昇圧型スイッチング電源装置
【課題】本発明は、高効率化、小型化、低ノイズ、コストダウンの実現が可能な昇圧型スイッチング電源装置の提供を目的とする。
【解決手段】本願発明に係る昇圧型スイッチング電源装置１０１は、カソードがプラス出力端子１２に接続された整流ダイオードＤｒと、プラス出力端子１２とマイナス出力端子１３−２の間に接続された平滑コンデンサＣｓと、プラス入力端子１１から整流ダイオードＤｒのアノードに向けて順に直列に接続されたインダクタＬｉ（ｉは正整数：１≦ｉ≦ｎ）及びコンデンサＣｉが直列に接続されたｎ組のペアと、それぞれのインダクタＬｉの一端とマイナス入力端子１３−１の間に接続されたｎ個のスイッチング素子Ｓｉと、それぞれのコンデンサＣｉの一端とカソードが接続され、プラス入力端子１１とアノードが接続されたｎ個のクランプダイオードＤｉと、を備える。
【解決手段】本願発明に係る昇圧型スイッチング電源装置１０１は、カソードがプラス出力端子１２に接続された整流ダイオードＤｒと、プラス出力端子１２とマイナス出力端子１３−２の間に接続された平滑コンデンサＣｓと、プラス入力端子１１から整流ダイオードＤｒのアノードに向けて順に直列に接続されたインダクタＬｉ（ｉは正整数：１≦ｉ≦ｎ）及びコンデンサＣｉが直列に接続されたｎ組のペアと、それぞれのインダクタＬｉの一端とマイナス入力端子１３−１の間に接続されたｎ個のスイッチング素子Ｓｉと、それぞれのコンデンサＣｉの一端とカソードが接続され、プラス入力端子１１とアノードが接続されたｎ個のクランプダイオードＤｉと、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低電圧入力・高電圧出力の昇圧型スイッチング電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽光、燃料電池、風力に代表されるクリーンエネルギーを利用する分散型発電システムにおいては、低い入力直流電圧から高い出力直流電圧に変換する昇圧回路が極めて重要である。そのため、低い入力直流電圧から高い出力直流電圧に変換する昇圧回路として、昇圧型スイッチングＤＣ−ＤＣコンバータ方式、トランス方式、タップ・インダクタ方式、多段接続方式などの種々の方式が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−２７１１０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
昇圧型スイッチングＤＣ−ＤＣコンバータを用いる場合、スイッチがオンの時間を長くする、すなわちスイッチの時比率を大きくすることで、昇圧比を大きくしている。このため、スイッチがオンの時間が長くなり、入力電流のピークが大きくなり、回路損失が増えるため、変換効率が低下していた。
【０００５】
トランス又はタップ・インダクタを用いる場合、昇圧比を大きくとるためにはトランス又はタップ・インダクタのコアサイズを大きくしなければならないため、大型化する。１次側巻線と２次側巻線の巻数比を大きく設けると、巻線間の漏れインダクタンスが大きくなっていた。このため、サージが発生し、サージを削減する付加回路が必要となる。そうすると、変換効率が悪くなり、ノイズが発生する。
【０００６】
多段接続方式を採用する場合、回路構成が複雑になるため、コストがかかっていた。また、スイッチング素子に加わる電圧が出力電圧と等しくなるため、スイッチング素子にかかる電圧ストレスが大きかった。
【０００７】
上記の原因によって、高効率化、小型化、低ノイズ、コストダウンの実現が容易でなかった。そこで、本発明は、高効率化、小型化、低ノイズ、コストダウンの実現が可能な昇圧型スイッチング電源装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本願発明に係る昇圧型スイッチング電源装置は、昇圧型スイッチングＤＣ−ＤＣコンバータをベースとし、ダイオードとコンデンサを追加することにより、高い昇圧比を容易に実現することを特徴とする。
さらに、追加したコンデンサのマイナス入力端子側にスイッチング素子を接続することで、スイッチに印加される電圧を出力電圧よりも低くすることを特徴とする。
【０００９】
上記目的を達成するために、本願発明に係る昇圧型スイッチング電源装置は、カソードがプラス出力端子に接続された整流ダイオードＤｒと、マイナス出力端子と接続されているマイナス入力端子と、前記プラス出力端子と前記マイナス出力端子の間に接続された平滑コンデンサＣｓと、プラス入力端子から前記整流ダイオードＤｒのアノードに向けて順に直列に接続されたインダクタＬｉ（ｉは正整数：１≦ｉ≦ｎ）及びコンデンサＣｉが直列に接続されたｎ組のペアと、それぞれの前記インダクタＬｉの一端であって前記整流ダイオードＤｒのアノード側に配置された一端と前記マイナス入力端子の間に接続されたｎ個のスイッチング素子Ｓｉと、それぞれの前記コンデンサＣｉの一端であって前記整流ダイオードＤｒのアノード側に配置された一端とカソードが接続され、前記プラス入力端子とアノードが接続されたｎ個のクランプダイオードＤｉと、を備えることを特徴とする。
【００１０】
上記目的を達成するために、本願発明に係る昇圧型スイッチング電源装置は、カソードがプラス出力端子に接続された整流ダイオードＤｒと、マイナス出力端子と接続されているマイナス入力端子と、前記プラス出力端子と前記マイナス出力端子の間に接続された平滑コンデンサＣｓと、一端がプラス入力端子に接続されたインダクタＬ０と、前記インダクタＬ０の他端から前記整流ダイオードＤｒのアノードに向けて順に直列に接続されたコンデンサＣｉ（ｉは正整数：１≦ｉ≦ｎ）及びインダクタＬｉが直列に接続されたｎ組のペアと、前記インダクタＬ０の一端であって前記整流ダイオードＤｒのアノード側に配置された一端と前記マイナス入力端子の間に接続されたスイッチング素子Ｓ０と、それぞれの前記インダクタＬｉの一端であって前記整流ダイオードＤｒのアノード側に配置された一端と前記マイナス端子の間に接続されたｎ個のスイッチング素子Ｓｉと、それぞれの前記コンデンサＣｉの一端であって前記整流ダイオードＤｒのアノード側に配置された一端とカソードが接続され、前記プラス入力端子とアノードが接続されたｎ個のクランプダイオードＤｉと、を備えることを特徴とする。
【００１１】
インダクタＬｉ及びコンデンサＣｉのペアを設けることで昇圧比を高めるので、簡易な構成で昇圧比を高めることができる。また、スイッチング素子Ｓｉにかかる電圧ストレスを出力電圧Ｖｏよりも小さくすることができ、低い耐圧のスイッチング素子を用いることができる。したがって、昇圧型スイッチング電源装置のコストダウンが可能となる。
インダクタＬｉ及びコンデンサＣｉのペアの増減によって昇圧比が可変になるので、小さな時比率で大きな昇圧比を得ることができる。これにより、入力電流リプルの低減が可能になり、変換効率を高めるとともに、昇圧型スイッチング電源装置を低ノイズ化することができる。また、出力電圧リプルの低減も可能になるため、整流回路の構成を小さくして、昇圧型スイッチング電源装置を小型化することもできる。また、時比率を小さくすることで、フィードバック回路などの回路を安定させることができる。
よって、本発明により、高効率化、小型化、低ノイズ、コストダウンの実現が可能な昇圧型スイッチング電源装置を提供することができる。
【００１２】
本願発明に係る昇圧型スイッチング電源装置では、ｎ個の前記クランプダイオードＤｉのアノードは、それぞれ、前記プラス入力端子とは異なるｉ番目のプラス入力端子に接続することができる。
【００１３】
本発明により、それぞれのクランプダイオードＤｉのアノードに直流電源の正極を接続して直流電流を入力させることができる。当該直流電源同士を直列に接続することで、昇圧比をさらに高めることができる。これにより、スイッチング素子の時比率をさらに小さくすることができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、高効率化、小型化、低ノイズ、コストダウンの実現が可能な昇圧型スイッチング電源装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】昇圧型スイッチング電源装置の一例を示す。
【図２】入力電流の時間変化の一例を示す。
【図３】出力電圧の時間変化の一例を示す。
【図４】実施形態１に係る昇圧型スイッチング電源装置の一例を示す。
【図５】実施形態１に係る昇圧型スイッチング電源装置の電圧利得比の一例を示す。
【図６】スイッチング素子Ｓ１にかかる電圧ストレスの測定結果であり、（ａ）は出力電圧Ｖｏを示し、（ｂ）はスイッチング素子Ｓ１のゲート・ソース電圧を示し、（ｃ）はスイッチング素子Ｓ１のドレイン・ソース電圧を示す。
【図７】実施形態２に係る昇圧型スイッチング電源装置の一例を示す。
【図８】ｎ＝２の場合の実施形態２に係る昇圧型スイッチング電源装置の一例を示す。
【図９】実施形態３に係る昇圧型スイッチング電源装置を示す。
【図１０】実施形態４に係る昇圧型スイッチング電源装置を示す。
【図１１】ｎ＝２の場合の実施形態４に係る昇圧型スイッチング電源装置の一例を示す。
【図１２】実施形態５に係る昇圧型スイッチング電源装置の一例を示す。
【図１３】実施形態５に係る昇圧型スイッチング電源装置の電圧利得比の一例を示す。
【図１４】実施形態６に係る昇圧型スイッチング電源装置の一例を示す。
【図１５】ｎ＝２の場合の実施形態６に係る昇圧型スイッチング電源装置の一例を示す。
【図１６】実施形態７に係る昇圧型スイッチング電源装置の一例を示す。
【図１７】実施形態８に係る昇圧型スイッチング電源装置の一例を示す。
【図１８】ｎ＝２の場合の実施形態８に係る昇圧型スイッチング電源装置の一例を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本発明の実施例であり、本発明は、以下の実施形態に制限されるものではない。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。
【００１７】
図１に、昇圧型スイッチング電源装置の一例を示す。図１に示す昇圧型スイッチング電源装置１００は、昇圧型スイッチングＤＣ−ＤＣコンバータであり、整流ダイオードＤｒと、平滑コンデンサＣｓと、インダクタＬと、スイッチング素子Ｓと、を備える。
【００１８】
整流ダイオードＤｒは、カソードがプラス出力端子１２に接続されている。マイナス入力端子１３−１は、マイナス出力端子１３−２と接続されている。平滑コンデンサＣｓは、プラス出力端子１２とマイナス出力端子１３−２の間に接続されている。スイッチング素子Ｓは、インダクタＬの一端であって整流ダイオードＤｒのアノード側に配置された一端とマイナス入力端子１３−１の間に接続されている。
【００１９】
本実施形態では、プラス入力端子１１が入力電圧Ｖｉｎを有する直流電源の正極に接続され、マイナス入力端子１３−１は入力電圧Ｖｉｎを有する直流電源の負極に接続される。本実施形態では、入力電圧Ｖｉｎを有する直流電源は、例えば、太陽光、燃料電池、風力に代表されるクリーンエネルギーを基にした電源となる。
【００２０】
昇圧型スイッチング電源装置１００は、スイッチング素子Ｓのオンとオフを高速で繰り返すことによって、入力電圧Ｖｉｎを昇圧して負荷抵抗Ｒｏに印加する。スイッチング素子Ｓがオンのとき、プラス入力端子１１から入力された電流は、インダクタＬに流入する。これにより、インダクタＬにエネルギーが蓄えられる。スイッチング素子Ｓがオフのとき、入力電圧ＶｉｎとインダクタＬとプラス出力端子１２が直列に接続される。このため、インダクタＬに蓄えられたエネルギーに応じて、出力電圧Ｖｏは入力電圧Ｖｉｎよりも高くなる。
【００２１】
出力電圧Ｖｏは次式で表される。
【数１】
ｄはスイッチング素子Ｓの時比率であり、次式で表される。
【００２２】
【数２】
ＴＯＮはスイッチング素子Ｓがオンの時間、ＴＯＦＦはスイッチング素子Ｓがオフの時間を示す。
【００２３】
スイッチング素子Ｓがオンのとき、インダクタＬには電流Ｉが流れる。このときの入力電流リプルΔｉは次式で表される。
【数３】
【００２４】
図２に、入力電流の時間変化の一例を示す。数式（１）と数式（２）より、ＴＯＮが大きいと出力電圧Ｖｏは大きくなる。しかし、数式（３）及び図２に示すように、ＴＯＮが大きい場合、入力電流リプルΔｉ１及びΔｉ２は大きくなり、変換効率が低下する。このため、ＴＯＮが小さいこと、すなわち時比率ｄは小さいことが好ましい。
【００２５】
スイッチング素子Ｓがオフのとき、プラス出力端子１２には電流Ｉｏが流れる。このときの出力電圧リプルΔｖｏは次式で表される。
【数４】
【００２６】
図３に、出力電圧の時間変化の一例を示す。数式（４）及び図３に示すように、ＴＯＮが大きい場合、出力電圧リプルΔｖｏは、大きくなる。出力電圧リプルΔｖｏが大きくなると、整流回路の構成を大きする必要が生じる。このため、ＴＯＮが小さいこと、すなわち時比率ｄは小さいことが好ましい。
【００２７】
（実施形態１）
図４に、本実施形態に係る昇圧型スイッチング電源装置の一例を示す。本実施形態に係る昇圧型スイッチング電源装置１０１は、図１に示す昇圧型スイッチング電源装置１００に加え、さらにコンデンサＣ１とクランプダイオードＤ１を備える。説明の便宜上、図１に示すインダクタＬ及びスイッチング素子Ｓを、それぞれインダクタＬ１及びスイッチング素子Ｓ１と示す。
【００２８】
コンデンサＣ１は、インダクタＬ１と整流ダイオードＤｒの間に直列に接続される。クランプダイオードＤ１のカソードは、コンデンサＣ１の一端であって整流ダイオードＤｒのアノード側に配置された一端と接続されている。クランプダイオードＤ１のアノードは、プラス入力端子１１と接続されている。
【００２９】
本実施形態では、スイッチング素子Ｓ１がオンのとき、プラス入力端子１１から入力された電流は、インダクタＬ１に流入するとともに、クランプダイオードＤ１を介してコンデンサＣ１に流入する。これにより、インダクタＬ１とコンデンサＣ１にエネルギーが蓄えられる。スイッチング素子Ｓ１がオフのとき、プラス入力端子１１の入力電圧ＶｉｎとインダクタＬ１とコンデンサＣ１とが直列に接続された状態となる。このため、インダクタＬ１及びコンデンサＣ１に蓄えられたエネルギーに応じて、出力電圧Ｖｏは入力電圧Ｖｉｎよりも高くなる。
【００３０】
このときの出力電圧Ｖｏは次式で表される。
【数５】
【００３１】
図５に、本実施形態に係る昇圧型スイッチング電源装置の電圧利得比の一例を示す。横軸は時比率ｄを示し、縦軸は昇圧型スイッチング電源装置の電圧利得比を示す。電圧利得比は、入力電圧Ｖｉｎに対する出力電圧Ｖｏの割合、すなわちＶｏ／Ｖｉｎを示す。
【００３２】
Ｇ１０１が昇圧型スイッチング電源装置１０１で得られた電圧利得比を示し、Ｇ１００が昇圧型スイッチング電源装置１００で得られた電圧利得比を示す。昇圧型スイッチング電源装置１０１及び昇圧型スイッチング電源装置１００のパラメータは、入力電圧Ｖｉｎが５０Ｖ、インダクタＬ及びインダクタＬ１のインダクタンスが８０μＨ、コンデンサＣ１の容量が１５μＦ、平滑コンデンサＣｓの容量が５４０μＦ、負荷抵抗Ｒｏが４０Ω、スイッチング素子Ｓ及びスイッチング素子Ｓ１のスイッチング周波数ｆｓが１００ｋＨｚ、出力電流が５Ａである。
【００３３】
昇圧型スイッチング電源装置１０１で得られた電圧利得比と昇圧型スイッチング電源装置１００で得られた電圧利得比とは、一定差を有している。この一定差が、コンデンサＣ１に蓄えられたエネルギーに応じて上昇した電圧である。昇圧型スイッチング電源装置１０１で得られた電圧利得比と昇圧型スイッチング電源装置１００で得られた電圧利得比の差によって、昇圧型スイッチング電源装置１００では３倍程度の電圧利得比を得るためには時比率ｄを０．６５程度まで大きくしなければならないところを、昇圧型スイッチング電源装置１０１では時比率ｄを０．５程度に小さくすることができる。このように、昇圧型スイッチング電源装置１０１は、昇圧型スイッチング電源装置１００に比べて小さな時比率ｄで大きな昇圧比を得ることができる。
【００３４】
スイッチング素子Ｓ１にかかる電圧ストレスを測定した。その結果を図６に示す。入力電圧Ｖｉｎが５０Ｖ、出力電流Ｉｏが５Ａであるときに、図６（ａ）に示すように、２００Ｖの出力電圧Ｖｏを出力した。このとき、図６（ｃ）に示すように、スイッチング素子Ｓ１のドレイン・ソース電圧は出力電圧Ｖｏよりも低い１５０Ｖであった。したがって、昇圧型スイッチング電源装置１０１は、スイッチング素子Ｓ１にかかる電圧ストレスを軽減することができ、低い耐圧の素子を採用することができる。
【００３５】
（実施形態２）
図７に、本実施形態に係る昇圧型スイッチング電源装置の一例を示す。本実施形態に係る昇圧型スイッチング電源装置１０２は、整流ダイオードＤｒと、平滑コンデンサＣｓと、ｎ組のインダクタＬｉ（ｉは正整数：１≦ｉ≦ｎ）とコンデンサＣｉのペアと、ｎ個のスイッチング素子Ｓｉと、ｎ個のクランプダイオードＤｉと、を備え、図４に示すインダクタＬ１コンデンサＣ１のペアがプラス入力端子１１から整流ダイオードＤｒのアノードに向けて順に直列にｎ個接続されていることを特徴とする。
【００３６】
インダクタＬｉとコンデンサＣｉのペアは、プラス入力端子１１から整流ダイオードＤｒのアノードに向けて順に直列に接続されている。例えば、インダクタＬｉとコンデンサＣｉのペアは、プラス入力端子１１からｉ番目の位置に接続されている。インダクタＬｉとコンデンサＣｉは、インダクタＬｉがプラス入力端子１１側に、コンデンサＣｉが整流ダイオードＤｒのアノード側に配置される。
【００３７】
プラス入力端子１１からｉ番目の位置に接続されているスイッチング素子Ｓｉは、それぞれのインダクタＬｉの一端であって整流ダイオードＤｒのアノード側に配置された一端とマイナス入力端子１３−１の間に接続されている。
【００３８】
プラス入力端子１１からｉ番目の位置に接続されているクランプダイオードＤｉは、それぞれのコンデンサＣｉの一端であって整流ダイオードＤｒのアノード側に配置された一端とカソードが接続され、プラス入力端子１１とアノードが接続されている。
【００３９】
ｎ＝１のとき、図４に示す昇圧型スイッチング電源装置１０１の構成となる。ｎ＝２のとき、図８に示す昇圧型スイッチング電源装置１０３の構成となる。
【００４０】
スイッチング素子Ｓｉがオンのとき、それぞれのインダクタＬｉ及びコンデンサＣｉにエネルギーが蓄えられる。一方、スイッチング素子Ｓｉがオフのとき、インダクタＬｉ及びコンデンサＣｉが直列に接続される。このため、それぞれのインダクタＬｉ及びコンデンサＣｉに蓄えられたエネルギーに応じて、出力電圧Ｖｏは入力電圧Ｖｉｎよりも高くなる。
【００４１】
したがって、インダクタＬｉ及びコンデンサＣｉのペアの数を増加することによって、昇圧型スイッチング電源装置１０２の電圧利得比を増加させることができる。よって、昇圧型スイッチング電源装置１０２は、小さな時比率ｄで大きな昇圧比を得ることができる。
【００４２】
（実施形態３）
図９に、本実施形態に係る昇圧型スイッチング電源装置を示す。本実施形態に係る昇圧型スイッチング電源装置１０４は、図４に示す昇圧型スイッチング電源装置１０１において、クランプダイオードＤ１のアノードが、プラス入力端子１１とは異なるプラス入力端子１１−１に接続されていることを特徴とする。
【００４３】
プラス入力端子１１とプラス入力端子１１−１は入力電圧Ｖｉｎ−１を有する直流電源に接続される。入力電圧Ｖｉｎ−１を有する直流電源の正極がプラス入力端子１１−１に接続され、入力電圧Ｖｉｎ−１を有する直流電源の負極がプラス入力端子１１に接続される。入力電圧Ｖｉｎ−１を有する直流電源は、例えば、入力電圧Ｖｉｎを有する直流電源と同様に、太陽光、燃料電池、風力に代表されるクリーンエネルギーを基にした電源である。
【００４４】
昇圧型スイッチング電源装置１０４では、入力電圧Ｖｉｎを有する直流電源と入力電圧Ｖｉｎ−１を有する直流電源が直列に接続される。このため、コンデンサＣ１に蓄えられるエネルギーが増加するので、出力電圧Ｖｏをさらに上げて昇圧比を大きくすることができる。
【００４５】
（実施形態４）
図１０に、本実施形態に係る昇圧型スイッチング電源装置を示す。本実施形態に係る昇圧型スイッチング電源装置１０５は、図７に示す昇圧型スイッチング電源装置１０２において、ｎ個のクランプダイオードＤｉのアノードは、それぞれ、プラス入力端子１１とは異なるｉ番目のプラス入力端子１１−ｉに接続されていることを特徴とする。
【００４６】
ｉ＝１の場合、図９に示す昇圧型スイッチング電源装置１０４と同様に、プラス入力端子１１とプラス入力端子１１−１は入力電圧Ｖｉｎ−１を有する直流電源に接続される。入力電圧Ｖｉｎ−１を有する直流電源の正極がプラス入力端子１１−１に接続され、入力電圧Ｖｉｎ−１を有する直流電源の負極がプラス入力端子１１に接続される。
【００４７】
ｉ＝２以上の場合、プラス入力端子１１−ｉとプラス入力端子１１−（ｉ−１）は入力電圧Ｖｉｎ−ｉを有する直流電源に接続される。入力電圧Ｖｉｎ−ｉを有する直流電源の正極がプラス入力端子１１−ｉに接続され、入力電圧Ｖｉｎ−ｉを有する直流電源の負極がプラス入力端子１１−（ｉ−１）に接続される。
【００４８】
本実施形態では、ｎ＝１のとき、図９に示す昇圧型スイッチング電源装置１０４の構成となる。ｎ＝２のとき、図１１に示す昇圧型スイッチング電源装置１０６の構成となる。
【００４９】
昇圧型スイッチング電源装置１０５では、各プラス入力端子１１−ｉに入力電圧Ｖｉｎ−ｉが入力されるため、それぞれのコンデンサＣｉ及びインダクタＬｉに蓄えられるエネルギーを増加させることができる。このため、出力電圧Ｖｏをさらに上げて昇圧比を大きくすることができる。
【００５０】
（実施形態５）
図１２に、本実施形態に係る昇圧型スイッチング電源装置の一例を示す。本実施形態に係る昇圧型スイッチング電源装置１０７は、図１に示す昇圧型スイッチング電源装置１００に加え、さらにコンデンサＣ１とクランプダイオードＤ１とインダクタＬ１とスイッチング素子Ｓ１とを備える。説明の便宜上、図１に示すインダクタＬをＬ０、スイッチング素子Ｓをスイッチング素子Ｓ０と示す。
【００５１】
インダクタＬ０は、一端がプラス入力端子１１に接続される。コンデンサＣ１及びインダクタＬ１は、インダクタＬ０の他端から整流ダイオードＤｒのアノードに向けて順に直列に接続される。すなわち、インダクタＬ０とコンデンサＣ１とインダクタＬ１と整流ダイオードＤｒが順に直列に接続される。
【００５２】
スイッチング素子Ｓ０は、インダクタＬ０の一端であって整流ダイオードＤｒのアノード側に配置された一端とマイナス入力端子１３−１の間に接続される。スイッチング素子Ｓ１は、インダクタＬ１の一端であって整流ダイオードＤｒのアノード側に配置された一端とマイナス入力端子１３−１の間に接続される。スイッチング素子Ｓ０とスイッチング素子Ｓ１のスイッチングのタイミングは同期しており、スイッチング素子Ｓ０と同時にスイッチング素子Ｓ１がオンの状態になり、スイッチング素子Ｓ０と同時にスイッチング素子Ｓ１がオフの状態になる。
【００５３】
クランプダイオードＤ１のカソードは、コンデンサＣ１の一端であって整流ダイオードＤｒのアノード側に配置された一端と接続される。クランプダイオードＤ１のアノードは、プラス入力端子１１と接続される。
【００５４】
本実施形態では、スイッチング素子Ｓ０及びスイッチング素子Ｓ１がオンのとき、プラス入力端子１１から入力された電流は、インダクタＬ０に流入するとともに、クランプダイオードＤ１を介してコンデンサＣ１とインダクタＬ１に流入する。これにより、インダクタＬ０とコンデンサＣ１とインダクタＬ１にエネルギーが蓄えられる。スイッチング素子Ｓ０及びスイッチング素子Ｓ１がオフのとき、プラス入力端子１１の入力電圧ＶｉｎとインダクタＬ０とコンデンサＣ１とインダクタＬ１とが直列に接続された状態となる。このため、インダクタＬ０とコンデンサＣ１とインダクタＬ１に蓄えられたエネルギーに応じて、出力電圧Ｖｏは入力電圧Ｖｉｎよりも高くなる。
【００５５】
このときの出力電圧Ｖｏは次式で表される。
【数６】
ここで、ｄはスイッチング素子Ｓ０及びスイッチング素子Ｓ１の時比率である。
【００５６】
クランプダイオードＤ１のカソードとコンデンサＣ１の接続点における電圧Ｖ１は次式で表される。
【数７】
ここで、α＝Ｌ０／Ｌ１である。
【００５７】
図１３に、昇圧型スイッチング電源装置の電圧利得比の一例を示す。Ｇ１０７が昇圧型スイッチング電源装置１０７で得られた電圧利得比を示し、Ｇ１００が昇圧型スイッチング電源装置１００で得られた電圧利得比を示す。昇圧型スイッチング電源装置１０７及び昇圧型スイッチング電源装置１００のパラメータは、前述の図５と同様である。
【００５８】
昇圧型スイッチング電源装置１０７で得られた電圧利得比と昇圧型スイッチング電源装置１００で得られた電圧利得比とは、時比率が大きくなるにつれて差が大きくなっている。このことによって、昇圧型スイッチング電源装置１００では３倍程度の電圧利得比を得るためには時比率ｄを０．６５程度まで大きくしなければならないところを、昇圧型スイッチング電源装置１０７では時比率ｄを０．３２５程度に小さくすることができる。このように、昇圧型スイッチング電源装置１０７は、昇圧型スイッチング電源装置１００に比べて小さな時比率ｄで大きな昇圧比を得ることができる。
【００５９】
（実施形態６）
図１４に、本実施形態に係る昇圧型スイッチング電源装置の一例を示す。本実施形態に係る昇圧型スイッチング電源装置１０８は、整流ダイオードＤｒと、平滑コンデンサＣｓと、インダクタＬ０と、スイッチング素子Ｓ０と、ｎ組のコンデンサＣｉ（ｉは正整数：１≦ｉ≦ｎ）とインダクタＬｉのペアと、ｎ個のスイッチング素子Ｓｉと、ｎ個のクランプダイオードＤｉと、を備え、図１２に示すコンデンサＣ１とインダクタＬ１のペアがプラス入力端子１１側から整流ダイオードＤｒのアノードに向けて順に直列にｎ個接続されていることを特徴とする。
【００６０】
インダクタＬ０は、一端がプラス入力端子１１に接続される。コンデンサＣｉとインダクタＬｉのペアは、インダクタＬ０の他端から整流ダイオードＤｒのアノードに向けて順に直列に接続されている。例えば、コンデンサＣｉとインダクタＬｉのペアは、インダクタＬ０からｉ番目の位置に接続されている。コンデンサＣｉとインダクタＬｉは、順に直列に接続され、コンデンサＣｉがインダクタＬ０側に、インダクタＬｉが整流ダイオードＤｒのアノード側に配置される。
【００６１】
スイッチング素子Ｓ０は、インダクタＬ０の一端であって整流ダイオードＤｒのアノード側に配置された一端とマイナス入力端子１３−１の間に接続されている。インダクタＬ０からｉ番目の位置に接続されているスイッチング素子Ｓｉは、それぞれのインダクタＬｉの一端であって整流ダイオードＤｒのアノード側に配置された一端とマイナス入力端子１３−１の間に接続されている。
【００６２】
インダクタＬ０からｉ番目の位置に接続されているクランプダイオードＤｉは、それぞれのコンデンサＣｉの一端であって整流ダイオードＤｒのアノード側に配置された一端とカソードが接続され、プラス入力端子１１とアノードが接続されている。
【００６３】
ｎ＝１のとき、図１２に示す昇圧型スイッチング電源装置１０７の構成となる。ｎ＝２のとき、図１５に示す昇圧型スイッチング電源装置１０９の構成となる。
【００６４】
スイッチング素子Ｓ０及びスイッチング素子Ｓｉがオンのとき、それぞれのインダクタＬ０とコンデンサＣｉとインダクタＬｉにエネルギーが蓄えられる。一方、スイッチング素子Ｓ０及びスイッチング素子Ｓｉがオフのとき、インダクタＬ０とコンデンサＣｉとインダクタＬｉが直列に接続される。このため、それぞれのインダクタＬ０とコンデンサＣｉとインダクタＬｉに蓄えられたエネルギーに応じて、出力電圧Ｖｏは入力電圧Ｖｉｎよりも高くなる。
【００６５】
したがって、コンデンサＣｉ及びインダクタＬｉのペアの数を増加することによって、昇圧型スイッチング電源装置１０８の電圧利得比を増加させることができる。よって、昇圧型スイッチング電源装置１０８は、小さな時比率ｄで大きな昇圧比を得ることができる。
【００６６】
（実施形態７）
図１６に、本実施形態に係る昇圧型スイッチング電源装置の一例を示す。本実施形態に係る昇圧型スイッチング電源装置１１０は、図１２に示す昇圧型スイッチング電源装置１０７において、クランプダイオードＤ１のアノードが、プラス入力端子１１とは異なるプラス入力端子１１−１に接続されていることを特徴とする。
【００６７】
プラス入力端子１１とプラス入力端子１１−１は入力電圧Ｖｉｎ−１を有する直流電源に接続される。入力電圧Ｖｉｎ−１を有する直流電源の正極がプラス入力端子１１−１に接続され、入力電圧Ｖｉｎ−１を有する直流電源の負極がプラス入力端子１１に接続される。入力電圧Ｖｉｎ−１を有する直流電源は、例えば、入力電圧Ｖｉｎを有する直流電源と同様に、太陽光、燃料電池、風力に代表されるクリーンエネルギーを基にした電源である。
【００６８】
昇圧型スイッチング電源装置１１０では、入力電圧Ｖｉｎを有する直流電源と入力電圧Ｖｉｎ−１を有する直流電源が直列に接続される。このため、コンデンサＣ１とインダクタＬ１に蓄えられるエネルギーが増加するので、出力電圧Ｖｏをさらに上げて昇圧比を大きくすることができる。
【００６９】
（実施形態８）
図１７に、本実施形態に係る昇圧型スイッチング電源装置の一例を示す。本実施形態に係る昇圧型スイッチング電源装置１１１は、図１４に示す昇圧型スイッチング電源装置１０８において、ｎ個のクランプダイオードＤｉのアノードは、それぞれ、プラス入力端子１１とは異なるｉ番目のプラス入力端子１１−ｉに接続されていることを特徴とする。
【００７０】
ｉ＝１の場合、図１６に示す昇圧型スイッチング電源装置１１０と同様に、プラス入力端子１１とプラス入力端子１１−１は入力電圧Ｖｉｎ−１を有する直流電源に接続される。入力電圧Ｖｉｎ−１を有する直流電源の正極がプラス入力端子１１−１に接続され、入力電圧Ｖｉｎ−１を有する直流電源の負極がプラス入力端子１１に接続される。
【００７１】
ｉ＝２以上の場合、プラス入力端子１１−ｉとプラス入力端子１１−（ｉ−１）は入力電圧Ｖｉｎ−ｉを有する直流電源に接続される。入力電圧Ｖｉｎ−ｉを有する直流電源の正極がプラス入力端子１１−ｉに接続され、入力電圧Ｖｉｎ−ｉを有する直流電源の負極がプラス入力端子１１−（ｉ−１）に接続される。
【００７２】
本実形態では、ｎ＝１のとき、図１６に示す昇圧型スイッチング電源装置１１０の構成となる。ｎ＝２のとき、図１８に示す昇圧型スイッチング電源装置１１２の構成となる。
【００７３】
昇圧型スイッチング電源装置１１１では、各プラス入力端子１１−ｉに入力電圧Ｖｉｎ−ｉが入力されるため、それぞれのインダクタＬｉ及びコンデンサＣｉに蓄えられるエネルギーを増加させることができる。このため、出力電圧Ｖｏをさらに上げて昇圧比を大きくすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００７４】
本発明に係る昇圧型スイッチング電源装置は太陽光、燃料電池、風力に代表されるクリーンエネルギーを利用する分散型発電システムに用いられるため、新エネルギー産業に適用することができる。
【符号の説明】
【００７５】
１１、１１−１、１１−２、１１−ｉ、１１−ｎ：プラス入力端子
１２：プラス出力端子
１３−１：マイナス入力端子
１３−２：マイナス出力端子
１００、１０１、１０２、１０３、１０４、１０５、１０６、１０７、１０８、１０９、１１０、１１１、１１２：昇圧型スイッチング電源装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低電圧入力・高電圧出力の昇圧型スイッチング電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽光、燃料電池、風力に代表されるクリーンエネルギーを利用する分散型発電システムにおいては、低い入力直流電圧から高い出力直流電圧に変換する昇圧回路が極めて重要である。そのため、低い入力直流電圧から高い出力直流電圧に変換する昇圧回路として、昇圧型スイッチングＤＣ−ＤＣコンバータ方式、トランス方式、タップ・インダクタ方式、多段接続方式などの種々の方式が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−２７１１０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
昇圧型スイッチングＤＣ−ＤＣコンバータを用いる場合、スイッチがオンの時間を長くする、すなわちスイッチの時比率を大きくすることで、昇圧比を大きくしている。このため、スイッチがオンの時間が長くなり、入力電流のピークが大きくなり、回路損失が増えるため、変換効率が低下していた。
【０００５】
トランス又はタップ・インダクタを用いる場合、昇圧比を大きくとるためにはトランス又はタップ・インダクタのコアサイズを大きくしなければならないため、大型化する。１次側巻線と２次側巻線の巻数比を大きく設けると、巻線間の漏れインダクタンスが大きくなっていた。このため、サージが発生し、サージを削減する付加回路が必要となる。そうすると、変換効率が悪くなり、ノイズが発生する。
【０００６】
多段接続方式を採用する場合、回路構成が複雑になるため、コストがかかっていた。また、スイッチング素子に加わる電圧が出力電圧と等しくなるため、スイッチング素子にかかる電圧ストレスが大きかった。
【０００７】
上記の原因によって、高効率化、小型化、低ノイズ、コストダウンの実現が容易でなかった。そこで、本発明は、高効率化、小型化、低ノイズ、コストダウンの実現が可能な昇圧型スイッチング電源装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本願発明に係る昇圧型スイッチング電源装置は、昇圧型スイッチングＤＣ−ＤＣコンバータをベースとし、ダイオードとコンデンサを追加することにより、高い昇圧比を容易に実現することを特徴とする。
さらに、追加したコンデンサのマイナス入力端子側にスイッチング素子を接続することで、スイッチに印加される電圧を出力電圧よりも低くすることを特徴とする。
【０００９】
上記目的を達成するために、本願発明に係る昇圧型スイッチング電源装置は、カソードがプラス出力端子に接続された整流ダイオードＤｒと、マイナス出力端子と接続されているマイナス入力端子と、前記プラス出力端子と前記マイナス出力端子の間に接続された平滑コンデンサＣｓと、プラス入力端子から前記整流ダイオードＤｒのアノードに向けて順に直列に接続されたインダクタＬｉ（ｉは正整数：１≦ｉ≦ｎ）及びコンデンサＣｉが直列に接続されたｎ組のペアと、それぞれの前記インダクタＬｉの一端であって前記整流ダイオードＤｒのアノード側に配置された一端と前記マイナス入力端子の間に接続されたｎ個のスイッチング素子Ｓｉと、それぞれの前記コンデンサＣｉの一端であって前記整流ダイオードＤｒのアノード側に配置された一端とカソードが接続され、前記プラス入力端子とアノードが接続されたｎ個のクランプダイオードＤｉと、を備えることを特徴とする。
【００１０】
上記目的を達成するために、本願発明に係る昇圧型スイッチング電源装置は、カソードがプラス出力端子に接続された整流ダイオードＤｒと、マイナス出力端子と接続されているマイナス入力端子と、前記プラス出力端子と前記マイナス出力端子の間に接続された平滑コンデンサＣｓと、一端がプラス入力端子に接続されたインダクタＬ０と、前記インダクタＬ０の他端から前記整流ダイオードＤｒのアノードに向けて順に直列に接続されたコンデンサＣｉ（ｉは正整数：１≦ｉ≦ｎ）及びインダクタＬｉが直列に接続されたｎ組のペアと、前記インダクタＬ０の一端であって前記整流ダイオードＤｒのアノード側に配置された一端と前記マイナス入力端子の間に接続されたスイッチング素子Ｓ０と、それぞれの前記インダクタＬｉの一端であって前記整流ダイオードＤｒのアノード側に配置された一端と前記マイナス端子の間に接続されたｎ個のスイッチング素子Ｓｉと、それぞれの前記コンデンサＣｉの一端であって前記整流ダイオードＤｒのアノード側に配置された一端とカソードが接続され、前記プラス入力端子とアノードが接続されたｎ個のクランプダイオードＤｉと、を備えることを特徴とする。
【００１１】
インダクタＬｉ及びコンデンサＣｉのペアを設けることで昇圧比を高めるので、簡易な構成で昇圧比を高めることができる。また、スイッチング素子Ｓｉにかかる電圧ストレスを出力電圧Ｖｏよりも小さくすることができ、低い耐圧のスイッチング素子を用いることができる。したがって、昇圧型スイッチング電源装置のコストダウンが可能となる。
インダクタＬｉ及びコンデンサＣｉのペアの増減によって昇圧比が可変になるので、小さな時比率で大きな昇圧比を得ることができる。これにより、入力電流リプルの低減が可能になり、変換効率を高めるとともに、昇圧型スイッチング電源装置を低ノイズ化することができる。また、出力電圧リプルの低減も可能になるため、整流回路の構成を小さくして、昇圧型スイッチング電源装置を小型化することもできる。また、時比率を小さくすることで、フィードバック回路などの回路を安定させることができる。
よって、本発明により、高効率化、小型化、低ノイズ、コストダウンの実現が可能な昇圧型スイッチング電源装置を提供することができる。
【００１２】
本願発明に係る昇圧型スイッチング電源装置では、ｎ個の前記クランプダイオードＤｉのアノードは、それぞれ、前記プラス入力端子とは異なるｉ番目のプラス入力端子に接続することができる。
【００１３】
本発明により、それぞれのクランプダイオードＤｉのアノードに直流電源の正極を接続して直流電流を入力させることができる。当該直流電源同士を直列に接続することで、昇圧比をさらに高めることができる。これにより、スイッチング素子の時比率をさらに小さくすることができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、高効率化、小型化、低ノイズ、コストダウンの実現が可能な昇圧型スイッチング電源装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】昇圧型スイッチング電源装置の一例を示す。
【図２】入力電流の時間変化の一例を示す。
【図３】出力電圧の時間変化の一例を示す。
【図４】実施形態１に係る昇圧型スイッチング電源装置の一例を示す。
【図５】実施形態１に係る昇圧型スイッチング電源装置の電圧利得比の一例を示す。
【図６】スイッチング素子Ｓ１にかかる電圧ストレスの測定結果であり、（ａ）は出力電圧Ｖｏを示し、（ｂ）はスイッチング素子Ｓ１のゲート・ソース電圧を示し、（ｃ）はスイッチング素子Ｓ１のドレイン・ソース電圧を示す。
【図７】実施形態２に係る昇圧型スイッチング電源装置の一例を示す。
【図８】ｎ＝２の場合の実施形態２に係る昇圧型スイッチング電源装置の一例を示す。
【図９】実施形態３に係る昇圧型スイッチング電源装置を示す。
【図１０】実施形態４に係る昇圧型スイッチング電源装置を示す。
【図１１】ｎ＝２の場合の実施形態４に係る昇圧型スイッチング電源装置の一例を示す。
【図１２】実施形態５に係る昇圧型スイッチング電源装置の一例を示す。
【図１３】実施形態５に係る昇圧型スイッチング電源装置の電圧利得比の一例を示す。
【図１４】実施形態６に係る昇圧型スイッチング電源装置の一例を示す。
【図１５】ｎ＝２の場合の実施形態６に係る昇圧型スイッチング電源装置の一例を示す。
【図１６】実施形態７に係る昇圧型スイッチング電源装置の一例を示す。
【図１７】実施形態８に係る昇圧型スイッチング電源装置の一例を示す。
【図１８】ｎ＝２の場合の実施形態８に係る昇圧型スイッチング電源装置の一例を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本発明の実施例であり、本発明は、以下の実施形態に制限されるものではない。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。
【００１７】
図１に、昇圧型スイッチング電源装置の一例を示す。図１に示す昇圧型スイッチング電源装置１００は、昇圧型スイッチングＤＣ−ＤＣコンバータであり、整流ダイオードＤｒと、平滑コンデンサＣｓと、インダクタＬと、スイッチング素子Ｓと、を備える。
【００１８】
整流ダイオードＤｒは、カソードがプラス出力端子１２に接続されている。マイナス入力端子１３−１は、マイナス出力端子１３−２と接続されている。平滑コンデンサＣｓは、プラス出力端子１２とマイナス出力端子１３−２の間に接続されている。スイッチング素子Ｓは、インダクタＬの一端であって整流ダイオードＤｒのアノード側に配置された一端とマイナス入力端子１３−１の間に接続されている。
【００１９】
本実施形態では、プラス入力端子１１が入力電圧Ｖｉｎを有する直流電源の正極に接続され、マイナス入力端子１３−１は入力電圧Ｖｉｎを有する直流電源の負極に接続される。本実施形態では、入力電圧Ｖｉｎを有する直流電源は、例えば、太陽光、燃料電池、風力に代表されるクリーンエネルギーを基にした電源となる。
【００２０】
昇圧型スイッチング電源装置１００は、スイッチング素子Ｓのオンとオフを高速で繰り返すことによって、入力電圧Ｖｉｎを昇圧して負荷抵抗Ｒｏに印加する。スイッチング素子Ｓがオンのとき、プラス入力端子１１から入力された電流は、インダクタＬに流入する。これにより、インダクタＬにエネルギーが蓄えられる。スイッチング素子Ｓがオフのとき、入力電圧ＶｉｎとインダクタＬとプラス出力端子１２が直列に接続される。このため、インダクタＬに蓄えられたエネルギーに応じて、出力電圧Ｖｏは入力電圧Ｖｉｎよりも高くなる。
【００２１】
出力電圧Ｖｏは次式で表される。
【数１】
ｄはスイッチング素子Ｓの時比率であり、次式で表される。
【００２２】
【数２】
ＴＯＮはスイッチング素子Ｓがオンの時間、ＴＯＦＦはスイッチング素子Ｓがオフの時間を示す。
【００２３】
スイッチング素子Ｓがオンのとき、インダクタＬには電流Ｉが流れる。このときの入力電流リプルΔｉは次式で表される。
【数３】
【００２４】
図２に、入力電流の時間変化の一例を示す。数式（１）と数式（２）より、ＴＯＮが大きいと出力電圧Ｖｏは大きくなる。しかし、数式（３）及び図２に示すように、ＴＯＮが大きい場合、入力電流リプルΔｉ１及びΔｉ２は大きくなり、変換効率が低下する。このため、ＴＯＮが小さいこと、すなわち時比率ｄは小さいことが好ましい。
【００２５】
スイッチング素子Ｓがオフのとき、プラス出力端子１２には電流Ｉｏが流れる。このときの出力電圧リプルΔｖｏは次式で表される。
【数４】
【００２６】
図３に、出力電圧の時間変化の一例を示す。数式（４）及び図３に示すように、ＴＯＮが大きい場合、出力電圧リプルΔｖｏは、大きくなる。出力電圧リプルΔｖｏが大きくなると、整流回路の構成を大きする必要が生じる。このため、ＴＯＮが小さいこと、すなわち時比率ｄは小さいことが好ましい。
【００２７】
（実施形態１）
図４に、本実施形態に係る昇圧型スイッチング電源装置の一例を示す。本実施形態に係る昇圧型スイッチング電源装置１０１は、図１に示す昇圧型スイッチング電源装置１００に加え、さらにコンデンサＣ１とクランプダイオードＤ１を備える。説明の便宜上、図１に示すインダクタＬ及びスイッチング素子Ｓを、それぞれインダクタＬ１及びスイッチング素子Ｓ１と示す。
【００２８】
コンデンサＣ１は、インダクタＬ１と整流ダイオードＤｒの間に直列に接続される。クランプダイオードＤ１のカソードは、コンデンサＣ１の一端であって整流ダイオードＤｒのアノード側に配置された一端と接続されている。クランプダイオードＤ１のアノードは、プラス入力端子１１と接続されている。
【００２９】
本実施形態では、スイッチング素子Ｓ１がオンのとき、プラス入力端子１１から入力された電流は、インダクタＬ１に流入するとともに、クランプダイオードＤ１を介してコンデンサＣ１に流入する。これにより、インダクタＬ１とコンデンサＣ１にエネルギーが蓄えられる。スイッチング素子Ｓ１がオフのとき、プラス入力端子１１の入力電圧ＶｉｎとインダクタＬ１とコンデンサＣ１とが直列に接続された状態となる。このため、インダクタＬ１及びコンデンサＣ１に蓄えられたエネルギーに応じて、出力電圧Ｖｏは入力電圧Ｖｉｎよりも高くなる。
【００３０】
このときの出力電圧Ｖｏは次式で表される。
【数５】
【００３１】
図５に、本実施形態に係る昇圧型スイッチング電源装置の電圧利得比の一例を示す。横軸は時比率ｄを示し、縦軸は昇圧型スイッチング電源装置の電圧利得比を示す。電圧利得比は、入力電圧Ｖｉｎに対する出力電圧Ｖｏの割合、すなわちＶｏ／Ｖｉｎを示す。
【００３２】
Ｇ１０１が昇圧型スイッチング電源装置１０１で得られた電圧利得比を示し、Ｇ１００が昇圧型スイッチング電源装置１００で得られた電圧利得比を示す。昇圧型スイッチング電源装置１０１及び昇圧型スイッチング電源装置１００のパラメータは、入力電圧Ｖｉｎが５０Ｖ、インダクタＬ及びインダクタＬ１のインダクタンスが８０μＨ、コンデンサＣ１の容量が１５μＦ、平滑コンデンサＣｓの容量が５４０μＦ、負荷抵抗Ｒｏが４０Ω、スイッチング素子Ｓ及びスイッチング素子Ｓ１のスイッチング周波数ｆｓが１００ｋＨｚ、出力電流が５Ａである。
【００３３】
昇圧型スイッチング電源装置１０１で得られた電圧利得比と昇圧型スイッチング電源装置１００で得られた電圧利得比とは、一定差を有している。この一定差が、コンデンサＣ１に蓄えられたエネルギーに応じて上昇した電圧である。昇圧型スイッチング電源装置１０１で得られた電圧利得比と昇圧型スイッチング電源装置１００で得られた電圧利得比の差によって、昇圧型スイッチング電源装置１００では３倍程度の電圧利得比を得るためには時比率ｄを０．６５程度まで大きくしなければならないところを、昇圧型スイッチング電源装置１０１では時比率ｄを０．５程度に小さくすることができる。このように、昇圧型スイッチング電源装置１０１は、昇圧型スイッチング電源装置１００に比べて小さな時比率ｄで大きな昇圧比を得ることができる。
【００３４】
スイッチング素子Ｓ１にかかる電圧ストレスを測定した。その結果を図６に示す。入力電圧Ｖｉｎが５０Ｖ、出力電流Ｉｏが５Ａであるときに、図６（ａ）に示すように、２００Ｖの出力電圧Ｖｏを出力した。このとき、図６（ｃ）に示すように、スイッチング素子Ｓ１のドレイン・ソース電圧は出力電圧Ｖｏよりも低い１５０Ｖであった。したがって、昇圧型スイッチング電源装置１０１は、スイッチング素子Ｓ１にかかる電圧ストレスを軽減することができ、低い耐圧の素子を採用することができる。
【００３５】
（実施形態２）
図７に、本実施形態に係る昇圧型スイッチング電源装置の一例を示す。本実施形態に係る昇圧型スイッチング電源装置１０２は、整流ダイオードＤｒと、平滑コンデンサＣｓと、ｎ組のインダクタＬｉ（ｉは正整数：１≦ｉ≦ｎ）とコンデンサＣｉのペアと、ｎ個のスイッチング素子Ｓｉと、ｎ個のクランプダイオードＤｉと、を備え、図４に示すインダクタＬ１コンデンサＣ１のペアがプラス入力端子１１から整流ダイオードＤｒのアノードに向けて順に直列にｎ個接続されていることを特徴とする。
【００３６】
インダクタＬｉとコンデンサＣｉのペアは、プラス入力端子１１から整流ダイオードＤｒのアノードに向けて順に直列に接続されている。例えば、インダクタＬｉとコンデンサＣｉのペアは、プラス入力端子１１からｉ番目の位置に接続されている。インダクタＬｉとコンデンサＣｉは、インダクタＬｉがプラス入力端子１１側に、コンデンサＣｉが整流ダイオードＤｒのアノード側に配置される。
【００３７】
プラス入力端子１１からｉ番目の位置に接続されているスイッチング素子Ｓｉは、それぞれのインダクタＬｉの一端であって整流ダイオードＤｒのアノード側に配置された一端とマイナス入力端子１３−１の間に接続されている。
【００３８】
プラス入力端子１１からｉ番目の位置に接続されているクランプダイオードＤｉは、それぞれのコンデンサＣｉの一端であって整流ダイオードＤｒのアノード側に配置された一端とカソードが接続され、プラス入力端子１１とアノードが接続されている。
【００３９】
ｎ＝１のとき、図４に示す昇圧型スイッチング電源装置１０１の構成となる。ｎ＝２のとき、図８に示す昇圧型スイッチング電源装置１０３の構成となる。
【００４０】
スイッチング素子Ｓｉがオンのとき、それぞれのインダクタＬｉ及びコンデンサＣｉにエネルギーが蓄えられる。一方、スイッチング素子Ｓｉがオフのとき、インダクタＬｉ及びコンデンサＣｉが直列に接続される。このため、それぞれのインダクタＬｉ及びコンデンサＣｉに蓄えられたエネルギーに応じて、出力電圧Ｖｏは入力電圧Ｖｉｎよりも高くなる。
【００４１】
したがって、インダクタＬｉ及びコンデンサＣｉのペアの数を増加することによって、昇圧型スイッチング電源装置１０２の電圧利得比を増加させることができる。よって、昇圧型スイッチング電源装置１０２は、小さな時比率ｄで大きな昇圧比を得ることができる。
【００４２】
（実施形態３）
図９に、本実施形態に係る昇圧型スイッチング電源装置を示す。本実施形態に係る昇圧型スイッチング電源装置１０４は、図４に示す昇圧型スイッチング電源装置１０１において、クランプダイオードＤ１のアノードが、プラス入力端子１１とは異なるプラス入力端子１１−１に接続されていることを特徴とする。
【００４３】
プラス入力端子１１とプラス入力端子１１−１は入力電圧Ｖｉｎ−１を有する直流電源に接続される。入力電圧Ｖｉｎ−１を有する直流電源の正極がプラス入力端子１１−１に接続され、入力電圧Ｖｉｎ−１を有する直流電源の負極がプラス入力端子１１に接続される。入力電圧Ｖｉｎ−１を有する直流電源は、例えば、入力電圧Ｖｉｎを有する直流電源と同様に、太陽光、燃料電池、風力に代表されるクリーンエネルギーを基にした電源である。
【００４４】
昇圧型スイッチング電源装置１０４では、入力電圧Ｖｉｎを有する直流電源と入力電圧Ｖｉｎ−１を有する直流電源が直列に接続される。このため、コンデンサＣ１に蓄えられるエネルギーが増加するので、出力電圧Ｖｏをさらに上げて昇圧比を大きくすることができる。
【００４５】
（実施形態４）
図１０に、本実施形態に係る昇圧型スイッチング電源装置を示す。本実施形態に係る昇圧型スイッチング電源装置１０５は、図７に示す昇圧型スイッチング電源装置１０２において、ｎ個のクランプダイオードＤｉのアノードは、それぞれ、プラス入力端子１１とは異なるｉ番目のプラス入力端子１１−ｉに接続されていることを特徴とする。
【００４６】
ｉ＝１の場合、図９に示す昇圧型スイッチング電源装置１０４と同様に、プラス入力端子１１とプラス入力端子１１−１は入力電圧Ｖｉｎ−１を有する直流電源に接続される。入力電圧Ｖｉｎ−１を有する直流電源の正極がプラス入力端子１１−１に接続され、入力電圧Ｖｉｎ−１を有する直流電源の負極がプラス入力端子１１に接続される。
【００４７】
ｉ＝２以上の場合、プラス入力端子１１−ｉとプラス入力端子１１−（ｉ−１）は入力電圧Ｖｉｎ−ｉを有する直流電源に接続される。入力電圧Ｖｉｎ−ｉを有する直流電源の正極がプラス入力端子１１−ｉに接続され、入力電圧Ｖｉｎ−ｉを有する直流電源の負極がプラス入力端子１１−（ｉ−１）に接続される。
【００４８】
本実施形態では、ｎ＝１のとき、図９に示す昇圧型スイッチング電源装置１０４の構成となる。ｎ＝２のとき、図１１に示す昇圧型スイッチング電源装置１０６の構成となる。
【００４９】
昇圧型スイッチング電源装置１０５では、各プラス入力端子１１−ｉに入力電圧Ｖｉｎ−ｉが入力されるため、それぞれのコンデンサＣｉ及びインダクタＬｉに蓄えられるエネルギーを増加させることができる。このため、出力電圧Ｖｏをさらに上げて昇圧比を大きくすることができる。
【００５０】
（実施形態５）
図１２に、本実施形態に係る昇圧型スイッチング電源装置の一例を示す。本実施形態に係る昇圧型スイッチング電源装置１０７は、図１に示す昇圧型スイッチング電源装置１００に加え、さらにコンデンサＣ１とクランプダイオードＤ１とインダクタＬ１とスイッチング素子Ｓ１とを備える。説明の便宜上、図１に示すインダクタＬをＬ０、スイッチング素子Ｓをスイッチング素子Ｓ０と示す。
【００５１】
インダクタＬ０は、一端がプラス入力端子１１に接続される。コンデンサＣ１及びインダクタＬ１は、インダクタＬ０の他端から整流ダイオードＤｒのアノードに向けて順に直列に接続される。すなわち、インダクタＬ０とコンデンサＣ１とインダクタＬ１と整流ダイオードＤｒが順に直列に接続される。
【００５２】
スイッチング素子Ｓ０は、インダクタＬ０の一端であって整流ダイオードＤｒのアノード側に配置された一端とマイナス入力端子１３−１の間に接続される。スイッチング素子Ｓ１は、インダクタＬ１の一端であって整流ダイオードＤｒのアノード側に配置された一端とマイナス入力端子１３−１の間に接続される。スイッチング素子Ｓ０とスイッチング素子Ｓ１のスイッチングのタイミングは同期しており、スイッチング素子Ｓ０と同時にスイッチング素子Ｓ１がオンの状態になり、スイッチング素子Ｓ０と同時にスイッチング素子Ｓ１がオフの状態になる。
【００５３】
クランプダイオードＤ１のカソードは、コンデンサＣ１の一端であって整流ダイオードＤｒのアノード側に配置された一端と接続される。クランプダイオードＤ１のアノードは、プラス入力端子１１と接続される。
【００５４】
本実施形態では、スイッチング素子Ｓ０及びスイッチング素子Ｓ１がオンのとき、プラス入力端子１１から入力された電流は、インダクタＬ０に流入するとともに、クランプダイオードＤ１を介してコンデンサＣ１とインダクタＬ１に流入する。これにより、インダクタＬ０とコンデンサＣ１とインダクタＬ１にエネルギーが蓄えられる。スイッチング素子Ｓ０及びスイッチング素子Ｓ１がオフのとき、プラス入力端子１１の入力電圧ＶｉｎとインダクタＬ０とコンデンサＣ１とインダクタＬ１とが直列に接続された状態となる。このため、インダクタＬ０とコンデンサＣ１とインダクタＬ１に蓄えられたエネルギーに応じて、出力電圧Ｖｏは入力電圧Ｖｉｎよりも高くなる。
【００５５】
このときの出力電圧Ｖｏは次式で表される。
【数６】
ここで、ｄはスイッチング素子Ｓ０及びスイッチング素子Ｓ１の時比率である。
【００５６】
クランプダイオードＤ１のカソードとコンデンサＣ１の接続点における電圧Ｖ１は次式で表される。
【数７】
ここで、α＝Ｌ０／Ｌ１である。
【００５７】
図１３に、昇圧型スイッチング電源装置の電圧利得比の一例を示す。Ｇ１０７が昇圧型スイッチング電源装置１０７で得られた電圧利得比を示し、Ｇ１００が昇圧型スイッチング電源装置１００で得られた電圧利得比を示す。昇圧型スイッチング電源装置１０７及び昇圧型スイッチング電源装置１００のパラメータは、前述の図５と同様である。
【００５８】
昇圧型スイッチング電源装置１０７で得られた電圧利得比と昇圧型スイッチング電源装置１００で得られた電圧利得比とは、時比率が大きくなるにつれて差が大きくなっている。このことによって、昇圧型スイッチング電源装置１００では３倍程度の電圧利得比を得るためには時比率ｄを０．６５程度まで大きくしなければならないところを、昇圧型スイッチング電源装置１０７では時比率ｄを０．３２５程度に小さくすることができる。このように、昇圧型スイッチング電源装置１０７は、昇圧型スイッチング電源装置１００に比べて小さな時比率ｄで大きな昇圧比を得ることができる。
【００５９】
（実施形態６）
図１４に、本実施形態に係る昇圧型スイッチング電源装置の一例を示す。本実施形態に係る昇圧型スイッチング電源装置１０８は、整流ダイオードＤｒと、平滑コンデンサＣｓと、インダクタＬ０と、スイッチング素子Ｓ０と、ｎ組のコンデンサＣｉ（ｉは正整数：１≦ｉ≦ｎ）とインダクタＬｉのペアと、ｎ個のスイッチング素子Ｓｉと、ｎ個のクランプダイオードＤｉと、を備え、図１２に示すコンデンサＣ１とインダクタＬ１のペアがプラス入力端子１１側から整流ダイオードＤｒのアノードに向けて順に直列にｎ個接続されていることを特徴とする。
【００６０】
インダクタＬ０は、一端がプラス入力端子１１に接続される。コンデンサＣｉとインダクタＬｉのペアは、インダクタＬ０の他端から整流ダイオードＤｒのアノードに向けて順に直列に接続されている。例えば、コンデンサＣｉとインダクタＬｉのペアは、インダクタＬ０からｉ番目の位置に接続されている。コンデンサＣｉとインダクタＬｉは、順に直列に接続され、コンデンサＣｉがインダクタＬ０側に、インダクタＬｉが整流ダイオードＤｒのアノード側に配置される。
【００６１】
スイッチング素子Ｓ０は、インダクタＬ０の一端であって整流ダイオードＤｒのアノード側に配置された一端とマイナス入力端子１３−１の間に接続されている。インダクタＬ０からｉ番目の位置に接続されているスイッチング素子Ｓｉは、それぞれのインダクタＬｉの一端であって整流ダイオードＤｒのアノード側に配置された一端とマイナス入力端子１３−１の間に接続されている。
【００６２】
インダクタＬ０からｉ番目の位置に接続されているクランプダイオードＤｉは、それぞれのコンデンサＣｉの一端であって整流ダイオードＤｒのアノード側に配置された一端とカソードが接続され、プラス入力端子１１とアノードが接続されている。
【００６３】
ｎ＝１のとき、図１２に示す昇圧型スイッチング電源装置１０７の構成となる。ｎ＝２のとき、図１５に示す昇圧型スイッチング電源装置１０９の構成となる。
【００６４】
スイッチング素子Ｓ０及びスイッチング素子Ｓｉがオンのとき、それぞれのインダクタＬ０とコンデンサＣｉとインダクタＬｉにエネルギーが蓄えられる。一方、スイッチング素子Ｓ０及びスイッチング素子Ｓｉがオフのとき、インダクタＬ０とコンデンサＣｉとインダクタＬｉが直列に接続される。このため、それぞれのインダクタＬ０とコンデンサＣｉとインダクタＬｉに蓄えられたエネルギーに応じて、出力電圧Ｖｏは入力電圧Ｖｉｎよりも高くなる。
【００６５】
したがって、コンデンサＣｉ及びインダクタＬｉのペアの数を増加することによって、昇圧型スイッチング電源装置１０８の電圧利得比を増加させることができる。よって、昇圧型スイッチング電源装置１０８は、小さな時比率ｄで大きな昇圧比を得ることができる。
【００６６】
（実施形態７）
図１６に、本実施形態に係る昇圧型スイッチング電源装置の一例を示す。本実施形態に係る昇圧型スイッチング電源装置１１０は、図１２に示す昇圧型スイッチング電源装置１０７において、クランプダイオードＤ１のアノードが、プラス入力端子１１とは異なるプラス入力端子１１−１に接続されていることを特徴とする。
【００６７】
プラス入力端子１１とプラス入力端子１１−１は入力電圧Ｖｉｎ−１を有する直流電源に接続される。入力電圧Ｖｉｎ−１を有する直流電源の正極がプラス入力端子１１−１に接続され、入力電圧Ｖｉｎ−１を有する直流電源の負極がプラス入力端子１１に接続される。入力電圧Ｖｉｎ−１を有する直流電源は、例えば、入力電圧Ｖｉｎを有する直流電源と同様に、太陽光、燃料電池、風力に代表されるクリーンエネルギーを基にした電源である。
【００６８】
昇圧型スイッチング電源装置１１０では、入力電圧Ｖｉｎを有する直流電源と入力電圧Ｖｉｎ−１を有する直流電源が直列に接続される。このため、コンデンサＣ１とインダクタＬ１に蓄えられるエネルギーが増加するので、出力電圧Ｖｏをさらに上げて昇圧比を大きくすることができる。
【００６９】
（実施形態８）
図１７に、本実施形態に係る昇圧型スイッチング電源装置の一例を示す。本実施形態に係る昇圧型スイッチング電源装置１１１は、図１４に示す昇圧型スイッチング電源装置１０８において、ｎ個のクランプダイオードＤｉのアノードは、それぞれ、プラス入力端子１１とは異なるｉ番目のプラス入力端子１１−ｉに接続されていることを特徴とする。
【００７０】
ｉ＝１の場合、図１６に示す昇圧型スイッチング電源装置１１０と同様に、プラス入力端子１１とプラス入力端子１１−１は入力電圧Ｖｉｎ−１を有する直流電源に接続される。入力電圧Ｖｉｎ−１を有する直流電源の正極がプラス入力端子１１−１に接続され、入力電圧Ｖｉｎ−１を有する直流電源の負極がプラス入力端子１１に接続される。
【００７１】
ｉ＝２以上の場合、プラス入力端子１１−ｉとプラス入力端子１１−（ｉ−１）は入力電圧Ｖｉｎ−ｉを有する直流電源に接続される。入力電圧Ｖｉｎ−ｉを有する直流電源の正極がプラス入力端子１１−ｉに接続され、入力電圧Ｖｉｎ−ｉを有する直流電源の負極がプラス入力端子１１−（ｉ−１）に接続される。
【００７２】
本実形態では、ｎ＝１のとき、図１６に示す昇圧型スイッチング電源装置１１０の構成となる。ｎ＝２のとき、図１８に示す昇圧型スイッチング電源装置１１２の構成となる。
【００７３】
昇圧型スイッチング電源装置１１１では、各プラス入力端子１１−ｉに入力電圧Ｖｉｎ−ｉが入力されるため、それぞれのインダクタＬｉ及びコンデンサＣｉに蓄えられるエネルギーを増加させることができる。このため、出力電圧Ｖｏをさらに上げて昇圧比を大きくすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００７４】
本発明に係る昇圧型スイッチング電源装置は太陽光、燃料電池、風力に代表されるクリーンエネルギーを利用する分散型発電システムに用いられるため、新エネルギー産業に適用することができる。
【符号の説明】
【００７５】
１１、１１−１、１１−２、１１−ｉ、１１−ｎ：プラス入力端子
１２：プラス出力端子
１３−１：マイナス入力端子
１３−２：マイナス出力端子
１００、１０１、１０２、１０３、１０４、１０５、１０６、１０７、１０８、１０９、１１０、１１１、１１２：昇圧型スイッチング電源装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
カソードがプラス出力端子に接続された整流ダイオードＤｒと、
マイナス出力端子と接続されているマイナス入力端子と、
前記プラス出力端子と前記マイナス出力端子の間に接続された平滑コンデンサＣｓと、
プラス入力端子から前記整流ダイオードＤｒのアノードに向けて順に直列に接続されたインダクタＬｉ（ｉは正整数：１≦ｉ≦ｎ）及びコンデンサＣｉが直列に接続されたｎ組のペアと、
それぞれの前記インダクタＬｉの一端であって前記整流ダイオードＤｒのアノード側に配置された一端と前記マイナス入力端子の間に接続されたｎ個のスイッチング素子Ｓｉと、
それぞれの前記コンデンサＣｉの一端であって前記整流ダイオードＤｒのアノード側に配置された一端とカソードが接続され、前記プラス入力端子とアノードが接続されたｎ個のクランプダイオードＤｉと、
を備えることを特徴とする昇圧型スイッチング電源装置。
【請求項２】
カソードがプラス出力端子に接続された整流ダイオードＤｒと、
マイナス出力端子と接続されているマイナス入力端子と、
前記プラス出力端子と前記マイナス出力端子の間に接続された平滑コンデンサＣｓと、
一端がプラス入力端子に接続されたインダクタＬ０と、
前記インダクタＬ０の他端から前記整流ダイオードＤｒのアノードに向けて順に直列に接続されたコンデンサＣｉ（ｉは正整数：１≦ｉ≦ｎ）及びインダクタＬｉが直列に接続されたｎ組のペアと、
前記インダクタＬ０の一端であって前記整流ダイオードＤｒのアノード側に配置された一端と前記マイナス入力端子の間に接続されたスイッチング素子Ｓ０と、
それぞれの前記インダクタＬｉの一端であって前記整流ダイオードＤｒのアノード側に配置された一端と前記マイナス端子の間に接続されたｎ個のスイッチング素子Ｓｉと、
それぞれの前記コンデンサＣｉの一端であって前記整流ダイオードＤｒのアノード側に配置された一端とカソードが接続され、前記プラス入力端子とアノードが接続されたｎ個のクランプダイオードＤｉと、
を備えることを特徴とする昇圧型スイッチング電源装置。
【請求項３】
ｎ個の前記クランプダイオードＤｉのアノードは、それぞれ、前記プラス入力端子とは異なるｉ番目のプラス入力端子に接続されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の昇圧型スイッチング電源装置。
【請求項１】
カソードがプラス出力端子に接続された整流ダイオードＤｒと、
マイナス出力端子と接続されているマイナス入力端子と、
前記プラス出力端子と前記マイナス出力端子の間に接続された平滑コンデンサＣｓと、
プラス入力端子から前記整流ダイオードＤｒのアノードに向けて順に直列に接続されたインダクタＬｉ（ｉは正整数：１≦ｉ≦ｎ）及びコンデンサＣｉが直列に接続されたｎ組のペアと、
それぞれの前記インダクタＬｉの一端であって前記整流ダイオードＤｒのアノード側に配置された一端と前記マイナス入力端子の間に接続されたｎ個のスイッチング素子Ｓｉと、
それぞれの前記コンデンサＣｉの一端であって前記整流ダイオードＤｒのアノード側に配置された一端とカソードが接続され、前記プラス入力端子とアノードが接続されたｎ個のクランプダイオードＤｉと、
を備えることを特徴とする昇圧型スイッチング電源装置。
【請求項２】
カソードがプラス出力端子に接続された整流ダイオードＤｒと、
マイナス出力端子と接続されているマイナス入力端子と、
前記プラス出力端子と前記マイナス出力端子の間に接続された平滑コンデンサＣｓと、
一端がプラス入力端子に接続されたインダクタＬ０と、
前記インダクタＬ０の他端から前記整流ダイオードＤｒのアノードに向けて順に直列に接続されたコンデンサＣｉ（ｉは正整数：１≦ｉ≦ｎ）及びインダクタＬｉが直列に接続されたｎ組のペアと、
前記インダクタＬ０の一端であって前記整流ダイオードＤｒのアノード側に配置された一端と前記マイナス入力端子の間に接続されたスイッチング素子Ｓ０と、
それぞれの前記インダクタＬｉの一端であって前記整流ダイオードＤｒのアノード側に配置された一端と前記マイナス端子の間に接続されたｎ個のスイッチング素子Ｓｉと、
それぞれの前記コンデンサＣｉの一端であって前記整流ダイオードＤｒのアノード側に配置された一端とカソードが接続され、前記プラス入力端子とアノードが接続されたｎ個のクランプダイオードＤｉと、
を備えることを特徴とする昇圧型スイッチング電源装置。
【請求項３】
ｎ個の前記クランプダイオードＤｉのアノードは、それぞれ、前記プラス入力端子とは異なるｉ番目のプラス入力端子に接続されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の昇圧型スイッチング電源装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【公開番号】特開２０１１−４１４１２（Ｐ２０１１−４１４１２Ａ）
【公開日】平成２３年２月２４日（２０１１．２．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１８７７０１（Ｐ２００９−１８７７０１）
【出願日】平成２１年８月１３日（２００９．８．１３）
【出願人】（０００１０３９７６）オリジン電気株式会社 (223)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年２月２４日（２０１１．２．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年８月１３日（２００９．８．１３）
【出願人】（０００１０３９７６）オリジン電気株式会社 (223)
【Ｆターム（参考）】
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