、過電流検出部４６の場合、スイッチ４６ｆが出力電力情報S(Pout)に基づいてオン又はオフするのに対し、過電流検出部４６ｘの場合は、スイッチ４６ｆが出力電力情報S(Pout)及び商用交流電圧情報S(E)に基づいてオン又はオフする構成になっている。つまり、過電流検出部４６ｘは、出力電力情報S(Pout)及び商用交流電圧情報S(E)に基づいて規定値Iocpが切り替わる点に特徴がある。

スイッチング素子駆動部４８ｘの基本的な動作は、スイッチング素子駆動部４８と同様である。ただし、スイッチング素子駆動部４８の場合、商用交流電圧情報S(E)に関係なく軽負荷モードと重負荷モードとが切り換わるのに対し、スイッチング素子駆動部４８ｘの場合は、商用交流電圧情報S(E)の高低によって動作モードの切り換わり方が変化する点に特徴がある。

上記のスイッチング制御部４０は、図５（ａ）に示すように、商用交流電圧Ｅの高低によらず、軽負荷時に軽負荷モードの制御を行い、重負荷時に重負荷モードの制御を行う。これに対して、スイッチング制御部４０ｘは、図５（ｂ）に示すように、商用交流電圧Ｅが所定値以上（例えば、AC150V以上）の時は同様の制御を行うが、商用交流電圧Ｅが所定値未満（AC150V未満）になると、軽負荷時か重負荷時かにかかわらず、重負荷モードの制御を行うという特徴がある。

スイッチング電源装置３８ｘのような構成にすれば、スイッチング電源装置３８で発生し得る特定の不具合を容易に解決することができる。以下、スイッチング電源装置３８で発生し得る特定の不具合について説明する。

上述したように、この種のスイッチング電源装置は、出力電流Ioutが急増すると、出力コンデンサ２６の電荷が放電されて出力電圧Voutが低下し始めるので、出力コンデンサ２６を急いで充電し電圧Voutを上昇させる制御が行われ、入力電流Iin（入力電力Pin）が一時的に急増する。このことは、出力電圧Voutの低下を抑えるため、入力電流Iin（入力電力Pin）がある程度増加することを許容しなければならないことを意味している。したがって、スイッチング電源装置３８の場合も、入力電流Iinの規定値Iocpを低くし過ぎると、出力電流Ioutが急増した時、出力電圧Voutが一時的に大きく低下してしまう可能性がある。この不具合は、低入力の時(例えばAC100Vの時)に発生しやすい。

図３の図表の中の左列の上段は、スイッチング電源装置３８の、AC100V入力で出力電流Ioutが急増した時の動作波形の例である。上記の説明では、軽負荷モードの規定値Iocpを20Aに設定し、重負荷モードの規定値Iocpを40Aに設定した場合、入力電力Pinが過大になるのが適切に防止され、上記の不具合も発生しない。

ここで、スイッチング電源装置３８の安全性をさらに向上させるため、軽負荷モードの規定値Iocpを20Aから15Aに変更し、重負荷モードの規定値Iocpを40Aから30Aに変更した場合を考える。この場合、図６の図表の中の左列の動作波形に示すように、AC100Vで出力電流Ioutが急増した時、入力電流Iinが増加しようとするが、規定値Iocp＝15A以下に制限され十分な入力電流Iinを流すことができず、出力電圧Voutが大きく低下してしまう可能性がある。

一方、スイッチング電源装置３８ｘでは、軽負荷モードの規定値Iocpを15A、重負荷モードの規定値Iocpを30Aに変更しても、このような問題は発生しない。スイッチング電源装置３８ｘの場合、AC100V入力の時は、軽負荷時か重負荷時かにかかわらず、重負荷モードの制御が行われるので、出力電流Ioutがゼロアンペアの時は、規定値Iocpが30Aで、通常動作Ａ２を行っている。その後、出力電流Ioutが定格電流に変化しても、動作モードの切り換わりは発生せず規定値Iocpが30Aに保持され、入力電流Iinが急増しても規定値Iocp＝30Aに到達せず、通常動作Ａ２を継続する。この動作により、十分な入力電流Iinを流すことが可能になり、出力電圧Voutの低下を小さく抑えることができる。

この実施形態のスイッチング電源装置３８ｘによれば、上記のスイッチング電源装置３８と同様の効果を得ることができ、さらに、低入力時に出力電流Ioutが急増した時に出力電圧Voutが大きく低下する不具合も容易に解決することができる。

次に、スイッチング電源装置の他の実施形態について、図７、図８に基づいて説明する。この実施形態のスイッチング電源装置５０は、直流電圧が入力されるワイド入力タイプの電源装置である。

スイッチング電源装置５０は、図７に示すように、入力端同士及び出力端同士が互いに並列接続された２つのＤＣ−ＤＣコンバータ５２(1)，５２(2)で構成された電力変換部５２と、ＤＣ−ＤＣコンバータ５２(1)，５２(2)が有する各スイッチング素子１４(1)，１４(2)を駆動し、これらのオン時間及びオフ時間を制御することによって電力変換部５２の出力電圧Voutを安定化するスイッチング制御部５４を備えている。ＤＣ−ＤＣコンバータ５２(1)，５２(2)は、スイッチング方式のコンバータであり、非絶縁型の昇圧コンバータ、降圧コンバータ、昇降圧コンバータ等でもよいし、絶縁型のシングルエンディッドフォワードコンバータ、フライバックコンバータ、各種ブリッジコンバータ等でもよい。

スイッチング制御部５４は、入力情報取得部５６、出力情報取得部５８、過電流検出部６０及びスイッチング素子駆動部６２を備えている。

入力情報取得部５６は、電力変換部５２の入力電力Pinに対応した入力電力情報S(Pin)を取得又は生成し、過電流検出部６０及びスイッチング素子駆動部６２に送信する。入力電力情報S(Pin)は、軽負荷時か重負荷時かを示す電圧信号であり、入力電力Pinが所定の値以下の軽負荷時にローレベル、所定の値を超える重負荷時にハイレベルとなる。

出力情報取得部５８は、電力変換部５２が出力する出力電圧Voutに対応した出力電圧情報S(Vout)を取得又は生成し、スイッチング素子駆動部６２に送信する。

過電流検出部６０は、ＤＣ−ＤＣコンバータ５２(1)，５２(2)の各入力電流Iin1，Iin2を合成した電流Iin（入力電流Iin）が流れる部位に挿入された電流検出用抵抗６０ａと、電流検出用抵抗６０ａの電圧と閾値Vthとを比較する比較回路６０ｂとで構成されている。閾値Vthは、入力電流Iinの許容上限値である規定値Iocpに対応した値に設定されている。比較回路６０ｂは、電流検出用抵抗６０ａの電圧が閾値Vthに達すると、出力のロジックが反転し、スイッチング素子駆動部６２に向けて、ハイレベル又はローレベルの電圧信号である過電流情報S(Iocp)を送信する。

電流検出用抵抗６０ａは、入力情報取得部５６から送信された入力電力情報S(Pin)を受けて抵抗値が変化する構成になっている。電流検出用抵抗６０ａは、重負荷時に抵抗値が小さくなり、これによって規定値Iocpが実質的に高くなる（例えば40A）。また、軽負荷時は抵抗値が大きくなり、これによって規定値Iocpが実質的に低くなる（例えば20A）。

スイッチング素子駆動部６２は、受信した情報S(Pin)，S(Vout)，S(Iocp)に基づいて、スイッチング素子１４(1)，１４(2)をオンオフさせるための駆動パルスVg1，Vg2を生成する。具体的には、図８に示すルールに基づいて動作する。

スイッチング素子駆動部６２は、入力電力情報S(Pin)がローレベル電圧の時（軽負荷時）、スイッチング素子１４(2)の動作を停止させ、スイッチング素子１４(1)だけを動作させる。一方、ハイレベル電圧の時（重負荷時）は、スイッチング素子１４(1)，１４(2)の双方を駆動して同期運転動作させる。同期運転動作は、スイッチング素子１４(1)，１４(2)のオンオフの位相を一致させる動作である。

そして、過電流情報S(Iocp)が受信されない時は、出力電圧情報S(Vout)を参照し、軽負荷時か重負荷時かにかかわらず、出力電圧Voutを目標値に近づけるようにスイッチング素子１４(1)，１４(2)のオン時間及びオフ時間を調節する。これによって、出力電圧Voutがほぼ一定の値に維持されることになる。

過電流情報S(Iocp)が受信された時は、軽負荷時か重負荷時かにかかわらず、スイッチング素子１４(1)，１４(2)のオンの時比率を制限し、入力電流Iinが規定値Iocpを超えないように制限し、出力電圧Voutがダウンすることになる。

スイッチング制御部５４が行う動作は図８に示す通りである。図２と比較して分かるように、スイッチング制御部５４の場合、直流入力なので力率改善の機能を有していない。また、インターリーブ動作を行わずに同期運転動作を行う点と、軽負荷か重負荷かの判定を出力電力Poutではなく入力電力Pinに基づいて行うという点で相違するが、動作上の差異はほとんど生じない。

その他、上記のスイッチング制御部４０は、インダクタ電流Ichに基づいて過電流信号S(Ich(max))を生成し、インダクタ電流Ichを制限することによって入力電流Iinを間接的に制限する構成になっているが、このスイッチング制御部５４の場合は、入力電流Iinに基づいて過電流信号S(Iocp)を生成し、入力電流Iinを直接的に制限する構成になっている。

スイッチング制御回路４０の構成は、インダクタ電流Ich1，Ich2に含まれるスイッチング周波数成分ΔIch1，ΔIch2も制限できるので、スイッチング素子１４(1)，１４(2)の安全性をより高くすることができるという利点がある。一方、スイッチング制御部５４の構成は、特定の条件でスイッチング周波数成分ΔIch1，ΔIch2を制限できない可能性があるが、スイッチング素子駆動部６２の内部に高速動作可能な専用回路（例えば、パルスバイパルスのラッチ機能を備えたデューティ制限回路）を設ける必要がないという利点がある。それぞれに特徴があるので、どちらを使用するかはスイッチング電源装置が使用される状況や要求される安全性等を考慮して適宜選択すればよい。

スイッチング電源装置５０によれば、上記のスイッチング電源装置３８と同様に、出力電流Ioutの急変時に入力電力Pinが過大になるのを適切に防止することができ、入力急変時の出力電圧Voutの低下も小さく抑えることができる。また、特許文献１のスイッチング電源回路と同様に、電流が小さい領域から大きい領域まで効率を向上させることができる。さらに、上記のスイッチング電源装置３８ｘのように、入力電圧Vinが所定値未満になると、軽負荷時か重負荷時かにかかわらず重負荷モードの制御を行うようにすることによって、低入力時に出力電流Ioutが急増した時に出力電圧Voutが大きく低下する不具合も容易に解決することができる。

なお、本発明のスイッチング電源装置は、上記実施形態に限定されるものではない。上述したスイッチング制御部４０（４０ｘ），５４の構成は、本発明が目的とする作用効果を説明するための具体例に過ぎず、適宜変更することができる。例えば、上記のスイッチング制御部４０（４０ｘ）は、出力電力Poutを検出して軽負荷か重負荷かを判定するが、入力電力Pinを検出して判定する構成に変更してもよく、同様の作用効果が得られる。また、スイッチング制御部５４は、入力電力Pinを検出して軽負荷か重負荷かを判定するが、出力電力Poutを検出して判定する構成に変更してもよく、同様の作用効果が得られる。

上記のスイッチング制御部４０（４０ｘ）は、重負荷モードの制御を行う時、各スイッチング素子をインターリーブ動作させるが、同期運転動作させる構成に変更してもよく、同様の作用効果が得られる。また、スイッチング制御部５４は、重負荷モードの制御を行う時、各スイッチング素子を同期運転動作させるが、インターリーブ動作させる構成に変更してもよく、同様の作用効果が得られる。

上記のスイッチング制御部４０（４０ｘ）は、軽負荷か重負荷かの判定を出力情報取得部４４が行い、この判定結果がスイッチング素子駆動部４８（４８ｘ）及び過電流検出部４６に送信される構成になっているが、例えば、出力情報取得部４４が出力電力Poutの検出値をそのままスイッチング素子駆動部４８（４８ｘ）に送信し、スイッチング素子駆動部４８（４８ｘ）で軽負荷か重負荷かの判定を行い、この判定結果が過電流検出部４６に送信される構成に変更してもよい。また、過電流検出部４６では、軽負荷か重負荷かに応じて規定値Iocpを変更するため、分圧回路の分圧比を切り替える回路（抵抗４６ｅとスイッチ４６ｆの直列回路）を設けているが、閾値Vthを変化させる構成にしてもよいし、電流検出用抵抗の抵抗値を切り替える構成にしてもよい。また、力率改善の機能が不要であれば、入力情報取得部４２は省略することができる。また、スイッチング制御部４０（４０ｘ）を１つのデジタルプロセッサの内部に一体に設け、所定のプログラムを実行することによって、上述した各ブロックの動作を複合的に行う構成にしてもよい。

このように、スイッチング制御部の内部構成は、スイッチング電源装置の用途や設計上の制約等に鑑みて自由に設定し変更することができる。

その他、上記実施形態の動作説明の中に記載した「E＝AC100V，AC200V」や「Iocp＝15A，20A，30A，40A」等の具体的な値は、あくまでも説明を分かりやすくするための数値例であり、これらの数値は自由に設定できることは言うまでもない。

１０，３６，３８，３８ｘ，５０ スイッチング電源装置
１２，５２ 電力変換部
１２(1)，１２(2) 昇圧コンバータ（ＤＣ−ＤＣコンバータ）
１４(1)，１４(2) スイッチング素子
１６，１６ｘ，４０，４０ｘ，５４ スイッチング制御部
１８ 整流器
２８，２８ｘ，４２，４２ｘ，５６ 入力情報取得部
３０，４４，５８ 出力情報取得部
３２，３２ｘ，４６，４６ｘ，６０ 過電流検出部
３４，４８，４８ｘ，６２ スイッチング素子駆動部
５２(1)，５２(2) ＤＣ−ＤＣコンバータ
E 商用交流電圧
Iin 入力電流
Iocp 規定値（入力電流の許容上限値）
Pin 入力電力
Pout 出力電力
Vin 脈流電圧又は入力電圧

Claims (4)

1. 入力端同士及び出力端同士が互いに並列接続された２つのＤＣ−ＤＣコンバータで構成された電力変換部と、前記２つのＤＣ−ＤＣコンバータが有する各スイッチング素子を駆動し、これらのオン時間及びオフ時間を制御することによって前記電力変換部の出力電圧を安定化するスイッチング制御部とを備え、
   前記スイッチング制御部は、
   前記各スイッチング素子のオンの時比率を制限することによって、前記電力変換部に流入する入力電流が規定値を超えないように制限する過電流保護の機能を有し、
   前記電力変換部の入力電圧が所定の値より高い時において、前記電力変換部の入力電力又は出力電力が所定の値より小さい軽負荷時は、一方の前記スイッチング素子の動作を停止させるとともに前記過電流保護の規定値を相対的に小さくする軽負荷モードの制御を行い、前記入力電力又は前記出力電力が所定の値より大きい重負荷時は、双方の前記スイッチング素子を動作させるとともに前記過電流保護の規定値を相対的に大きくする重負荷モードの制御を行い、
   前記電力変換部の入力電圧が前記所定の値より低くなると、軽負荷時か重負荷時かにかかわらず、前記重負荷モードの制御を行うことを特徴とするスイッチング電源装置。
2. 前記スイッチング制御部は、前記重負荷モードの制御を行う時、前記各スイッチング素子をインターリーブ動作させる請求項１記載のスイッチング電源装置。
3. 前記２つのＤＣ−ＤＣコンバータの入力端の前段に、商用交流電圧を全波整流して脈流電圧を生成する整流器が設けられ、
   前記スイッチング制御部は、前記入力電流の波形が前記脈流電圧の波形と相似形になるように前記各スイッチング素子を駆動する力率改善の機能を有している請求項１又は２記載のスイッチング電源装置。
4. 前記２つのＤＣ−ＤＣコンバータは、昇圧コンバータである請求項３記載のスイッチング電源装置。

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