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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023133054
(43)【公開日】2023-09-22
(54)【発明の名称】スイッチング電源装置
(51)【国際特許分類】
H02M 3/28 20060101AFI20230914BHJP
【ＦＩ】
H02M3/28 W
H02M3/28 Q
【審査請求】未請求
【請求項の数】4
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022079372
(22)【出願日】2022-05-13
(31)【優先権主張番号】P 2022037368
(32)【優先日】2022-03-10
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(71)【出願人】
【識別番号】507151526
【氏名又は名称】株式会社ＧＳユアサ
(74)【代理人】
【識別番号】100097113
【弁理士】
【氏名又は名称】堀 城之
(74)【代理人】
【識別番号】100162363
【弁理士】
【氏名又は名称】前島 幸彦
(72)【発明者】
【氏名】千葉 明輝
【テーマコード（参考）】
5H730
【Ｆターム（参考）】
5H730AA14
5H730AA15
5H730AS01
5H730BB26
5H730BB66
5H730BB70
5H730BB83
5H730BB89
5H730DD04
5H730DD16
5H730EE03
5H730EE04
5H730EE06
5H730EE07
5H730EE13
5H730ZZ16
(57)【要約】
【課題】相補ゲートドライブ信号を増やすことなく、共振回路を並列化して大電力化を実現できるスイッチング電源装置を提供する。
【解決手段】回路要素１０ａは、共振回路が並列化されている。並列化されたｑ番目の共振回路の共振コンデンサＣｒｋｑは、一端が共振リアクトルＬｒｑ、トランスＴｒｑの１次巻線Ｎ１ｑに直列に接続されている。並列化されたｑ番目の共振回路の共振コンデンサＣｒｋｑは、他端がＰｋ個の回路要素により位相差３６０°／Ｐｋであるｋ次元のマルチフェーズＬＬＣコンバータを構成するように他の回路要素１０ａにおける並列化されたｑ番目の前記共振回路の共振コンデンサＣｒｋｑに接続されている。
【選択図】図６
【解決手段】回路要素１０ａは、共振回路が並列化されている。並列化されたｑ番目の共振回路の共振コンデンサＣｒｋｑは、一端が共振リアクトルＬｒｑ、トランスＴｒｑの１次巻線Ｎ１ｑに直列に接続されている。並列化されたｑ番目の共振回路の共振コンデンサＣｒｋｑは、他端がＰｋ個の回路要素により位相差３６０°／Ｐｋであるｋ次元のマルチフェーズＬＬＣコンバータを構成するように他の回路要素１０ａにおける並列化されたｑ番目の前記共振回路の共振コンデンサＣｒｋｑに接続されている。
【選択図】図６
【特許請求の範囲】
【請求項1】
直流電源の両端に直列に接続された第１スイッチ素子及び第２スイッチ素子と、
前記第１スイッチ素子と前記第２スイッチ素子との接続点に一端が接続された共振リアクトル、トランスの１次巻線、及び、ｎ個（ｎは２以上の自然数）の第１次共振コンデンサ～第ｎ次共振コンデンサ、をそれぞれが含む、並列化されたｍ個（ｍは２以上の自然数）の共振回路と、を有するハーフブリッジＬＬＣコンバータを回路要素として複数個備え、
並列化されたｑ番目（ｑは１～ｍの自然数）の前記共振回路の第ｋ次共振コンデンサ（ｋは１～ｎの自然数）は、一端が前記共振リアクトル、前記トランスの１次巻線に直列に接続されて、他端がＰｋ個（Ｐｋは任意の自然数）の回路要素により位相差３６０°／Ｐｋであるｋ次元のマルチフェーズＬＬＣコンバータを構成するように他の回路要素における並列化されたｑ番目の前記共振回路の第ｋ次共振コンデンサに接続されているスイッチング電源装置。
前記第１スイッチ素子と前記第２スイッチ素子との接続点に一端が接続された共振リアクトル、トランスの１次巻線、及び、ｎ個（ｎは２以上の自然数）の第１次共振コンデンサ～第ｎ次共振コンデンサ、をそれぞれが含む、並列化されたｍ個（ｍは２以上の自然数）の共振回路と、を有するハーフブリッジＬＬＣコンバータを回路要素として複数個備え、
並列化されたｑ番目（ｑは１～ｍの自然数）の前記共振回路の第ｋ次共振コンデンサ（ｋは１～ｎの自然数）は、一端が前記共振リアクトル、前記トランスの１次巻線に直列に接続されて、他端がＰｋ個（Ｐｋは任意の自然数）の回路要素により位相差３６０°／Ｐｋであるｋ次元のマルチフェーズＬＬＣコンバータを構成するように他の回路要素における並列化されたｑ番目の前記共振回路の第ｋ次共振コンデンサに接続されているスイッチング電源装置。
【請求項2】
直流電源の両端に直列に接続された第１スイッチ素子及び第２スイッチ素子と、
前記第１スイッチ素子と前記第２スイッチ素子との接続点に一端が接続された共振リアクトルと、
前記共振リアクトルの他端に接続された、トランスの１次巻線、及び、ｎ個（ｎは２以上の自然数）の第１次共振コンデンサ～第ｎ次共振コンデンサ、をそれぞれが含む、並列化されたｍ個（ｍは２以上の自然数）の共振回路と、を有するハーフブリッジＬＬＣコンバータを回路要素として複数個備え、
並列化されたｑ番目（ｑは１～ｍの自然数）の前記共振回路の第ｋ次共振コンデンサ（ｋは１～ｎの自然数）は、一端が前記共振リアクトル、前記トランスの１次巻線に直列に接続されて、他端がＰｋ個（Ｐｋは任意の自然数）の回路要素により位相差３６０°／Ｐｋであるｋ次元のマルチフェーズＬＬＣコンバータを構成するように他の回路要素における並列化されたｑ番目の前記共振回路の第ｋ次共振コンデンサに接続されているスイッチング電源装置。
前記第１スイッチ素子と前記第２スイッチ素子との接続点に一端が接続された共振リアクトルと、
前記共振リアクトルの他端に接続された、トランスの１次巻線、及び、ｎ個（ｎは２以上の自然数）の第１次共振コンデンサ～第ｎ次共振コンデンサ、をそれぞれが含む、並列化されたｍ個（ｍは２以上の自然数）の共振回路と、を有するハーフブリッジＬＬＣコンバータを回路要素として複数個備え、
並列化されたｑ番目（ｑは１～ｍの自然数）の前記共振回路の第ｋ次共振コンデンサ（ｋは１～ｎの自然数）は、一端が前記共振リアクトル、前記トランスの１次巻線に直列に接続されて、他端がＰｋ個（Ｐｋは任意の自然数）の回路要素により位相差３６０°／Ｐｋであるｋ次元のマルチフェーズＬＬＣコンバータを構成するように他の回路要素における並列化されたｑ番目の前記共振回路の第ｋ次共振コンデンサに接続されているスイッチング電源装置。
【請求項3】
前記回路要素の総数は、各次元に含まれる相数の積である請求項１又は請求項２記載のスイッチング電源装置。
【請求項4】
前記共振回路の総数は、各次元に含まれる相数の積と、並列数ｍ（ｍは２以上の自然数）との積である請求項３記載のスイッチング電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、並列接続された複数のＬＬＣコンバータを用いて入力電圧を出力電圧に変換するスイッチング電源装置に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、出力負荷の増大に伴って大電流化や低リップル化を実現するために、動作フェーズ数（相数）を複数にし、位相をずらして各動作フェーズを駆動するマルチフェーズ型のスイッチング電源装置が知られている（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】特許第６６９６６１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかしながら、相数が増えるほど、用意する相補スイッチの相補ゲートドライブ信号も増加する。従って、相数の増加に伴う制御も複雑となり、制御に関わる回路が大規模化するなど、多相化による電力拡張は容易にできなかった。
【0005】
本発明の一態様は、相補ゲートドライブ信号を増やすことなく、共振回路を並列化して大電力化を実現できるスイッチング電源装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明の一態様に係るスイッチング電源装置は、共振回路が並列化されているハーフブリッジＬＬＣコンバータを回路要素として複数個備える。回路要素は、直流電源の両端に直列に接続された第１スイッチ素子及び第２スイッチ素子と、前記第１スイッチ素子と前記第２スイッチ素子との接続点に一端が接続された共振リアクトル、トランスの１次巻線、及び、ｎ個（ｎは２以上の自然数）の第１次共振コンデンサ～第ｎ次共振コンデンサ、をそれぞれが含む、並列化されたｍ個（ｍは２以上の自然数）の共振回路と、を有する。並列化されたｑ番目（ｑは１～ｍの自然数）の前記共振回路の第ｋ次共振コンデンサ（ｋは１～ｎの自然数）は、一端が前記共振リアクトル、前記トランスの１次巻線に直列に接続されて、他端がＰｋ個（Ｐｋは任意の自然数）の回路要素により位相差３６０°／Ｐｋであるｋ次元のマルチフェーズＬＬＣコンバータを構成するように他の回路要素における並列化されたｑ番目の前記共振回路の第ｋ次共振コンデンサに接続されている。
また、本発明の一態様に係るスイッチング電源装置は、共振回路（共振リアクトルを除く回路部分）が並列化されているハーフブリッジＬＬＣコンバータを回路要素として複数個備える。回路要素は、直流電源の両端に直列に接続された第１スイッチ素子及び第２スイッチ素子と、前記第１スイッチ素子と前記第２スイッチ素子との接続点に一端が接続された共振リアクトルと、前記共振リアクトルの他端に接続された、トランスの１次巻線、及び、ｎ個（ｎは２以上の自然数）の第１次共振コンデンサ～第ｎ次共振コンデンサ、をそれぞれが含む、並列化されたｍ個（ｍは２以上の自然数）の共振回路と、を有する。並列化されたｑ番目（ｑは１～ｍの自然数）の前記共振回路の第ｋ次共振コンデンサ（ｋは１～ｎの自然数）は、一端が前記共振リアクトル、前記トランスの１次巻線に直列に接続されて、他端がＰｋ個（Ｐｋは任意の自然数）の回路要素により位相差３６０°／Ｐｋであるｋ次元のマルチフェーズＬＬＣコンバータを構成するように他の回路要素における並列化されたｑ番目の前記共振回路の第ｋ次共振コンデンサに接続されている。
また、本発明の一態様に係るスイッチング電源装置は、共振回路（共振リアクトルを除く回路部分）が並列化されているハーフブリッジＬＬＣコンバータを回路要素として複数個備える。回路要素は、直流電源の両端に直列に接続された第１スイッチ素子及び第２スイッチ素子と、前記第１スイッチ素子と前記第２スイッチ素子との接続点に一端が接続された共振リアクトルと、前記共振リアクトルの他端に接続された、トランスの１次巻線、及び、ｎ個（ｎは２以上の自然数）の第１次共振コンデンサ～第ｎ次共振コンデンサ、をそれぞれが含む、並列化されたｍ個（ｍは２以上の自然数）の共振回路と、を有する。並列化されたｑ番目（ｑは１～ｍの自然数）の前記共振回路の第ｋ次共振コンデンサ（ｋは１～ｎの自然数）は、一端が前記共振リアクトル、前記トランスの１次巻線に直列に接続されて、他端がＰｋ個（Ｐｋは任意の自然数）の回路要素により位相差３６０°／Ｐｋであるｋ次元のマルチフェーズＬＬＣコンバータを構成するように他の回路要素における並列化されたｑ番目の前記共振回路の第ｋ次共振コンデンサに接続されている。
【発明の効果】
【0007】
本発明の一態様によれば、相補ゲートドライブ信号を回路要素の総数よりも少なくでき、相補ゲートドライブ信号を増やすことなく、共振回路を並列化して大電力化を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【図1】スイッチング電源装置の実施の形態の回路構成を示す図である。
【図3】スイッチング電源装置の多次元化（１～３次元）を説明する図である。
【図4】スイッチング電源装置の多次元化（４～６次元）を説明する図である。
【図5】スイッチング電源装置のさらなる多次元化を説明する図である。
【図6】回路要素の他の構成例を示す図である。
【図7】回路要素の他の構成例を示す図である。
【図8】回路要素の他の構成例を示す図である。
【図9】回路要素の他の構成例を示す図である。
【図10】スイッチング電源装置の並列・多次元化を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【0009】
以下、図を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。以下の実施の形態において、同様の機能を示す構成には、同一の符号を付して適宜説明を省略する。
【0010】
本実施の形態のスイッチング電源装置１は、図１を参照すると、複数（Σ）個のハーフブリッジＬＬＣコンバータ（以下、回路要素１０と称す）を備える。スイッチング電源装置１は、１～ｎ次元のそれぞれがマルチフェーズＬＬＣコンバータとして構成されている。すなわち、スイッチング電源装置１は、多相多重ＬＬＣコンバータである。ここで、ｎは、２以上の自然数であり、２次元以上のマルチフェーズＬＬＣコンバータから構成されるスイッチング電源装置１を以下説明する。
【0011】
回路要素１０は、直流電源Ｖｉｎの正極に接続される高電位入力端子Ｔｉｎ＋と、直流電源Ｖｉｎの負極に接続される低電位入力端子Ｔｉｎ－との間に直列に接続された第１スイッチ素子ＱＨ及び第２スイッチ素子ＱＬを備える。
回路要素１０は、第１スイッチ素子ＱＨと第２スイッチ素子ＱＬとの接続点に一端が接続された共振リアクトルＬｒ、トランスＴｒの１次巻線Ｎ１、及び、ｎ＋１個の共振コンデンサＣｒ０～Ｃｒｎを含む、共振回路を備える。
回路要素１０は、トランスＴｒの２次巻線Ｎ２の電圧を整流平滑する同期整流素子ＳＲ１、ＳＲ２、及び、出力コンデンサＣｏｕｔを含む、整流平滑回路を備える。
図１では、実線枠内（モジュールに相当）に、回路要素１０の主回路のみを記している。整流平滑回路は、センタータップ整流、ブリッジ整流、倍電圧整流、コックウォルトン整流などの整流方式を採用できる。
回路要素１０は、第１スイッチ素子ＱＨと第２スイッチ素子ＱＬとの接続点に一端が接続された共振リアクトルＬｒ、トランスＴｒの１次巻線Ｎ１、及び、ｎ＋１個の共振コンデンサＣｒ０～Ｃｒｎを含む、共振回路を備える。
回路要素１０は、トランスＴｒの２次巻線Ｎ２の電圧を整流平滑する同期整流素子ＳＲ１、ＳＲ２、及び、出力コンデンサＣｏｕｔを含む、整流平滑回路を備える。
図１では、実線枠内（モジュールに相当）に、回路要素１０の主回路のみを記している。整流平滑回路は、センタータップ整流、ブリッジ整流、倍電圧整流、コックウォルトン整流などの整流方式を採用できる。
【0012】
高電位入力端子Ｔｉｎ＋と低電位入力端子Ｔｉｎ－との間には、入力コンデンサＣｉｎが接続され、出力コンデンサＣｏｕｔの両端が高電位出力端子Ｖｏｕｔ＋と低電位出力端子Ｖｏｕｔ－に接続されている。
【0013】
共振コンデンサＣｒ０は、一端が共振リアクトルＬｒ、トランスＴｒの１次巻線Ｎ１に直列に接続され、他端が低電位入力端子Ｔｉｎ－に接続されている。
【0014】
共振コンデンサＣｒ１～Ｃｒｎは、一端がいずれも共振リアクトルＬｒ、トランスＴｒの１次巻線Ｎ１に直列に接続され、他端がそれぞれバイパス端子Ｔ１～Ｔｎに接続されている。ｋ番目（ｋは１～ｎの自然数）の共振コンデンサＣｒｋの他端（バイパス端子Ｔｋ）は、Ｐｋ個（Ｐｋは任意の自然数）の回路要素１０により位相差３６０°／Ｐｋであるｋ次元のマルチフェーズＬＬＣコンバータを構成するように他の回路要素１０のｋ番目の共振コンデンサＣｒｋの他端（バイパス端子Ｔｋ）に接続されている。本明細書では、次元の直交性は問わずに、バイパス端子Ｔ１～Ｔｎのｎ個の相互接続点をそれぞれｋ次元と称している。
【0015】
回路要素１０の総数Σは、ｋ次元のそれぞれの相数であるＰｋを用いて、以下の式(１)で表される。
【0016】
【数1】
【0017】
スイッチング電源装置１は、図２（ａ）を参照すると、制御回路２０と、選択信号生成回路３０とを備えている。制御回路２０は、Σ個の回路要素１０の第１スイッチ素子ＱＨ及び第２スイッチ素子ＱＬを、相補ゲートドライブ信号ＧｋＰｋ（ｋ＝１～ｎ）によって交互にオンオフさせる。選択信号生成回路３０は、次元選択信号Ｙｋによって次元選択回路４２を制御して回路要素１０の動作／停止を次元毎に選択すると共に、相選択信号ＸｋＰｋ（ｋ＝１～ｎ）によって相選択回路４１を制御してΣ個の回路要素１０の動作／停止を次元毎・相毎に選択する。
【0018】
１～ｎ次元のそれぞれの相数Ｐ１～Ｐｎは、異なっていてもよいが、全て同一にすることで、各次元で同じ相補ゲートドライブ信号ＧＰｋを使用することができる。同じ相補ゲートドライブ信号ＧＰｋの使用により、制御に関わる回路が大規模化することなく、多相化によって電力拡張を容易に行うことができる。相数Ｐｋは、２や他の相数Ｐｋの約数であっても、同様に他の次元の相補ゲートドライブ信号ＧＰｋ（１～ｎ）を使用できる。
【0019】
例えば、１～ｎ次元のそれぞれの相数Ｐ１～Ｐｎを全て３にした場合、図２（ｂ）に示すように、制御回路２０が生成する相補ゲートドライブ信号は、Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３の３個、選択信号生成回路３０が生成する相選択信号もＸ１、Ｘ２、Ｘ３の３個である。
【0020】
共振コンデンサＣｒ１のみを有する３個の回路要素１０で構成する１次元三相ＬＬＣコンバータは、各回路要素１０において３６０°／３ずつ位相が異なる。図３（ａ）は、それら回路要素１０を三種類の濃度の異なるキューブ（Ｃｕｂｅ）で表現し、共振コンデンサＣｒ１の他端（バイパス端子Ｔ１）を相互接続する接続点を三つのキューブを貫通する1本の線で表現している。
【0021】
２次元方向への拡張のためには、二つの共振コンデンサＣｒ１、Ｃｒ２を有する回路要素１０の一つの共振コンデンサＣｒ１を１次元方向に、もう一つの共振コンデンサＣｒ２を２次元方向に、接続点で位相が重ならないようにそれぞれ接続する。これにより、図３（ｂ）に示すように、２次元方向に三つの接続点が加わり、６つの相互接続点を有する９個の回路要素１０で、２次元三相三重ＬＬＣコンバータが構成される。図３（ｂ）には、２次元方向の接続点のみが示されている。
【0022】
さらに、３次元方向への拡張のためには、三つの共振コンデンサＣｒ１、Ｃｒ２、Ｃｒ３を持つ回路要素１０の二つの共振コンデンサＣｒ１、Ｃｒ２をそれぞれ１次元方向、２次元方向に接続し、三つ目の共振コンデンサＣｒ３を３次元方向に、接続点で位相が重ならないように相互接続する。これにより、図３（ｃ）に示すように、３次元方向に９つの相互接続点が加わり、２７個の相互接続点を有する２７個の回路要素１０で、３次元三相九重ＬＬＣコンバータが構成される。図３（ｃ）には、３次元方向の接続点のみが示されている。
【0023】
このように、スイッチング電源装置１は、ある一つの接続点では多相ＬＬＣコンバータになっており、接続点同志で比較すると、多相ＬＬＣコンバータが重なって多重ＬＬＣコンバータになっている。従って、本実施の形態のスイッチング電源装置は、多相多重ＬＬＣコンバータと称することができる。
【0024】
さらに、図３（ｂ）に示す３次元三相九重ＬＬＣコンバータを一つのキューブとして表現すれば、図４（ａ）に示すように、４次元を１次元同様に認識することができる。４次元方向への拡張のためには、４つの共振コンデンサＣｒ１、Ｃｒ２、Ｃｒ３、Ｃｒ４を有する回路要素１０の三つの共振コンデンサＣｒ１、Ｃｒ２、Ｃｒ３は、前述のように３次元で接続し、四つ目の共振コンデンサＣｒ４は、４次元方向に接続する。これにより、３次元三相九重ＬＬＣコンバータを構成するキューブが三つ、合計８１個の回路要素１０で、４次元三相二十七重ＬＬＣコンバータが構成される。４次元三相二十七重ＬＬＣコンバータの接続点は、３次元三相九重ＬＬＣコンバータのキューブですでに２７個の接続点を内包し、三つあるので８１個、さらに４次元方向に２７個加わり、合計１０８個の接続点を有する。図４（ａ）には、４次元方向の接続点の一つが示されている。
【0025】
５次元方向に拡張すると、図４（ｂ）に示すように、４０５個の相互接続点を有する２４３個の回路要素１０で、５次元三相八十一重ＬＬＣコンバータが構成される。図４（ｂ）には、５次元方向の接続点の一つが示されている。
【0026】
さらに、６次元方向に拡張すると、図４（ｃ）に示すように、１４５８個の相互接続点を有する７２９個の回路要素１０で、６次元三相二百四十三重ＬＬＣコンバータが構成される。図４（ｃ）には、６次元方向の接続点の一つが示されている。
【0027】
同様に、６次元に拡張された６次元三相二百四十三重ＬＬＣコンバータを一つのキューブで表現して、図５に示すように、７次元、８次元、９次元として回路数を増やしていくことができる。さらなる高次元化は、３Ｎ（Ｎは自然数）次元で構成される多次元多重ＬＬＣコンバータを一つのキューブとして次元軸を加えていくことで実現される。従って、三相ＬＬＣコンバータをｎ次元化すると、ｎ次元三相３ｎ－１重ＬＬＣコンバータとなる。このように、相補ゲートドライブ信号を３相から増やすことなく、大電力化を実現できる。
【0028】
このようにスイッチング電源装置１は、３次元直交軸を重ねて得られる多次元で、フラクタル構造を持つ。３次元以上に拡張しても、回路要素１０の総数Σに応じて、従来のマルチフェーズ方式のように位相差を３６０°／Σとする必要はない。Σ個の位相差を作る相補ゲートドライブ信号生成回路を用意する必要はないため、制御に関わる回路の大規模化が抑止される。特に、各次元の相数Ｐｋを同一にした場合、ある接続点に対して位相差３６０°／Ｐｋを持つマルチフェーズＬＬＣコンバータを構成することで、Ｐｋ個の相補ゲートドライブ信号を生成する回路を用い、電流バランスを行いつつ回路数を増やして電力を増やすことができる。
本実施の形態のスイッチング電源装置１は、限られたサイズのパッケージに半導体と磁気部品がミックスされた集積回路として（例えば、電源ＩＣ、又はシステム・オン・チップ（ＳｏＣ）として）構成することができる。簡略化された例として、出力電力１ｋＷ（キロワット）のスイッチング電源装置１を、１００Ｗの電力を出力する１０個の回路要素１０をつないで実現できる。Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ（ＭＥＭＳ）に、集積回路で構成された多相多重コンバータを適用してもよい。
本実施の形態のスイッチング電源装置１は、限られたサイズのパッケージに半導体と磁気部品がミックスされた集積回路として（例えば、電源ＩＣ、又はシステム・オン・チップ（ＳｏＣ）として）構成することができる。簡略化された例として、出力電力１ｋＷ（キロワット）のスイッチング電源装置１を、１００Ｗの電力を出力する１０個の回路要素１０をつないで実現できる。Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ（ＭＥＭＳ）に、集積回路で構成された多相多重コンバータを適用してもよい。
【0029】
スイッチング電源装置１の回路要素１０は、他端が低電位入力端子Ｔｉｎ－に接続された共振コンデンサＣｒ０以外に、ｎ個に分割された共振コンデンサＣｒ１～Ｃｒｎを有する。ｋ番目（１～ｎ）の共振コンデンサＣｒｋの他端（バイパス端子Ｔｋ）は、Ｐｋ個の回路要素１０により位相差３６０°／ＰｋであるマルチフェーズＬＬＣコンバータを構成するように他の回路要素１０のｋ番目の共振コンデンサＣｒｋの他端（バイパス端子Ｔｋ）に接続されている。この場合、スイッチング電源装置１を構成する回路要素１０の総数Σは、上記の式(１)で表され、共振コンデンサＣｒ１～Ｃｒｎによる相互接続点の総数Σcは、以下の式(２)で表される。
【0030】
【数2】
【0031】
スイッチング電源装置１のΣ個の回路要素１０の全てが動作するときの共振周波数ωrは、以下の
式(３)で表される。
式(３)で表される。
【0032】
【数3】
【0033】
共振コンデンサＣｒ０～Ｃｒｎの容量が等しい場合の共振周波数ωrは、以下の
式(４)で表される。
式(４)で表される。
【0034】
【数4】
【0035】
回路要素１０の総数Σと相互接続点が一致するのは、式（１），（２）より以下の式（５）で示す条件となる。
【0036】
【数5】
【0037】
特に、回路要素１０を図１に示すようにモジュール化する際に、回路要素１０の総数Σと接続点を１：１に限定できる。
【0038】
回路要素１０は、共振コンデンサＣｒ０があることで、軽負荷時（出力電力が小さい時）に単相動作させることができる。しかし、単相動作の必要がない場合、共振コンデンサＣｒ０は、省略してもよい。共振コンデンサＣｒ０を省略することで、離れて設置されたＬＬＣコンバータのグランド電位が異なっていても、各ＬＬＣコンバータ間の電流バランスが取りやすくなる。
【0039】
共振コンデンサＣｒ０を省略した場合、スイッチング電源装置１のΣ個の回路要素１０の全てが動作するときの共振周波数ωrは、以下の式(６)で表される。
【0040】
【数6】
【0041】
また、共振コンデンサＣｒ１～Ｃｒｎの容量が等しい場合の共振周波数ωrは、以下の式(７)で表される。
【0042】
【数7】
【0043】
【0044】
回路要素１０ａは、第１スイッチ素子ＱＨと第２スイッチ素子ＱＬとの接続点に一端が接続された共振リアクトルＬｒ１～Ｌｒｍを備える。ここで、ｍは、２以上の自然数である。
回路要素１０ａは、共振リアクトルＬｒｑ（ｑは１～ｍの自然数）、トランスＴｒｑの１次巻線Ｎ１ｑ、及び、ｎ＋１個の共振コンデンサＣｒ０ｑ～Ｃｒｎｑを含む、ｍ個の共振回路を備える。
回路要素１０ａは、トランスＴｒｑの２次巻線Ｎ２ｑの電圧を整流平滑する同期整流素子ＳＲ１ｑ、ＳＲ２ｑ、及び、出力コンデンサＣｏｕｔｑを含む、ｍ個の整流平滑回路を備える。整流平滑回路は、センタータップ整流、ブリッジ整流、倍電圧整流、コックウォルトン整流などの整流方式を採用できる。
回路要素１０ａは、共振リアクトルＬｒｑ（ｑは１～ｍの自然数）、トランスＴｒｑの１次巻線Ｎ１ｑ、及び、ｎ＋１個の共振コンデンサＣｒ０ｑ～Ｃｒｎｑを含む、ｍ個の共振回路を備える。
回路要素１０ａは、トランスＴｒｑの２次巻線Ｎ２ｑの電圧を整流平滑する同期整流素子ＳＲ１ｑ、ＳＲ２ｑ、及び、出力コンデンサＣｏｕｔｑを含む、ｍ個の整流平滑回路を備える。整流平滑回路は、センタータップ整流、ブリッジ整流、倍電圧整流、コックウォルトン整流などの整流方式を採用できる。
【0045】
共振コンデンサＣｒ０ｑは、一端が共振リアクトルＬｒｑ、トランスＴｒｑの１次巻線Ｎ１ｑに直列に接続され、他端が低電位入力端子Ｔｉｎ－に接続されている。
【0046】
共振コンデンサＣｒ１ｑ～Ｃｒｎｑは、一端がいずれも共振リアクトルＬｒｑ、トランスＴｒｑの１次巻線Ｎ１ｑに直列に接続され、他端がそれぞれバイパス端子Ｔ１ｑ～Ｔｎｑに接続されている。ｋ番目（ｋは１～ｎの自然数）の共振コンデンサＣｒｋｑの他端（バイパス端子Ｔｋｑ）は、Ｐｋ個（Ｐｋは任意の自然数）の回路要素１０ａにより位相差３６０°／Ｐｋであるｋ次元のマルチフェーズＬＬＣコンバータを構成するように他の回路要素１０のｋ番目の共振コンデンサＣｒｋｑの他端（バイパス端子Ｔｋｑ）に接続される。
【0047】
単相動作の必要がない場合、回路要素１０ａの共振コンデンサＣｒ０１～Ｃｒ０ｍは、省略してもよい。図７は、回路要素１０ａから共振コンデンサＣｒ０１～Ｃｒ０ｍを省略した回路要素１０ｂである。
【0048】
回路要素１０ａ、１０ｂは、ｍ個の共振回路によって、電力拡大されることになる。ここで、共振リアクトルＬｒ１～Ｌｒｍを同一容量Ｌｒとし、流れる電流をｉとすると、共振リアクトルＬｒｑの磁束Φは、以下の式(８)で表される。
【0049】
【数8】
【0050】
図８及び図９は、共振リアクトルＬｒ１～Ｌｒｍを、参照符号“Ｌｒ／ｍ”で表される1個の共振リアクトルにまとめた回路要素１０ｃ及び回路要素１０ｄである。共振リアクトルＬｒ１～Ｌｒｍを同一容量Ｌｒとしたとき、共振リアクトル“Ｌｒ／ｍ”の容量は、前述のＬｒの１／ｍである。回路要素１０ｃは、図６に示す回路要素１０ａの共振リアクトルＬｒ１～Ｌｒｍを1個の共振リアクトル“Ｌｒ／ｍ”にまとめている。回路要素１０ｄは、図７に示す回路要素１０ｂの共振リアクトルＬｒ１～Ｌｒｍを共振リアクトル“Ｌｒ／ｍ”にまとめている。
【0051】
共振リアクトル“Ｌｒ／ｍ”を流れる電流は、共振リアクトルＬｒ１～Ｌｒｍを流れる電流iの合計であるため、ｍｉである。従って、共振リアクトル“Ｌｒ／ｍ”の共振リアクトルの磁束Φは、以下の式(９)で表され、式(８)で求められる磁束Φと同じとなる。
【0052】
【数9】
【0053】
すなわち、回路要素１０ｃ及び回路要素１０ｄの単位での共振リアクトルは、回路要素１０の共振リアクトルＬｒと同じである。従って、回路要素１０ｃで構成したスイッチング電源装置１において、Σ個の回路要素１０ｃの全てが動作するときの共振周波数ωrは、上記の式(３)、（４）と同じである。回路要素１０ｄで構成したスイッチング電源装置１において、Σ個の回路要素１０ｄの全てが動作するときの共振周波数ωrは、上記の式(６)、（７）と同じである。
【0054】
このように、回路要素１０ａ、１０ｂのｍ個の共振リアクトルＬｒ１～Ｌｒｍは、共振コンデンサＣｒ０１～Ｃｒ０ｍの有無に拘わらず、回路要素１０ｃ、１０ｄのように、１個の共振リアクトル“Ｌｒ／ｍ”に集約できる。回路要素１０ｃ、１０ｄの共振リアクトル“Ｌｒ／ｍ”の容量は、回路要素１０の共振リアクトルＬｒの容量の１／ｍでよい。従って、回路要素１０ｃ、１０ｄで構成したスイッチング電源装置１は、回路要素１０で構成した同一次元数のスイッチング電源装置１に対して、共振リアクトルの合計サイズを１/ｍにでき、合計重量も１/ｍにできる。すなわち、電力拡大にあたり、スイッチング電源装置１は、並列化するほど共振リアクトルＬｒを小さくでき、多次元化するほど共振コンデンサＣｒを小さくできる。電力が規定されている場合、スイッチング電源装置１は、並列化するほどトランスＴｒ１～Ｔｍを小さくでき、集積化に適し、部品サイズを小さくできる。
【0055】
図１０は、回路要素１０ａ～１０ｄの各共振回路をキューブで表現し、位相の異なるキューブを三種類の異なる濃度で表した、並列化の個数がｍである２次元三相三重ＬＬＣコンバータである。図１０を参照すると、回路要素１０ａ～１０ｄにおける共振回路の並列化は、次元数を１つ増やすことと同義であることが分かる。
【0056】
以上説明したように、本実施の形態は、共振回路が並列化されているハーフブリッジＬＬＣコンバータを回路要素１０ａ、１０ｂとして複数個（Σ個）備えている。回路要素１０ａ、１０ｂは、直流電源Ｖｉｎの正極と負極との間に直列に接続された第１スイッチ素子ＱＨ及び第２スイッチ素子ＱＬと、第１スイッチ素子ＱＨと前記第２スイッチ素子ＱＬとの接続点に一端が接続された共振リアクトルＬｒ、トランスＴｒの１次巻線Ｎ１、及び、ｎ個（ｎは２以上の自然数）の第１次共振コンデンサ（共振コンデンサＣｒ１）～第ｎ次共振コンデンサ（共振コンデンサＣｒｎ）、をそれぞれが含む、並列化されたｍ個（ｍは２以上の自然数）の共振回路と、を有する。並列化されたｑ番目（ｑは１～ｍの自然数）の共振回路の共振コンデンサＣｒｋｑ（ｋは１～ｎの自然数）は、一端が共振リアクトルＬｒｑ、トランスＴｒｑの１次巻線Ｎ１ｑに直列に接続されている。並列化されたｑ番目の共振回路の共振コンデンサＣｒｋｑは、他端がＰｋ個（Ｐｋは任意の自然数）の回路要素により位相差３６０°／Ｐｋであるｋ次元のマルチフェーズＬＬＣコンバータを構成するように他の回路要素１０ａ、１０ｂにおける並列化されたｑ番目の前記共振回路の共振コンデンサＣｒｋｑに接続されている。
この構成により、本実施の形態は、相補ゲートドライブ信号を回路要素１０ａ、１０ｂの総数Σよりも少なくでき、相補ゲートドライブ信号を増やすことがない。本実施の形態は、共振回路を並列化することで、回路要素１０ａ、１０ｂの大電力化を実現できる。本実施の形態は、回路要素１０の総数Σを増やし、各回路要素１０間の電流バランスを取って大電力化を実現できる。
この構成により、本実施の形態は、相補ゲートドライブ信号を回路要素１０ａ、１０ｂの総数Σよりも少なくでき、相補ゲートドライブ信号を増やすことがない。本実施の形態は、共振回路を並列化することで、回路要素１０ａ、１０ｂの大電力化を実現できる。本実施の形態は、回路要素１０の総数Σを増やし、各回路要素１０間の電流バランスを取って大電力化を実現できる。
【0057】
また、本実施の形態の回路要素１０ｃ、１０ｄは、共振回路（共振リアクトル“Ｌｒ／ｍ”を除く回路部分）が並列化されているハーフブリッジＬＬＣコンバータを回路要素１０ａ、１０ｂとして複数個（Σ個）備えている。回路要素１０ｃ、１０ｄは、直流電源Ｖｉｎの正極と負極との間に直列に接続された第１スイッチ素子ＱＨ及び第２スイッチ素子ＱＬと、第１スイッチ素子ＱＨと前記第２スイッチ素子ＱＬとの接続点に一端が接続された共振リアクトル“Ｌｒ／ｍ”と、共振リアクトル“Ｌｒ/ｍ”の他端に接続された、トランスＴｒの１次巻線Ｎ１、及び、ｎ個（ｎは２以上の自然数）の第１次共振コンデンサ（共振コンデンサＣｒ１）～第ｎ次共振コンデンサ（共振コンデンサＣｒｎ）、をそれぞれが含む、並列化されたｍ個（ｍは２以上の自然数）の共振回路と、を有する。並列化されたｑ番目（ｑは１～ｍの自然数）の共振回路の共振コンデンサＣｒｋｑ（ｋは１～ｎの自然数）は、一端が共振リアクトルＬｒｑ、トランスＴｒｑの１次巻線Ｎ１ｑに直列に接続されている。並列化されたｑ番目の共振回路の共振コンデンサＣｒｋｑは、他端がＰｋ個（Ｐｋは任意の自然数）の回路要素により位相差３６０°／Ｐｋであるｋ次元のマルチフェーズＬＬＣコンバータを構成するように他の回路要素１０ａ、１０ｂにおける並列化されたｑ番目の前記共振回路の共振コンデンサＣｒｋｑに接続されている。
この構成により、回路要素１０ｃ、１０ｄで構成したスイッチング電源装置１は、回路要素１０で構成した同一次元数のスイッチング電源装置１に対して、共振リアクトルの合計サイズを１/ｍにでき、合計重量も１/ｍにできる。すなわち、電力拡大にあたり、スイッチング電源装置１は、並列化するほど共振リアクトルＬｒを小さくでき、多次元化するほど共振コンデンサＣｒを小さくできる。
この構成により、回路要素１０ｃ、１０ｄで構成したスイッチング電源装置１は、回路要素１０で構成した同一次元数のスイッチング電源装置１に対して、共振リアクトルの合計サイズを１/ｍにでき、合計重量も１/ｍにできる。すなわち、電力拡大にあたり、スイッチング電源装置１は、並列化するほど共振リアクトルＬｒを小さくでき、多次元化するほど共振コンデンサＣｒを小さくできる。
【0058】
さらに、本実施の形態によれば、回路要素１０ａ～１０ｄの総数Σは、各次元に含まれる相数の積（Σ＝Ｐ１×Ｐ２×・・・×Ｐｎ）である。
この構成により、次元を増加させて回路要素０ａ～１０ｄの総数Σを指数的に増加させることができ、大電力化に対応することができる。
この構成により、次元を増加させて回路要素０ａ～１０ｄの総数Σを指数的に増加させることができ、大電力化に対応することができる。
【0059】
以上、本発明を具体的な実施形態で説明したが、上記実施形態は例であって、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更して実施できることは言うまでも無い。
上記実施形態では、各回路要素１０に共振リアクトルＬｒを物理的に設けたが、代替的に共振リアクトルＬｒは、トランスの漏れインダクタンスを利用したものであってもよい。
上記実施形態では、各回路要素１０に共振リアクトルＬｒを物理的に設けたが、代替的に共振リアクトルＬｒは、トランスの漏れインダクタンスを利用したものであってもよい。
【符号の説明】
【0060】
１ スイッチング電源装置
１０、１０ａ、１０ｂ、１０c、１０d 回路要素（ハーフブリッジＬＬＣコンバータ）
２０ 制御回路
３０ 選択信号生成回路
４１ 相選択回路
４２ 次元選択回路
Ｃｉｎ 入力コンデンサ
Ｃｏｕｔ 出力コンデンサ
Ｃｒ０～Ｃｒｎ 共振コンデンサ
Ｌｒ 共振リアクトル
Ｎ１ １次巻線
Ｎ２ ２次巻線
ＱＨ 第１スイッチ素子
ＱＬ 第２スイッチ素子
ＳＲ１、ＳＲ２ 同期整流素子
Ｔｒ トランス
Ｔ１～Ｔｎ バイパス端子
Ｔｉｎ＋ 高電位入力端子
Ｔｉｎ－ 低電位入力端子
Ｖｏｕｔ＋ 高電位出力端子
Ｖｏｕｔ－ 低電位出力端子
Ｖｉｎ 直流電源
１０、１０ａ、１０ｂ、１０c、１０d 回路要素（ハーフブリッジＬＬＣコンバータ）
２０ 制御回路
３０ 選択信号生成回路
４１ 相選択回路
４２ 次元選択回路
Ｃｉｎ 入力コンデンサ
Ｃｏｕｔ 出力コンデンサ
Ｃｒ０～Ｃｒｎ 共振コンデンサ
Ｌｒ 共振リアクトル
Ｎ１ １次巻線
Ｎ２ ２次巻線
ＱＨ 第１スイッチ素子
ＱＬ 第２スイッチ素子
ＳＲ１、ＳＲ２ 同期整流素子
Ｔｒ トランス
Ｔ１～Ｔｎ バイパス端子
Ｔｉｎ＋ 高電位入力端子
Ｔｉｎ－ 低電位入力端子
Ｖｏｕｔ＋ 高電位出力端子
Ｖｏｕｔ－ 低電位出力端子
Ｖｉｎ 直流電源
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】