特開2024-141142多レベル直流パルス電源、及び多レベル直流パルス電源の制御方法
(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】P2024141142
(43)【公開日】2024-10-10
(54)【発明の名称】多レベル直流パルス電源、及び多レベル直流パルス電源の制御方法
(51)【国際特許分類】
H02M 9/04 20060101AFI20241003BHJP
H02M 7/48 20070101ALI20241003BHJP
【ＦＩ】
H02M9/04 Z
H02M7/48 E
【審査請求】未請求
【請求項の数】10
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023052629
(22)【出願日】2023-03-29
(71)【出願人】
【識別番号】000001292
【氏名又は名称】株式会社京三製作所
(74)【代理人】
【識別番号】110001151
【氏名又は名称】あいわ弁理士法人
(72)【発明者】
【氏名】藤原 武
(72)【発明者】
【氏名】安達 俊幸
(72)【発明者】
【氏名】片渕 竜平
【テーマコード（参考）】
5H770
【Ｆターム（参考）】
5H770DA01
5H770DA17
5H770DA31
5H770DA46
5H770GA02
(57)【要約】
【課題】直流電源の直流電圧を選択して多レベル（マルチレベル）の直流パルス電圧を出力する場合に、直流電源の切り替え時における電圧レベルに起因するＬＣ共振回路の誤動作を解消する。
【解決手段】本発明の多レベル直流パルス電源、及びその制御方法は、直流電源の直流電圧を切り替える時点を、ＬＣ共振回路の供給時と回生時の電圧状態に対して適切なタイミングに設定する構成とし、及び制御することにより、ＬＣ共振回路の入力電圧と出力コンデンサの電圧との電圧関係において、直流電源の切り替え時に電圧レベルに起因するＬＣ共振回路の誤動作を抑制する。
【選択図】図１
【解決手段】本発明の多レベル直流パルス電源、及びその制御方法は、直流電源の直流電圧を切り替える時点を、ＬＣ共振回路の供給時と回生時の電圧状態に対して適切なタイミングに設定する構成とし、及び制御することにより、ＬＣ共振回路の入力電圧と出力コンデンサの電圧との電圧関係において、直流電源の切り替え時に電圧レベルに起因するＬＣ共振回路の誤動作を抑制する。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
多レベルの高周波パルス電圧を出力する多レベル直流パルス電源であり、
（ａ）多レベルの直流電圧を選択的に切り替えて出力する直流電源部と、
（ｂ）ＬＣ共振回路と当該ＬＣ共振回路の電流方向を切り替える双方向スイッチとを備え、前記直流電源部の直流電圧を高周波パルス電圧に変換する共振部と、
（ｃ）前記直流電源部が出力する直流電圧を切り替える第１の切り替え動作と、前記双方向スイッチを切り替える第２の切り替え動作を制御する制御部を備え、
（ｄ）前記制御部において、
（ｄ１）第１の切り替え動作は、前記ＬＣ共振回路に印加する直流電圧を切り替える動作であり、
（ｄ２）第２の切り替え動作は、前記ＬＣ共振回路の出力コンデンサに直流電圧を供給する供給動作と、前記出力コンデンサに蓄積される静電エネルギーを回生する回生動作とを切り替える動作であり、
（ｄ３）前記第１の切り替え動作時点は、前記第２の切り替え動作の前記回生動作時点と前記供給動作時点との間である、
多レベル直流パルス電源。
（ａ）多レベルの直流電圧を選択的に切り替えて出力する直流電源部と、
（ｂ）ＬＣ共振回路と当該ＬＣ共振回路の電流方向を切り替える双方向スイッチとを備え、前記直流電源部の直流電圧を高周波パルス電圧に変換する共振部と、
（ｃ）前記直流電源部が出力する直流電圧を切り替える第１の切り替え動作と、前記双方向スイッチを切り替える第２の切り替え動作を制御する制御部を備え、
（ｄ）前記制御部において、
（ｄ１）第１の切り替え動作は、前記ＬＣ共振回路に印加する直流電圧を切り替える動作であり、
（ｄ２）第２の切り替え動作は、前記ＬＣ共振回路の出力コンデンサに直流電圧を供給する供給動作と、前記出力コンデンサに蓄積される静電エネルギーを回生する回生動作とを切り替える動作であり、
（ｄ３）前記第１の切り替え動作時点は、前記第２の切り替え動作の前記回生動作時点と前記供給動作時点との間である、
多レベル直流パルス電源。
【請求項2】
前記制御部が出力する制御信号は、
前記第１の切り替え動作において、多レベルの直流電圧を選択的に出力するスイッチング素子を切り替える電圧切替信号であり、
前記第２の切り替え動作において、前記双方向スイッチの一方のスイッチング素子を制御する前記供給動作の供給切替信号と、前記双方向スイッチの他方のスイッチング素子を制御する前記回生動作の回生切替信号であり、
前記電圧切替信号の設定時点は、前記回生切替信号から前記ＬＣ共振回路の時定数が経過した時点と、その後の供給切替信号の立ち上がり時点との間の期間内である、
請求項１に記載の多レベル直流パルス電源。
前記第１の切り替え動作において、多レベルの直流電圧を選択的に出力するスイッチング素子を切り替える電圧切替信号であり、
前記第２の切り替え動作において、前記双方向スイッチの一方のスイッチング素子を制御する前記供給動作の供給切替信号と、前記双方向スイッチの他方のスイッチング素子を制御する前記回生動作の回生切替信号であり、
前記電圧切替信号の設定時点は、前記回生切替信号から前記ＬＣ共振回路の時定数が経過した時点と、その後の供給切替信号の立ち上がり時点との間の期間内である、
請求項１に記載の多レベル直流パルス電源。
【請求項3】
前記ＬＣ共振回路は、前記直流電源部に並列接続された電源コンデンサ及び出力端に並列接続された出力コンデンサと、前記電源コンデンサと前記出力コンデンサとの間に直列接続されたリアクトルを含むπ型ＬＣ回路であり、前記回生動作の回生先は前記ＬＣ共振回路の電源コンデンサである、
請求項１又は２に記載の多レベル直流パルス電源。
請求項１又は２に記載の多レベル直流パルス電源。
【請求項4】
前記ＬＣ共振回路は、入力端と出力端の間に直列接続されたリアクトルと、出力端に並列接続された出力コンデンサとを含むＬ型ＬＣ回路であり、前記回生動作の回生先は前記直流電源部である、
請求項１又は２に記載の多レベル直流パルス電源。
請求項１又は２に記載の多レベル直流パルス電源。
【請求項5】
前記双方向スイッチは、スイッチング素子とダイオードの第１の直列回路と、スイッチング素子とダイオードの第２の直列回路との並列接続を備え、
第１の直列回路のダイオードと第２の直列回路のダイオードの導通方向は互いに逆方向である、
請求項１又は２に記載の多レベル直流パルス電源。
第１の直列回路のダイオードと第２の直列回路のダイオードの導通方向は互いに逆方向である、
請求項１又は２に記載の多レベル直流パルス電源。
【請求項6】
前記双方向スイッチは、スイッチング素子とダイオードとリアクトルの第１の直列回路と、スイッチ素子とダイオードとリアクトルの第２の直列回路との並列接続を備え、
第１の直列回路のダイオードと第２の直列回路のダイオードの導通方向は互いに逆方向である、
請求項１又は２に記載の多レベル直流パルス電源。
第１の直列回路のダイオードと第２の直列回路のダイオードの導通方向は互いに逆方向である、
請求項１又は２に記載の多レベル直流パルス電源。
【請求項7】
スイッチング素子と抵抗の直列回路をさらに備え、当該直列回路は、前記出力コンデンサに並列接続され、
前記制御部は、前記回生動作中に前記並列接続されたスイッチング素子をオン状態に切り替える、
請求項１又は２に記載の多レベル直流パルス電源。
前記制御部は、前記回生動作中に前記並列接続されたスイッチング素子をオン状態に切り替える、
請求項１又は２に記載の多レベル直流パルス電源。
【請求項8】
前記直流電源部は、
複数の直流電圧源と、当該複数の直流電圧源を選択的に切り替えるスイッチング素子を備える構成、
又は、
単一の直流電圧源と、当該単一の直流電圧源から複数レベルの電圧を生成する電圧生成回路を備える構成である、
請求項１に記載の多レベル直流パルス電源。
複数の直流電圧源と、当該複数の直流電圧源を選択的に切り替えるスイッチング素子を備える構成、
又は、
単一の直流電圧源と、当該単一の直流電圧源から複数レベルの電圧を生成する電圧生成回路を備える構成である、
請求項１に記載の多レベル直流パルス電源。
【請求項9】
多レベルの直流電圧を選択的に切り替えて出力する直流電源部と、ＬＣ共振回路と当該ＬＣ共振回路の電流方向を切り替える双方向スイッチとを含み、前記直流電源部の直流電圧を高周波パルス電圧に変換する共振部とを備え、多レベルの高周波パルス電圧を出力する多レベル直流パルス電源の制御方法であり、
（ａ）前記直流電源部が出力する直流電圧を切り替える第１の切り替え動作の制御と、
（ｂ）前記双方向スイッチを切り替える第２の切り替え動作の制御と
を備え、
（ｃ）前記第１の切り替え動作の制御は、ＬＣ共振回路に印加する直流電圧を切り替える動作の制御であり、
（ｄ）前記第２の切り替え動作は、前記ＬＣ共振回路の出力コンデンサに直流電圧を供給する供給動作と、前記出力コンデンサに蓄積される静電エネルギーを回生する回生動作とを切り替える動作の制御であり、
（ｅ）前記第１の切り替え動作時点は、前記第２の切り替え動作の前記回生動作時点と前記供給動作時点との間である、
多レベル直流パルス電源の制御方法。
（ａ）前記直流電源部が出力する直流電圧を切り替える第１の切り替え動作の制御と、
（ｂ）前記双方向スイッチを切り替える第２の切り替え動作の制御と
を備え、
（ｃ）前記第１の切り替え動作の制御は、ＬＣ共振回路に印加する直流電圧を切り替える動作の制御であり、
（ｄ）前記第２の切り替え動作は、前記ＬＣ共振回路の出力コンデンサに直流電圧を供給する供給動作と、前記出力コンデンサに蓄積される静電エネルギーを回生する回生動作とを切り替える動作の制御であり、
（ｅ）前記第１の切り替え動作時点は、前記第２の切り替え動作の前記回生動作時点と前記供給動作時点との間である、
多レベル直流パルス電源の制御方法。
【請求項10】
前記第１の切り替え動作は、電圧切替信号によって、レベルの直流電圧を選択的に切り替え、
前記第２の切り替え動作は、前記供給動作の供給切替信号によって前記双方向スイッチの一方のスイッチング素子を切り替え、前記回生動作の回生切替信号によって前記双方向スイッチの他方のスイッチング素子を切り替え、
前記電圧切替信号の設定時点は、回生切替信号から前記ＬＣ共振回路の時定数が経過した時点と、その後の供給切替信号の立ち上がり時点との間の期間内である、
請求項９に記載の多レベル直流パルス電源の制御方法。
前記第２の切り替え動作は、前記供給動作の供給切替信号によって前記双方向スイッチの一方のスイッチング素子を切り替え、前記回生動作の回生切替信号によって前記双方向スイッチの他方のスイッチング素子を切り替え、
前記電圧切替信号の設定時点は、回生切替信号から前記ＬＣ共振回路の時定数が経過した時点と、その後の供給切替信号の立ち上がり時点との間の期間内である、
請求項９に記載の多レベル直流パルス電源の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、直流パルス電源及び直流パルス電源の制御方法に関し、負荷に対して多レベルの高周波パルス電圧を供給する多レベル直流パルス電源、及び多レベル直流パルス電源の制御方法に関する。
【背景技術】
【0002】
半導体デバイスの製造工程において、高精度のプロセス制御が容易であるという利点から、成膜処理、エッチング処理、アッシング処理などにおいてプラズマ処理装置が用いられている。このプラズマ処理装置では、高周波プラズマに対してパルス状の直流電力を印加する電源として直流パルス電源が用いられる。
【0003】
直流パルス電源では数百Ｖ～数ｋＶ程度の波高値の高電圧パルスを生成する必要がある。特許文献１～特許文献３には、コンデンサとリアクトルのＬＣ共振回路と半導体スイッチとで構成される充放電回路により直流パルス電圧を生成するパルス電源が開示され、特許文献２には多レベルの直流パルス電圧を生成するパルス電源が開示されている。
【0004】
特許文献１には、直流電源と２つのスイッチング素子を備え、容量性負荷と、スイッチ素子とコンデンサとリアクトルを含む充放電回路とによりＬＣ共振回路を構成し、２つのスイッチング素子を相補的にオン／オフさせることで容量性負荷とコンデンサとの間で電荷を移動させて負極性の直流パルス電圧を生成することが開示されている。また、特許文献１には容量性負荷に蓄積されたエネルギーを電源装置側に回生する構成も開示されている。
【0005】
特許文献２には、直流パルス電圧の２つの電圧レベルを供給する基本電圧生成部と、直流パルス電圧を２つの電圧レベル間で立ち上げ及び立ち下げる共振駆動部とを備える構成が記載されている。基本電圧生成部は、電源投入時等の過大な突入電流による素子破壊を防ぐために限流抵抗を備える。特許文献２には、この限流抵抗による電力損失、及び直流パルス電圧の立ち上がり立ち下がり特性を改善するために、共振電流により充電される出力コンデンサの充電電圧が基本電圧生成部の所定電位と等しいとき、及び共振電流により放電される出力コンデンサの充電電圧が接地電位と等しいときに基本電圧生成部と共振駆動部との切り替え動作を行うことが開示されている。また、特許文献２には可変電圧レベルの直流パルス電圧を生成する構成も開示されている。
【0006】
特許文献３には、スイッチング素子の切り替え制御のための電圧検出手段や複雑な制御が必要となる特許文献２の課題に対して、ＬＣ共振動作時に共振電流を供給する２つのスイッチング素子からなる共振レグ回路と、電圧出力端に電源電圧又は接地電位を選択に出力する２つのスイッチング素子からなる主レグ回路とを備え、主レグ回路によりスイッチング動作により共振波形の立ち上がり及び立ち下がりのスロープの一部を用いた部分共振によって立ち上がり及び立ち下がりの高速化を図ることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
【特許文献1】特開２０１８－１０７９０４号公報
【特許文献2】特許第６６１３４１１号公報
【特許文献3】特許第６８１０３１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
特許文献１及び特許文献３に示されるパルス電源装置は、１つの所定電圧と接地電位との間の電位差によって、単一レベルの直流パルス電圧を出力している。
【0009】
プラズマを励起する際、単一レベルの直流パルス電圧をプラズマ負荷に供給する態様の他に、所定電圧を複数種類設けて、パルスレベルが異なる多レベル（マルチレベル）の直流パルス電圧を供給する態様が知られている。
【0010】
単一レベルの直流パルス電圧を生成する直流パルス電源では、直流電源は１つの直流電圧を出力する。これに対して、多レベル（マルチレベル）の直流パルス電圧を生成する直流パルス電源では、異なる直流電圧を選択的に切り替えて出力する。
【0011】
本願の発明者は、選択された直流電圧を用いて多レベル（マルチレベル）の直流パルス電圧を生成する直流パルス電源は、１つの直流電圧を用いて単一レベルの直流パルス電圧を生成する単一レベルの直流パルス電源では想定されない動作上の課題があることを見出した。
【0012】
ＬＣ共振回路において、直流電源から供給される１つの直流電圧による電圧状態と、直流電源から供給される複数種の直流電圧の中から選択されたて直流電圧による電圧状態とは、直流電圧の切り替えに起因して異なる。
【0013】
より詳細には、単一レベルの直流パルス電圧する場合には、ＬＣ共振回路のコンデンサの充電電圧と直流電源の直流電圧は同一の電圧レベルであるのに対して、直流電源の直流電圧を選択して多レベル（マルチレベル）の直流パルス電圧を出力する場合には、ＬＣ共振回路のコンデンサの充電電圧と直流電源の直流電圧とは、直流電源の切り替え時における切り替え状態によってＬＣ共振回路のコンデンサの充電電圧と直流電源の直流電圧は異なる電圧レベルとなる。この切り替え時における電圧レベルの異同は、ＬＣ共振回路の動作において誤動作の要因となるという課題がある。
【0014】
切り替え時における電圧レベルの異同に起因する誤動作として、例えばプラズマ負荷に負電圧を供給する供給動作においてピーク形状の正電圧が供給される誤動作や、不十分な回生動作により零電圧への回帰が不完全となる誤動作などがある。
【0015】
特許文献２中の図７には、出力電圧を異にする３つの直流電圧源を備え、直流電源の直流電圧を選択して３レベルの直流パルス電圧を生成する構成例が開示されている。しかしながら、特許文献２には、直流電源の直流電圧の選択時において電圧レベルに相違が生じること、及びこの電圧レベルの相違がＬＣ共振回路の誤動作の要因となるということについて何ら開示されていない。
【0016】
本発明は前記した従来の課題を解決して、直流電源の直流電圧を選択して多レベル（マルチレベル）の直流パルス電圧を出力する場合に、直流電源の切り替え時における電圧レベルに起因するＬＣ共振回路の誤動作を解消することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0017】
本発明の多レベル直流パルス電源、及びその制御方法は、直流電源の電圧レベルが異なる直流電圧を切り替える時点を、ＬＣ共振回路の供給時の電圧状態と回生時の電圧状態の各電圧状態に対して適切なタイミングに設定することにより、ＬＣ共振回路の入力電圧と出力コンデンサの電圧との電圧関係において、直流電源の切り替え時に電圧レベルに起因するＬＣ共振回路の誤動作を抑制する。
【0018】
本発明は多レベル直流パルス電源の態様Ａ、及び多レベル直流パルス電源の制御方法の態様Ｂを備える。
【0019】
（Ａ：多レベル直流パルス電源）
本発明の多レベル直流パルス電源は、多レベルの高周波パルス電圧を出力する多レベル直流パルス電源であり、
（ａ）多レベルの直流電圧を選択的に切り替えて出力する直流電源部と、
（ｂ）直流電源部の直流電圧を高周波パルス電圧に変換する共振部と、
（ｃ）切り替え動作を制御する制御部と
を備える。
本発明の多レベル直流パルス電源は、多レベルの高周波パルス電圧を出力する多レベル直流パルス電源であり、
（ａ）多レベルの直流電圧を選択的に切り替えて出力する直流電源部と、
（ｂ）直流電源部の直流電圧を高周波パルス電圧に変換する共振部と、
（ｃ）切り替え動作を制御する制御部と
を備える。
【0020】
本発明の共振部は、ＬＣ共振回路とこのＬＣ共振回路の電流方向を切り替える双方向スイッチとを備え、制御部は直流電源部が出力する直流電圧の電圧レベルを切り替える第１の切り替え動作と、前記双方向スイッチを切り替える第２の切り替え動作を制御する。
（ｄ）制御部の切り替え動作の制御において、
（ｄ１）第１の切り替え動作は直流電源部での切り替え動作であり、直流電源部からＬＣ共振回路に印加する直流電圧の電圧レベルを切り替える動作である。
（ｄ２）第２の切り替え動作はＬＣ共振回路での切り替え動作であり、ＬＣ共振回路の出力コンデンサに直流電圧を供給する供給動作と、出力コンデンサに蓄積される静電エネルギーを回生する回生動作とを切り替える動作である。
（ｄ３）制御部は、第１の切り替え動作の時点が、第２の切り替え動作の回生動作時点における供給動作時点との間の時点となるように制御する。
（ｄ）制御部の切り替え動作の制御において、
（ｄ１）第１の切り替え動作は直流電源部での切り替え動作であり、直流電源部からＬＣ共振回路に印加する直流電圧の電圧レベルを切り替える動作である。
（ｄ２）第２の切り替え動作はＬＣ共振回路での切り替え動作であり、ＬＣ共振回路の出力コンデンサに直流電圧を供給する供給動作と、出力コンデンサに蓄積される静電エネルギーを回生する回生動作とを切り替える動作である。
（ｄ３）制御部は、第１の切り替え動作の時点が、第２の切り替え動作の回生動作時点における供給動作時点との間の時点となるように制御する。
【0021】
本発明の制御部は、直流電源部及びＬＣ共振回路の切り替え動作を制御する制御信号を出力する。制御部が出力する制御信号は、第１の切り替え動作において、多レベルの直流電圧の電圧レベルを選択的に切替えるスイッチ素子の電圧切替信号、及び第２の切り替え動作において、双方向スイッチを制御して供給動作と回生動作とを切替える切り替え信号を含んでいる。
【0022】
第２の切り替え動作において、双方向スイッチを制御する切り替え信号は、双方向スイッチの一方のスイッチング素子を制御して供給動作に切り替えるための供給切替信号と、双方向スイッチの他方のスイッチング素子を制御して回生動作に切り替えるための回生切替信号を備える。
【0023】
第１の切り替え動作の電圧切替信号の設定時点は、第２の切り替え動作において回生切替信号からＬＣ共振回路の時定数が経過した時点と、その後の供給切替信号の立ち上がり時点との間の期間内のタイミングである。第１の切り替え動作時点の動作時点が第２の切り替え動作のこの期間内のタイミングとなるように設定する。第１の切り替え動作をこの第２の切り替え動作で設定した上記期間内で行うことにより、直流電源の切り替え時における電圧レベルの変化に起因するＬＣ共振回路の誤動作を解消する。
【0024】
（ＬＣ共振回路の構成）
本発明のＬＣ共振回路は、π型ＬＣ回路あるいはＬ型ＬＣ回路により構成される。
π型ＬＣ回路は、直流電源部に並列接続された電源コンデンサ、及び出力端に並列接続された出力コンデンサと、電源コンデンサと出力コンデンサとの間に直列接続されたリアクトルにより構成される。このπ型ＬＣ共振回路では、回生動作において出力コンデンサに蓄積された静電エネルギーは電源コンデンサに回生される。
本発明のＬＣ共振回路は、π型ＬＣ回路あるいはＬ型ＬＣ回路により構成される。
π型ＬＣ回路は、直流電源部に並列接続された電源コンデンサ、及び出力端に並列接続された出力コンデンサと、電源コンデンサと出力コンデンサとの間に直列接続されたリアクトルにより構成される。このπ型ＬＣ共振回路では、回生動作において出力コンデンサに蓄積された静電エネルギーは電源コンデンサに回生される。
【0025】
Ｌ型ＬＣ回路は、入力端と出力端の間に直列接続されたリアクトルと、出力端に並列接続された出力コンデンサとにより構成される直列ＬＣ型回路である。このＬ型ＬＣ共振回路では、回生動作において出力コンデンサに蓄積された静電エネルギーは直流電源に回生される。
【0026】
出力コンデンサに蓄積される静電エネルギーを解放する補助的機構として、スイッチング素子と抵抗の直列回路を出力コンデンサに対して並列接続させる構成としても良い。回生動作中において出力コンデンサに並列接続されたスイッチング素子をオン状態に切り替えることによって、回生動作で十分に回生されずに残余する出力コンデンサの静電エネルギーを抵抗で消費させる。抵抗によって出力コンデンサの静電エネルギーを零状態とし、ＬＣ共振回路の共振動作の継続的な繰り返しを担保する。
【0027】
（双方向スイッチ）
双方向スイッチは、複数の形態で構成することができる。双方向スイッチの一構成は、スイッチング素子とダイオードの第１の直列回路と、スイッチング素子とダイオードの第２の直列回路との並列接続を備える。並列接続される第１の直列回路のダイオードと第２の直列回路のダイオードの導通方向は互いに逆方向である。双方向スイッチの両方のスイッチング素子を切り替えることより電流方向を切り替える。
双方向スイッチは、複数の形態で構成することができる。双方向スイッチの一構成は、スイッチング素子とダイオードの第１の直列回路と、スイッチング素子とダイオードの第２の直列回路との並列接続を備える。並列接続される第１の直列回路のダイオードと第２の直列回路のダイオードの導通方向は互いに逆方向である。双方向スイッチの両方のスイッチング素子を切り替えることより電流方向を切り替える。
【0028】
双方向スイッチの他の構成は、スイッチング素子とダイオードとリアクトルの第１の直列回路と、スイッチ素子とダイオードとリアクトルの第２の直列回路との並列接続を備える。並列接続される第１の直列回路のダイオードと第２の直列回路のダイオードの導通方向は互いに逆方向である。双方向スイッチの両方のスイッチング素子を切り替えることより電流方向を切り替える。この双方向スイッチは、第１の直列回路と第２の直列回路がそれぞれ備えるリアクトルのインダクタ値を同一とする構成に限らず、異なるインダクタ値とする構成としてもよい。リアクトルのインダクタ値をそれぞれ個別の値とすることにより、供給動作及び回生動作の時定数を個別に設定することができる。
【0029】
（直流電源部）
本発明の直流電源部は複数の形態で構成することができる。直流電源部の一構成は、電圧レベルが異なる複数の直流電圧源と、この複数の直流電圧源を選択的に切り替えるスイッチング素子を備える。直流電源部の他の構成は、単一の直流電圧源と、この単一の直流電圧源から複数の電圧レベルを生成する電圧生成回路を備える。
本発明の直流電源部は複数の形態で構成することができる。直流電源部の一構成は、電圧レベルが異なる複数の直流電圧源と、この複数の直流電圧源を選択的に切り替えるスイッチング素子を備える。直流電源部の他の構成は、単一の直流電圧源と、この単一の直流電圧源から複数の電圧レベルを生成する電圧生成回路を備える。
【0030】
（Ｂ：多レベル直流パルス電源の制御方法）
本発明の多レベル直流パルス電源は、多レベルの直流電圧を選択的に切り替えて出力する直流電源部と、直流電源部の直流電圧を高周波パルス電圧に変換する共振部とを備え、共振部は、ＬＣ共振回路とこのＬＣ共振回路の電流方向を切り替える双方向スイッチとを備える。本発明の多レベル直流パルス電源の制御方法は、この多レベル直流パルス電源の多レベルの直流電圧の選択的な切り替え、及びＬＣ共振回路の電流方向を切り替えを制御し、多レベルの高周波パルス電圧を出力する。
本発明の多レベル直流パルス電源は、多レベルの直流電圧を選択的に切り替えて出力する直流電源部と、直流電源部の直流電圧を高周波パルス電圧に変換する共振部とを備え、共振部は、ＬＣ共振回路とこのＬＣ共振回路の電流方向を切り替える双方向スイッチとを備える。本発明の多レベル直流パルス電源の制御方法は、この多レベル直流パルス電源の多レベルの直流電圧の選択的な切り替え、及びＬＣ共振回路の電流方向を切り替えを制御し、多レベルの高周波パルス電圧を出力する。
【0031】
本発明の制御方法は、
（ａ）直流電源部が出力する直流電圧の電圧レベルを切り替える第１の切り替え動作の制御と、
（ｂ）双方向スイッチを切り替える第２の切り替え動作の制御と
を備える。そして、
（ｃ）第１の切り替え動作の制御は、ＬＣ共振回路に印加する直流電圧の電圧レベルを切り替える動作の制御である。
（ｄ）第２の切り替え動作は、ＬＣ共振回路の出力コンデンサに直流電圧を供給する供給動作と、出力コンデンサに蓄積される静電エネルギーを回生する回生動作とを切り替える動作の制御である。
（ｅ）第１の切り替え動作時点は、第２の切り替え動作の回生動作時点と供給動作時点との間である。
（ａ）直流電源部が出力する直流電圧の電圧レベルを切り替える第１の切り替え動作の制御と、
（ｂ）双方向スイッチを切り替える第２の切り替え動作の制御と
を備える。そして、
（ｃ）第１の切り替え動作の制御は、ＬＣ共振回路に印加する直流電圧の電圧レベルを切り替える動作の制御である。
（ｄ）第２の切り替え動作は、ＬＣ共振回路の出力コンデンサに直流電圧を供給する供給動作と、出力コンデンサに蓄積される静電エネルギーを回生する回生動作とを切り替える動作の制御である。
（ｅ）第１の切り替え動作時点は、第２の切り替え動作の回生動作時点と供給動作時点との間である。
【0032】
本発明の制御方法は、直流電源部の切り替え動作及びＬＣ共振回路の切り替え動作を、制御信号を用いて制御する。
【0033】
ＬＣ共振回路に印加する直流電圧の電圧レベルを切り替える第１の切り替え動作は、電圧切替信号によって電圧レベルが異なる直流電源を選択的に切り替える動作、あるいは直流電源部が生成する直流電源の電圧レベルを選択的に切り替える動作である。
ＬＣ共振回路の供給動作と回生動作を切り替える第２の切り替え動作は、供給動作の供給切替信号によって双方向スイッチの導通方向を負荷側方向に切り替え、回生動作の回生切替信号によって双方向スイッチの導通方向を電源側方向に切り替える動作である。
ＬＣ共振回路の供給動作と回生動作を切り替える第２の切り替え動作は、供給動作の供給切替信号によって双方向スイッチの導通方向を負荷側方向に切り替え、回生動作の回生切替信号によって双方向スイッチの導通方向を電源側方向に切り替える動作である。
【0034】
第１の切り替え動作の電圧切替信号の設定時点は、第２の切り替え動作において回生切替信号からＬＣ共振回路の時定数の時間が経過した時点と、その後の供給切替信号の立ち上がり時点との間の期間内に設定される。この第２の切り替え動作での期間内において第１の切り替え動作の電圧切替信号を設定することにより、直流電源の切り替え時における電圧レベルに起因するＬＣ共振回路の誤動作を解消する。
【発明の効果】
【0035】
以上説明したように、本発明によれば、直流電源の直流電圧の電圧レベルを選択して多レベル（マルチレベル）の直流パルス電圧を出力する場合に、直流電源の切り替え時における電圧レベルに起因するＬＣ共振回路の誤動作を解消することができる。
【図面の簡単な説明】
【0036】
【図1】本発明の多レベル直流パルス電源の第１構成例の概略図である。
【図2】多レベル直流パルス電源の正常に制御されている時の各部信号、及び電圧波形を示す図である。
【図3】電源コンデンサの電圧Ｖｃが電圧レベルＶ１から電圧レベルＶ２に切り替わる時の各部信号、電圧波形を示す図である。
【図4】電源コンデンサの電圧Ｖｃが電圧レベルＶ１から電圧レベルＶ２に切り替わる時の各部信号、電圧波形の要部を示す図である。
【図6】電源コンデンサの電圧Ｖｃが電圧レベルＶ２から電圧レベルＶ１に切り替わる時の各部信号、電圧波形の一部を示す図である。
【図7】電源コンデンサの電圧Ｖｃが電圧レベルＶ２から電圧レベルＶ１に切り替わる時の各部信号、電圧波形の要部を示す図である。
【図9】制御部の第１の構成例を説明するための図である。
【図10】制御部の第１の構成例の動作例を説明するための図である。
【図11】制御部の第２、３の構成例を説明するための図である。
【図12】制御部の第２の構成例の動作例を説明するための図である。
【図13】制御部の第３の構成例の動作例を説明するための図である。
【図14】誤制御時の各部信号、及び電圧波形を説明するための図である。
【図15】電圧レベルＶ１から電圧レベルＶ２への切り替え時の誤制御の態様における各部信号、電圧波形の要部を示す図である。
【図16】電圧レベルＶ１から電圧レベルＶ２への切り替え時の誤制御の態様における動作状態を説明するための図である。
【図17】電圧レベルＶ１から電圧レベルＶ２への切り替え時の誤制御の態様における各部信号、電圧波形の要部を示す図である。
【図18】電圧レベルＶ１から電圧レベルＶ２への切り替え時の誤制御の態様における動作状態を説明するための図である。
【図19】電圧レベルＶ１から電圧レベルＶ２への切り替え時の誤制御の態様における各部信号、電圧波形の要部を示す図である。
【図20】電圧レベルＶ１から電圧レベルＶ２への切り替え時の誤制御の態様における動作状態を説明するための図である。
【図21】電圧レベルＶ１から電圧レベルＶ２への切り替え時の誤制御の態様における各部信号、電圧波形の要部を示す図である。
【図22】電圧レベルＶ１から電圧レベルＶ２への切り替え時の誤制御の態様における動作状態を説明するための図である。
【図23】電圧レベルＶ２から電圧レベルＶ１への切り替え時の誤制御の態様における各部信号、電圧波形の要部を示す図である。
【図24】電圧レベルＶ２から電圧レベルＶ１への切り替え時の誤制御の態様における動作状態を説明するための図である。
【図25】電圧レベルＶ２から電圧レベルＶ１への切り替え時の誤制御の態様における各部信号、電圧波形の要部を示す図である。
【図26】電圧レベルＶ２から電圧レベルＶ１への切り替え時の誤制御の態様における動作状態を説明するための図である。
【図27】電圧レベルＶ２から電圧レベルＶ１への切り替え時の誤制御の態様における各部信号、電圧波形の要部を示す図である。
【図28】電圧レベルＶ２から電圧レベルＶ１への切り替え時の誤制御の態様における動作状態を説明するための図である。
【図29】電圧レベルＶ２から電圧レベルＶ１への切り替え時の誤制御の態様における各部信号、電圧波形の要部を示す図である。
【図30】電圧レベルＶ２から電圧レベルＶ１への切り替え時の誤制御の態様における動作状態を説明するための図である。
【図31】多レベル直流パルス電源の第２構成例を示す図である。
【図32】多レベル直流パルス電源の第３構成例を示す図である。
【図33】多レベル直流パルス電源の第４構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0037】
（１）多レベル直流パルス電源の第１構成例、及び各部信号、電圧波形
図１は本発明の多レベル直流パルス電源１の第１構成例の概略図である。
本発明の多レベル直流パルス電源１は、直流のパルス電圧を負荷５に供給する電源装置である。負荷５は例えばプラズマ負荷のような容量負荷であり、図１では負荷容量ＣＥのコンデンサ５１で表している。負荷５がプラズマ負荷の場合には、多レベル直流パルス電源１は負の直流パルス電圧を供給する。
図１は本発明の多レベル直流パルス電源１の第１構成例の概略図である。
本発明の多レベル直流パルス電源１は、直流のパルス電圧を負荷５に供給する電源装置である。負荷５は例えばプラズマ負荷のような容量負荷であり、図１では負荷容量ＣＥのコンデンサ５１で表している。負荷５がプラズマ負荷の場合には、多レベル直流パルス電源１は負の直流パルス電圧を供給する。
【0038】
多レベル直流パルス電源１は、直流電源部２、共振部３、及び制御部４を備え、直列接続された直流電源部２と共振部３は、直流パルス電圧を生成し負荷５に供給する。
【0039】
直流電源部２は、多レベルの直流電圧を選択的に切り替えて出力する電源部である。図１では、電圧レベルが異なる２つの直流電源として、電圧レベルがＶ１の直流電源２１と、電圧レベルがＶ２の直流電源２２を備え、スイッチング素子ＳＷ２によって２つの直流電源２１，２２の直流電圧を選択的に出力する。スイッチング素子ＳＷ２は、電圧切替信号ＱＨ，ＱＬにより切り替えを行う。電圧切替信号ＱＨによる切り替えによって直流電源２１の電圧Ｖ１が出力され、電圧切替信号ＱＬによる切り替えによって直流電源２２の電圧Ｖ２が出力される。
【0040】
なお、図１では選択的に出力される電圧レベルがＶ１とＶ２の２つの電圧レベルの例を示しているが、本発明の直流電源部２が出力する電圧レベルは、２つの電圧レベルに限らず３以上の電圧レベルとしても良い。電圧レベルを３以上とする場合には、各電圧レベルの直流電源を備え、これらの直流電源をスイッチング素子ＳＷ２によって切り替えることによって選択的に出力する。
【0041】
また、直流電源部２の他の構成として、１つの直流電源の電圧から複数の電圧レベルの電圧を生成する構成としてもよい。複数の電圧レベルの電圧を生成する構成は、分圧回路や昇圧回路等の任意の回路構成を適用して構成することができる。
【0042】
共振部３は、直流電源部２の直流電圧を高周波パルス電圧に変換し、変換した高周波パルス電圧を負荷５に供給する。共振部３は、ＬＣ共振回路ＲＥＳとこのＬＣ共振回路ＲＥＳの電流方向を切り替える双方向スイッチＳＷ１とを備える。
【0043】
図１に示されるＬＣ共振回路ＲＥＳは、π型ＬＣ回路の構成例を示している。
ＬＣ共振回路ＲＥＳは、直流電源部２に並列接続された電源コンデンサ３１、出力端に並列接続された出力コンデンサ３２、及び電源コンデンサ３１と出力コンデンサ３２との間に直列接続されたリアクトル３３により構成されるπ型ＬＣ回路である。ここでは、電源コンデンサ３１の容量をＣ１で表し、出力コンデンサ３２の容量をＣ２で表している。
ＬＣ共振回路ＲＥＳは、直流電源部２に並列接続された電源コンデンサ３１、出力端に並列接続された出力コンデンサ３２、及び電源コンデンサ３１と出力コンデンサ３２との間に直列接続されたリアクトル３３により構成されるπ型ＬＣ回路である。ここでは、電源コンデンサ３１の容量をＣ１で表し、出力コンデンサ３２の容量をＣ２で表している。
【0044】
このπ型ＬＣ回路において、電源コンデンサ３１には直流電源部２から供給された直流電圧の電圧Ｖ１、Ｖ２により静電エネルギーが蓄電される。電源コンデンサ３１に蓄電された静電エネルギーは、共振動作によりリアクトル３３を介して出力コンデンサ３２との間で入れ替わりが行われる。
【0045】
双方向スイッチＳＷ１は、供給切替信号ＱＰ１によってオン／オフが制御されるスイッチング素子とダイオードＤ１の直列回路、及び回生切替信号ＱＰ２によってオン／オフが制御されるスイッチング素子とダイオードＤ２の直列回路が並列接続された構成であり、電源コンデンサ３１とリアクトル３３との間に接続される。
【0046】
ダイオードＤ１は、出力コンデンサ３２から電源コンデンサ３１に向かう方向を順方向として接続され、ダイオードＤ２は電源コンデンサ３１から出力コンデンサ３２に向かう方向を順方向として接続される。図１に示す回路では、直流電源２１、２２は正電圧側を接地して共振部３に対して負電圧を供給し、負荷５に負電圧を印加する構成を示している。この負電圧を供給する構成では、共振部３の共振動作において、双方向スイッチＳＷ１は供給切替信号ＱＰ１によるオン動作によってダイオードＤ１を介して電流が流れ、電源コンデンサ３１から出力コンデンサ３２への充電電流による供給動作が行われ、回生切替信号ＱＰ２によるオン動作によってダイオードＤ２を介して電流が流れ、出力コンデンサ３２から電源コンデンサ３１への放電電流による回生動作が行われる。
【0047】
制御部４は、直流電源部２の切り替え動作、及び共振部３の切り替え動作を制御する。制御部４は、直流電源部２のスイッチング素子ＳＷ２の切り替え動作を制御する電圧切替信号ＱＨ，ＱＬをスイッチング素子ＳＷ２に出力する。電圧切替信号ＱＨは、スイッチング素子ＳＷ２の切り替え動作によって直流電源２１と直流電源部２出力端との間を接続し、電圧レベルがＶ１の直流電圧を出力する。電圧切替信号ＱＬは、スイッチング素子ＳＷ２の切り替え動作によって直流電源２２と直流電源部２出力端との間を接続し、電圧レベルＶ２の直流電圧を出力する。
【0048】
制御部４は、共振部３の双方向スイッチＳＷ１の切り替え動作を制御する供給切替信号ＱＰ１、回生切替信号ＱＰ２を双方向スイッチＳＷ１に出力する。供給切替信号ＱＰ１は、双方向スイッチＳＷ１のダイオードＤ１が接続されたスイッチング素子のオン／オフを制御して、電源コンデンサ３１から出力コンデンサ３２へ充電電流を流して供給動作を行わせる。回生切替信号ＱＰ２は、双方向スイッチＳＷ１のダイオードＤ２が接続されたスイッチング素子のオン／オフを制御して、出力コンデンサ３２から電源コンデンサ３１へ回生電流を流して回生動作を行わせる。
【0049】
双方向スイッチＳＷ１の切り替え動作により切り替わる供給動作時及び回生動作時において、電源コンデンサ３１の電圧Ｖｃは、スイッチング素子ＳＷ２の切り替え動作により切り替えられ、直流電源２１の直流電圧の電圧Ｖ１あるいは直流電源２２の直流電圧の電圧Ｖ２となる。
【0050】
【0051】
（２ａ）正常制御時の各部信号、電圧波形
図２は、多レベル直流パルス電源が正常に制御されている時の各部信号、及び電圧波形を示している。
図２は、多レベル直流パルス電源が正常に制御されている時の各部信号、及び電圧波形を示している。
【0052】
図２（ａ）は、電源コンデンサ３１の電圧Ｖｃの電圧波形を示し、電源コンデンサ３１の電圧Ｖｃは電圧Ｖ１と電圧Ｖ２との電圧レベル間で交互に時間間隔Ｔｖｃで周期変化する電圧波形の例を示している。この間隔Ｔｖｃは、多レベル直流パルス電源１が出力する高周波パルスの電圧波高値が変化する周期間隔となる。
【0053】
図２（ｂ）は、電圧切替信号ＱＨの信号波形を示し、スイッチング素子ＳＷ２の直流電源２１に接続される側をオン状態に切り替え、負電圧で直流高電圧の電圧Ｖ１を共振部３に供給し、電源コンデンサ３１を電圧Ｖ１に充電する。図２（ｃ）は、電圧切替信号ＱＬの信号波形を示し、スイッチング素子ＳＷ２の直流電源２２に接続される側をオン状態に切り替え、負電圧で直流低電圧の電圧Ｖ２を共振部３に供給し、電源コンデンサ３１を電圧Ｖ２に充電する。
【0054】
図２（ｄ）は、供給切替信号ＱＰ１の信号波形を示し、双方向スイッチＳＷ１のダイオードＤ１が接続される側をオン状態に切り替え、電源コンデンサ３１をリアクトル３３を介して出力コンデンサ３２に接続してπ型ＬＣ共振回路を構成する。この接続によるπ型ＬＣ共振回路では、ダイオードＤ１は出力コンデンサ３２から電源コンデンサ３１に向かう方向が順方向であるため、電源コンデンサ３１の電圧Ｖｃの負電圧が出力コンデンサ３２に印加される供給動作となる。図２（ｅ）は、回生切替信号ＱＰ２の信号波形を示し、双方向スイッチＳＷ１のダイオードＤ２が接続される側をオン状態に切り替え、電源コンデンサ３１をリアクトル３３を介して出力コンデンサ３２に接続してπ型ＬＣ共振回路を構成する。この接続によるπ型ＬＣ共振回路では、ダイオードＤ２は電源コンデンサ３１からに出力コンデンサ３２向かう方向が順方向であるため、出力コンデンサ３２の電圧が電源コンデンサ３１に戻される回生動作となる。
【0055】
図２（ｆ）は、多レベル直流パルス電源１の出力電圧Ｖｏｕｔの電圧波形を示している。
出力コンデンサ３２には、供給切替信号ＱＰ１の供給動作によって負電圧が発生し、回生切替信号ＱＰ２の回生動作によって零電圧が発生する。
出力コンデンサ３２には、供給切替信号ＱＰ１の供給動作によって負電圧が発生し、回生切替信号ＱＰ２の回生動作によって零電圧が発生する。
【0056】
多レベル直流パルス電源の共振部３の出力端の出力電圧Ｖｏｕｔは出力コンデンサ３２の電圧であり、供給切替信号ＱＰ１による供給動作で生じる負電圧と回生切替信号ＱＰ２による回生動作で生じる零電圧との間を共振部３による共振動作によって周期的に変化する高周波パルス電圧となる。この高周波パルス電圧の負電圧の電圧値は電圧Ｖ１，Ｖ２であり、この電圧レベルＶ１，Ｖ２は直流電源部２の切り替え動作に応じて変化する。
【0057】
（２ｂ）電圧レベルＶ１から電圧レベルＶ２への切り替え時の態様
電圧レベルＶ１から電圧レベルＶ２への切り替え時の態様を図３～図５を用いて説明する。
図３は、電源コンデンサ３１の電圧Ｖｃが電圧レベルＶ１から電圧レベルＶ２に切り替わる時の各部信号、電圧波形の一部を示している。ここでは、電圧レベルＶ１及び電圧レベルＶ２が共に負電圧であり、電圧レベルＶ２は電圧レベルＶ１よりも負の電圧レベルが小さい場合を示している。
電圧レベルＶ１から電圧レベルＶ２への切り替え時の態様を図３～図５を用いて説明する。
図３は、電源コンデンサ３１の電圧Ｖｃが電圧レベルＶ１から電圧レベルＶ２に切り替わる時の各部信号、電圧波形の一部を示している。ここでは、電圧レベルＶ１及び電圧レベルＶ２が共に負電圧であり、電圧レベルＶ２は電圧レベルＶ１よりも負の電圧レベルが小さい場合を示している。
【0058】
図３（ａ）は、電源コンデンサ３１の電圧Ｖｃの電圧波形を示し、電圧Ｖｃが電圧Ｖ１から電圧Ｖ２に切り替わる状態を示し、図３（ｂ），（ｃ）は、電源コンデンサ３１の電圧Ｖｃを切り替えるための電圧切替信号ＱＨ、及び電圧切替信号ＱＬの各信号波形を示している。時点ｔＣ１において、電圧切替信号ＱＨがＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルに切り替わることにより直流電源２１の電圧Ｖ１の供給が停止し、電圧切替信号ＱＬがＬｏｗレベルからＨｉｇｈレベルに切り替わることにより直流電源２２の電圧レベルＶ２の供給が開始する。スイッチング素子ＳＷ２が時点ｔＣ１で切り替わることにより、電源コンデンサ３１の電圧Ｖｃは直流電圧Ｖ１から直流電圧Ｖ２に切り替わる。
【0059】
図３（ｄ）は、供給切替信号ＱＰ１の信号波形を示し、双方向スイッチＳＷ１のダイオードＤ１が接続される側をオン状態に切り替える。供給切替信号ＱＰ１は、時点ｔ１と時点ｔ２の間、時点ｔ５と時点ｔ６の間において双方向スイッチＳＷ１のダイオードＤ１側に接続されるスイッチング素子をオン状態として、出力コンデンサ３２への供給動作が行われる。ダイオードＤ１は、出力コンデンサ３２から電源コンデンサ３１に向かう電流方向を順方向としている。
【0060】
図３（ｅ）は、回生切替信号ＱＰ２の信号波形を示し、双方向スイッチＳＷ１のダイオードＤ２が接続される側をオン状態に切り替える。回生切替信号ＱＰ２は、時点ｔ３と時点ｔ４の間、時点ｔ７と時点ｔ８の間において、双方向スイッチＳＷ１のダイオードＤ２側に接続されるスイッチング素子をオン状態として、出力コンデンサ３２からの回生動作が行われる。ダイオードＤ２は、電源コンデンサ３１から出力コンデンサ３２に向かう電流方向を順方向としている。
【0061】
電源コンデンサ３１の電圧Ｖｃの電圧Ｖ１から電圧Ｖ２への切り替え動作の時点ｔＣ１は、出力コンデンサ３２に蓄積される静電エネルギーを回生する回生動作の動作時点（ｔ４）と、出力コンデンサ３２に直流電圧を供給する供給動作の動作時点（ｔ５）との間の期間Ｔ１２内に設定される。
【0062】
図３（ｆ）は、多レベル直流パルス電源１の出力電圧Ｖｏｕｔの電圧波形を示している。スイッチング素子ＳＷ２が電圧Ｖ１から電圧Ｖ２への切り替わる前の時点では、電源コンデンサ３１の電圧Ｖｃは電圧Ｖ１である。この電源コンデンサ３１の電圧Ｖｃが電圧Ｖ１である時、出力コンデンサ３２の電圧は、供給切替信号ＱＰ１の供給動作の時点ｔ２で負電圧の電圧（２×Ｖ１）となり、回生切替信号ＱＰ２の回生動作の時点ｔ３で零電圧となる。これにより、時点ｔ２と時点ｔ３との間において、電圧（２×Ｖ１）の電圧Ｖｃが出力電圧Ｖｏｕｔとして出力される。
【0063】
スイッチング素子ＳＷ２によって直流電源部２の出力電圧Ｖｏｕｔが電圧Ｖ１から電圧Ｖ２への切り替わった後の時点では、電源コンデンサ３１の電圧Ｖｃは電圧Ｖ２である。この電源コンデンサ３１の電圧Ｖｃが電圧Ｖ２である時、出力電圧Ｖｏｕｔは、供給切替信号ＱＰ１の供給動作の時点ｔ６で負電圧の電圧（２×Ｖ２）となり、回生切替信号ＱＰ２の回生動作の時点ｔ７で零電圧となる。これにより、時点ｔ６と時点ｔ７との間において電圧（２×Ｖ２）の電圧Ｖｃが出力電圧Ｖｏｕｔとして出力される。なお、出力コンデンサ３２の電圧Ｖｃは、共振動作によって電源コンデンサ３１の電圧の２倍となる。
【0064】
以下、電源電圧の切り替え時点の設定について図４，図５を用いて説明する。
本発明の多レベル直流パルス電源は、直流電源の切り替え時における電圧レベルに起因するＬＣ共振回路の誤動作を抑制するために、直流電源部の第１の切り替え動作で行う電源電圧の切り替えの時点を、共振部の第２の切り替え動作での回生動作の時点と供給動作の時点との関係において、回生動作の時点と供給動作の時点の間の期間内とする。より詳細には、前記期間は、第２の切り替え動作において回生切替信号が入力してからＬＣ共振回路の時定数の時間が経過した時点と、その後に入力される供給切替信号の立ち上がり時点との間の期間である。
本発明の多レベル直流パルス電源は、直流電源の切り替え時における電圧レベルに起因するＬＣ共振回路の誤動作を抑制するために、直流電源部の第１の切り替え動作で行う電源電圧の切り替えの時点を、共振部の第２の切り替え動作での回生動作の時点と供給動作の時点との関係において、回生動作の時点と供給動作の時点の間の期間内とする。より詳細には、前記期間は、第２の切り替え動作において回生切替信号が入力してからＬＣ共振回路の時定数の時間が経過した時点と、その後に入力される供給切替信号の立ち上がり時点との間の期間である。
【0065】
図４は、電源コンデンサ３１の電圧Ｖｃが電圧Ｖ１からＶ２に切り替わる時の各部信号、電圧波形の要部を示し、図３で示したｔ１，ｔ２，ｔ７，ｔ８の各時点については省略し、ｔ３～ｔ６の時点について示している。図４は、第２の切り替え動作を制御する供給切替信号ＱＰ１及び回生切替信号ＱＰ２の信号状態によって区分される各区間Ａ～Ｅにおける各信号状態と出力電圧Ｖｏｕｔを示している。
【0066】
区間Ａでは、電圧切替信号ＱＨ、ＱＬがそれぞれＨｉｇｈレベルとＬｏｗレベルである状態であることから（図４（ｂ），図４（ｃ））、電源コンデンサ３１の電圧Ｖｃは電圧Ｖ１である（図４（ａ））。また、回生切替信号ＱＰ２及び供給切替信号ＱＰ１が共にＬｏｗレベルであり、双方向スイッチＳＷ１はオフの状態にあり（図４（ｄ），図４（ｅ））、出力電圧Ｖｏｕｔは前回の供給動作によって電圧（２×Ｖ１）である（図４（ｆ））。
【0067】
区間Ｂでは、区間Ａと同様に、電圧切替信号ＱＨ、ＱＬはそれぞれＨｉｇｈレベルとＬｏｗレベルの状態であり（図４（ｂ），図４（ｃ））、電源コンデンサ３１の電圧Ｖｃは電圧Ｖ１である（図４（ａ））。一方、供給切替信号ＱＰ１はＬｏｗレベルのままであるが、回生切替信号ＱＰ２は時点ｔ３でＬｏｗレベルの状態から立ち上がってＨｉｇｈレベルの状態に切り替わって回生動作の状態となり（図４（ｄ），図４（ｅ））、出力電圧Ｖｏｕｔは回生動作によって電圧（２×Ｖ１）から零電圧に向かって時定数Ｔｒで上昇する（図４（ｆ））。
【0068】
区間Ｃでは、時点ｔＣ１において、電圧切替信号ＱＨはＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルに切り替わり、電圧切替信号ＱＬはＬｏｗレベルからＨｉｇｈレベルに切り替わることから（図４（ｂ），図４（ｃ））、電源コンデンサ３１の電圧Ｖｃは時点ｔＣ１において電圧Ｖ１から電圧Ｖ２に切り替わる（図４（ａ））。
【0069】
回生切替信号ＱＰ２は、区間Ｂと区間Ｃとの間の切り替わり時点である時点ｔ４でＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルに切り替わっているため、回生切替信号ＱＰ２及び供給切替信号ＱＰ１は共にＬｏｗレベルとなり、双方向スイッチＳＷ１はオフの状態にある（図４（ｄ），図４（ｅ））。出力電圧Ｖｏｕｔは区間Ｂの零電圧に保持される（図４（ｆ））。
【0070】
区間Ｄでは、区間Ｃの時点ｔＣ１で行われた電圧切替によって電圧切替信号ＱＨ、ＱＬは、それぞれＬｏｗレベルとＨｉｇｈレベルの状態であり（図４（ｂ），図４（ｃ））、電源コンデンサ３１の電圧Ｖｃは電圧Ｖ２である（図４（ａ））。一方、回生切替信号ＱＰ２はＬｏｗレベルのままであるが、供給切替信号ＱＰ１は、時点ｔ５でＬｏｗレベルの状態から立ち上がってＨｉｇｈレベルの状態に切り替わって供給動作の状態となり（図４（ｄ），図４（ｅ））、出力電圧Ｖｏｕｔは供給動作によって零電圧から電圧（２×Ｖ２）に向かって時定数Ｔｒで下降する（図４（ｆ））。
【0071】
区間Ｅでは、区間Ｄと同様に、電圧切替信号ＱＨ、ＱＬはそれぞれＬｏｗレベルとＨｉｇｈレベルの状態であり（図４（ｂ），図４（ｃ））、電源コンデンサ３１の電圧Ｖｃは電圧Ｖ２である（図４（ａ））。一方、供給切替信号ＱＰ１は、区間Ｄと区間Ｅとの間の切り替わり時点である時点ｔ６でＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルに切り替わっているため、回生切替信号ＱＰ２及び供給切替信号ＱＰ１は共にＬｏｗレベルであり、双方向スイッチＳＷ１はオフの状態にある（図４（ｄ），図４（ｅ））。出力電圧Ｖｏｕｔは、区間Ｄの電圧（２×Ｖ２）に保持される（図４（ｆ））。
【0072】
【0073】
図５（ａ）は、時点ｔ１における供給時の動作状態を示している。電源コンデンサ３１の電圧Ｖｃは、直流電源２１の電圧Ｖ１によって充電された電圧Ｖ１である。双方向スイッチＳＷ１は、供給切替信号ＱＰ１のオン信号及び回生切替信号ＱＰ２のオフ信号によって、ダイオードＤ１が導通する方向に切り替わり、電源コンデンサ３１と出力コンデンサ３２とリアクトル３３のπ型ＬＣ共振回路が形成され、共振動作によって電源コンデンサ３１から出力コンデンサ３２への充電電流の供給が行われる。ここでは、電圧Ｖ１は負電圧であるため、リアクトル３３を流れる電流方向は、出力コンデンサ３２側から電源コンデンサ３１側に向かう方向である。
【0074】
共振動作により、出力電圧Ｖｏｕｔは、電源コンデンサ３１の充電電圧である電圧Ｖ１とリアクトル３３のインダクタ電圧ＶＬ（＝２×Ｖ１－Ｖ１）を加算した電圧（Ｖ１＋ＶＬ）となる。インダクタ電圧ＶＬは電圧Ｖ１となるため、出力電圧Ｖｏｕｔは電圧（２×Ｖ１）となる。出力コンデンサ３２は電圧（２×Ｖ１）に充電される。
【0075】
図５（ｂ）は、時点ｔ２における保持時の動作状態を示している。
双方向スイッチＳＷ１は、供給切替信号ＱＰ１及び回生切替信号ＱＰ２が共にオフ信号であることから、オフ状態となり共振動作が停止する。共振動作が停止することにより、出力コンデンサ３２の充電電圧は電圧（２×Ｖ１）に保持され、出力電圧Ｖｏｕｔも電圧（２×Ｖ１）に保持される。
双方向スイッチＳＷ１は、供給切替信号ＱＰ１及び回生切替信号ＱＰ２が共にオフ信号であることから、オフ状態となり共振動作が停止する。共振動作が停止することにより、出力コンデンサ３２の充電電圧は電圧（２×Ｖ１）に保持され、出力電圧Ｖｏｕｔも電圧（２×Ｖ１）に保持される。
【0076】
図５（ｃ）は、時点ｔ３における回生時の動作状態を示している。双方向スイッチＳＷ１は、供給切替信号ＱＰ１のオフ信号及び回生切替信号ＱＰ２のオン信号によって、ダイオードＤ２が導通する方向に切り替わり、電源コンデンサ３１と出力コンデンサ３２とリアクトル３３のπ型ＬＣ共振回路が形成され、共振動作によって出力コンデンサ３２から電源コンデンサ３１への放電電流の回生が行われる。ここでは、電圧Ｖ１は負電圧であるため、リアクトル３３を流れる電流方向は、電源コンデンサ３１側から出力コンデンサ３２側に向かう方向である。
【0077】
共振動作による回生により、出力電圧Ｖｏｕｔは、ダイオードＤ２の順方向を考慮すると電源コンデンサ３１の充電電圧である電圧Ｖ１とリアクトル３３のインダクタ電圧ＶＬを加算した電圧（Ｖ１－ＶＬ）となる。インダクタ電圧ＶＬは、電圧（２×Ｖ１－Ｖ１）となるため、出力電圧Ｖｏｕｔは、電圧（Ｖ１－（２×Ｖ１－Ｖ１）＝０）となる。出力コンデンサ３２は、電圧（２×Ｖ１）から零電圧に放電される。
【0078】
図５（ｄ）は、時点ｔ４における保持時の動作状態を示している。双方向スイッチＳＷ１は、供給切替信号ＱＰ１及び回生切替信号ＱＰ２が共にオフ信号であることからオフ状態となり、共振動作が停止する。共振動作が停止することにより、出力コンデンサ３２の充電電圧は零電圧に保持され、出力電圧Ｖｏｕｔも零電圧に保持される。
【0079】
図５（ｅ）は、時点ｔＣ１において直流電圧を電圧レベルＶ１から電圧レベルＶ２に切り替えた状態を示している。ここで、電圧レベルＶ１及び電圧レベルＶ２は共に負電圧であり、電圧レベルＶ２は電圧レベルＶ１よりも、負方向において電圧レベルが小さい場合を示している。時点ｔＣ１では、双方向スイッチＳＷ１はオフ状態であり共振動作は停止した状態にあり、出力コンデンサ３２の充電電圧は零電圧に保持され、出力電圧Ｖｏｕｔも零電圧に保持されている。
【0080】
図５（ｆ）は、時点ｔ５における供給時の動作状態を示している。電源コンデンサ３１の電圧Ｖｃは、直流電源２２の電圧レベルＶ２によって充電された電圧Ｖ２である。双方向スイッチＳＷ１は、供給切替信号ＱＰ１のオン信号及び回生切替信号ＱＰ２のオフ信号によってダイオードＤ１が導通する方向に切り替わり、電源コンデンサ３１と出力コンデンサ３２とリアクトル３３のπ型ＬＣ共振回路が形成され、共振動作によって電源コンデンサ３１から出力コンデンサ３２への充電電流の供給が行われる。
【0081】
共振動作により、出力電圧Ｖｏｕｔは、電源コンデンサ３１の充電電圧である電圧Ｖ２とリアクトル３３のインダクタ電圧ＶＬ（＝２×Ｖ２－Ｖ２）を加算した電圧（Ｖ２＋ＶＬ）となる。インダクタ電圧ＶＬは電圧Ｖ２となるため、出力電圧Ｖｏｕｔは電圧（２×Ｖ２）となる。出力コンデンサ３２は電圧（２×Ｖ２）に充電される。
【0082】
図５（ｇ）は、時点ｔ６における保持時の動作状態を示している。双方向スイッチＳＷ１は、供給切替信号ＱＰ１及び回生切替信号ＱＰ２が共にオフ信号であることからオフ状態となり、共振動作が停止する。共振動作が停止することにより、出力コンデンサ３２の充電電圧は電圧（２×Ｖ２）に保持され、出力電圧Ｖｏｕｔも電圧（２×Ｖ２）に保持される。
【0083】
図５（ｈ）は、時点ｔ７における回生時の動作状態を示している。双方向スイッチＳＷ１は、供給切替信号ＱＰ１のオフ信号及び回生切替信号ＱＰ２のオン信号によってダイオードＤ２が導通する方向に切り替わり、電源コンデンサ３１と出力コンデンサ３２とリアクトル３３のπ型ＬＣ共振回路が形成され、共振動作によって出力コンデンサ３２から電源コンデンサ３１への放電電流の回生が行われる。
【0084】
共振動作による回生により、出力電圧Ｖｏｕｔは、ダイオードＤ２の順方向を考慮すると電源コンデンサ３１の充電電圧である電圧Ｖ２とリアクトル３３のインダクタ電圧ＶＬを加算した電圧（Ｖ２－ＶＬ）となる。インダクタ電圧ＶＬは電圧（２×Ｖ２－Ｖ２）となるため、出力電圧Ｖｏｕｔは零電圧（＝（Ｖ２－（２×Ｖ２－Ｖ２）））となる。出力コンデンサ３２の充電電圧は、電圧（２×Ｖ２）から零電圧に向かって放電される。
【0085】
（２ｃ）電圧レベルＶ２から電圧レベルＶ１への切り替え時の態様
電圧レベルＶ２から電圧レベルＶ１への切り替え時の態様を図６～図８を用いて説明する。図６は、電源コンデンサ３１の電圧Ｖｃが電圧レベルＶ２から電圧レベルＶ１に切り替わる時の各部信号、電圧波形の一部を示している。ここでは、電圧レベルＶ１及び電圧レベルＶ２が共に負電圧であり、電圧レベルＶ２は、電圧レベルＶ１よりも負の電圧レベルが小さい場合を示している。
電圧レベルＶ２から電圧レベルＶ１への切り替え時の態様を図６～図８を用いて説明する。図６は、電源コンデンサ３１の電圧Ｖｃが電圧レベルＶ２から電圧レベルＶ１に切り替わる時の各部信号、電圧波形の一部を示している。ここでは、電圧レベルＶ１及び電圧レベルＶ２が共に負電圧であり、電圧レベルＶ２は、電圧レベルＶ１よりも負の電圧レベルが小さい場合を示している。
【0086】
図６（ａ）は、電源コンデンサ３１の電圧Ｖｃの電圧波形を示し、電圧Ｖｃは、直流電圧Ｖ２から直流電圧Ｖ１に切り替わる状態を示し、図６（ｂ），（ｃ）は、電源コンデンサ３１の電圧Ｖｃを切り替えるための電圧切替信号ＱＨ、及び電圧切替信号ＱＬの各信号波形を示している。時点ｔＣ２において、電圧切替信号ＱＨがＬｏｗレベルからＨｉｇｈレベルに切り替わることにより、直流電源２１の電圧Ｖ１の供給が開始し、電圧切替信号ＱＬがＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルに切り替わることにより、直流電源２２の電圧レベルＶ２の供給が停止する。スイッチング素子ＳＷ２が時点ｔＣ２で切り替わることにより、電源コンデンサ３１の電圧Ｖｃは電圧Ｖ２から電圧Ｖ１に切り替わる。
【0087】
図６（ｄ）は、供給切替信号ＱＰ１の信号波形を示し、双方向スイッチＳＷ１のダイオードＤ１が接続される側をオン状態に切り替える。供給切替信号ＱＰ１は、時点ｔ１１と時点ｔ１２の間、時点ｔ１５と時点ｔ１６の間において、双方向スイッチＳＷ１のダイオードＤ１側に接続されるスイッチング素子をオン状態として、出力コンデンサ３２への供給動作が行われる。ダイオードＤ１は、出力コンデンサ３２から電源コンデンサ３１に向かう電流方向を順方向としている。
【0088】
図６（ｅ）は、回生切替信号ＱＰ２の信号波形を示し、双方向スイッチＳＷ１のダイオードＤ２が接続される側をオン状態に切り替える。回生切替信号ＱＰ２は、時点ｔ１３と時点ｔ１４の間、時点ｔ１７と時点ｔ１８の間において、双方向スイッチＳＷ１のダイオードＤ２側に接続されるスイッチング素子をオン状態として、出力コンデンサ３２からの回生動作が行われる。ダイオードＤ２は、電源コンデンサ３１から出力コンデンサ３２に向かう電流方向を順方向としている。
【0089】
電源コンデンサ３１の電圧Ｖｃの電圧Ｖ２から電圧Ｖ１への切り替え動作の時点ｔＣ２は、出力コンデンサ３２に蓄積される静電エネルギーを回生する回生動作の時点ｔ１４と、出力コンデンサ３２に直流電圧を供給する供給動作の時点ｔ１５との間の期間Ｔ２１内に設定される。
【0090】
図６（ｆ）は、多レベル直流パルス電源１の出力電圧Ｖｏｕｔの電圧波形を示している。スイッチング素子ＳＷ２が電圧Ｖ２から電圧Ｖ１への切り替わる前の時点では、電源コンデンサ３１の電圧Ｖｃは電圧Ｖ２である。この電源コンデンサ３１の電圧Ｖｃが電圧Ｖ２である時、出力電圧Ｖｏｕｔは供給切替信号ＱＰ１の供給動作の時点ｔ１２で負電圧の電圧（２×Ｖ２）となり、回生切替信号ＱＰ２の回生動作の時点ｔ１３で零電圧となる。これにより、時点ｔ１２と時点ｔ１３との間において電圧（２×Ｖ２）の電圧Ｖｃが出力電圧Ｖｏｕｔとして出力される。
【0091】
スイッチング素子ＳＷ２によって直流電源部２の出力電圧Ｖｏｕｔが電圧Ｖ２から電圧Ｖ１への切り替わった後の時点では、電源コンデンサ３１の電圧Ｖｃは電圧Ｖ１である。この電源コンデンサ３１の電圧Ｖｃが電圧Ｖ１である時、出力電圧Ｖｏｕｔは、供給切替信号ＱＰ１の供給動作の時点ｔ１６で負電圧の電圧（２×Ｖ２）となり、回生切替信号ＱＰ２の回生動作の時点ｔ１７で零電圧となる。これにより、時点ｔ１６と時点ｔ１７との間において電圧（２×Ｖ１）が、出力電圧Ｖｏｕｔとして出力される。なお、出力コンデンサ３２の電圧は、共振動作によって電源コンデンサ３１の電圧Ｖｃの２倍となる。
【0092】
以下、電源電圧の切り替え時点の設定について図７，図８を用いて説明する。
図７は、電源コンデンサ３１の電圧Ｖｃが電圧Ｖ２から電圧Ｖ１に切り替わる時の各部信号、電圧波形の要部を示し、図６で示したｔ１１，ｔ１２，ｔ１７，ｔ１８の各時点については省略し、ｔ１３～ｔ１６の時点について示している。図７は、第２の切り替え動作を制御する供給切替信号ＱＰ１及び回生切替信号ＱＰ２の信号状態によって区分される各区間１Ａ～１Ｅにおける各信号状態と出力電圧Ｖｏｕｔを示している。
図７は、電源コンデンサ３１の電圧Ｖｃが電圧Ｖ２から電圧Ｖ１に切り替わる時の各部信号、電圧波形の要部を示し、図６で示したｔ１１，ｔ１２，ｔ１７，ｔ１８の各時点については省略し、ｔ１３～ｔ１６の時点について示している。図７は、第２の切り替え動作を制御する供給切替信号ＱＰ１及び回生切替信号ＱＰ２の信号状態によって区分される各区間１Ａ～１Ｅにおける各信号状態と出力電圧Ｖｏｕｔを示している。
【0093】
区間１Ａでは、電圧切替信号ＱＨ、ＱＬがそれぞれＬｏｗレベルとＨｉｇｈレベルである状態であることから（図７（ｂ），図７（ｃ））、電源コンデンサ３１の電圧Ｖｃは電圧Ｖ２である（図７（ａ））。また、回生切替信号ＱＰ２及び供給切替信号ＱＰ１が共にＬｏｗレベルであり、双方向スイッチＳＷ１はオフの状態にあり（図７（ｄ），図７（ｅ））、出力電圧Ｖｏｕｔは前回の供給動作によって電圧（２×Ｖ２）である（図７（ｆ））。
【0094】
区間１Ｂでは、区間１Ａと同様に、電圧切替信号ＱＨ、ＱＬはそれぞれＬｏｗレベルとＨｉｇｈレベルの状態であり（図７（ｂ），図７（ｃ））、電源コンデンサ３１の電圧Ｖｃは電圧Ｖ２である（図７（ａ））。一方、供給切替信号ＱＰ１はＬｏｗレベルのままであるが、回生切替信号ＱＰ２は時点ｔ１３でＬｏｗレベルの状態から立ち上がってＨｉｇｈレベルの状態に切り替わって回生動作の状態となり（図７（ｄ），図７（ｅ））、出力電圧Ｖｏｕｔは、回生動作によって電圧（２×Ｖ２）から零電圧に向かって時定数Ｔｒで上昇する（図７（ｆ））。
【0095】
区間１Ｃでは、時点ｔＣ２において、電圧切替信号ＱＨはＬｏｗレベルからＨｉｇｈレベルに切り替わり、電圧切替信号ＱＬはＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルに切り替わることから（図７（ｂ），図７（ｃ））、電源コンデンサ３１の電圧Ｖｃは、時点ｔＣ２において電圧Ｖ２から電圧Ｖ１に切り替わる（図７（ａ））。回生切替信号ＱＰ２は、区間１Ｂと区間１Ｃとの切り替わり時点である時点ｔ１４でＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルに切り替わっているため、回生切替信号ＱＰ２及び供給切替信号ＱＰ１は共にＬｏｗレベルとなり、双方向スイッチＳＷ１はオフの状態にある（図７（ｄ），図７（ｅ））。出力電圧Ｖｏｕｔは区間１Ｂの零電圧に保持される（図７（ｆ））。
【0096】
区間１Ｄでは、区間１Ｃの時点ｔＣ２で行われた電圧切替によって、電圧切替信号ＱＨ、ＱＬはそれぞれＨｉｇｈレベルとＬｏｗレベルの状態であり（図７（ｂ），図７（ｃ））、電源コンデンサ３１の電圧Ｖｃは電圧レベルＶ１である（図７（ａ））。一方、回生切替信号ＱＰ２はＬｏｗレベルのままであるが、供給切替信号ＱＰ１は、時点ｔ１５でＬｏｗレベルの状態から立ち上がってＨｉｇｈレベルの状態に切り替わって供給動作の状態となり（図７（ｄ），図７（ｅ））、出力電圧Ｖｏｕｔは、供給動作によって零電圧から電圧（２×Ｖ１）に向かって時定数Ｔｒで下降する（図７（ｆ））。
【0097】
区間１Ｅでは、区間１Ｄと同様に、電圧切替信号ＱＨ、ＱＬはそれぞれＨｉｇｈレベルとＬｏｗレベルの状態であり（図７（ｂ），図７（ｃ））、電源コンデンサ３１の電圧Ｖｃは電圧レベルＶ１である（図７（ａ））。一方、供給切替信号ＱＰ１は、区間１Ｄと区間１Ｅとの切り替わり時点である時点ｔ１６でＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルに切り替わっているため、回生切替信号ＱＰ２及び供給切替信号ＱＰ１は共にＬｏｗレベルであり双方向スイッチＳＷ１はオフの状態にある（図７（ｄ），図７（ｅ））。出力電圧Ｖｏｕｔは区間１Ｄの電圧（２×Ｖ１）に保持される（図７（ｆ））。
【0098】
【0099】
図８（ａ）は、時点ｔ１１における供給時の動作状態を示している。電源コンデンサ３１の電圧Ｖｃは、直流電源２２の電圧レベルＶ２によって充電された電圧Ｖ２である。双方向スイッチＳＷ１は、供給切替信号ＱＰ１のオン信号及び回生切替信号ＱＰ２のオフ信号によってダイオードＤ１が導通する方向に切り替わり、電源コンデンサ３１と出力コンデンサ３２とリアクトル３３のπ型ＬＣ共振回路が形成され、共振動作によって電源コンデンサ３１から出力コンデンサ３２への充電電流の供給が行われる。ここでは、電圧Ｖ２は負電圧であるため、リアクトル３３を流れる電流方向は、出力コンデンサ３２側から電源コンデンサ３１側に向かう方向である。
【0100】
共振動作により、出力電圧Ｖｏｕｔは、電源コンデンサ３１の充電電圧である電圧Ｖ２とリアクトル３３のインダクタ電圧ＶＬ（＝２×Ｖ２－Ｖ２）を加算した電圧（Ｖ２＋ＶＬ）となる。インダクタ電圧ＶＬは電圧Ｖ２となるため、出力電圧Ｖｏｕｔは電圧（２×Ｖ２）となる。出力コンデンサ３２は電圧（２×Ｖ２）に充電される。
【0101】
図８（ｂ）は、時点ｔ１２における保持時の動作状態を示している。双方向スイッチＳＷ１は、供給切替信号ＱＰ１及び回生切替信号ＱＰ２が共にオフ信号であることからオフ状態となり共振動作が停止する。共振動作が停止することにより、出力コンデンサ３２の充電電圧は電圧（２×Ｖ２）に保持され、出力電圧Ｖｏｕｔも電圧（２×Ｖ２）に保持される。
【0102】
図８（ｃ）は、時点ｔ１３における回生時の動作状態を示している。双方向スイッチＳＷ１は、供給切替信号ＱＰ１のオフ信号及び回生切替信号ＱＰ２のオン信号によってダイオードＤ２が導通する方向に切り替わり、電源コンデンサ３１と出力コンデンサ３２とリアクトル３３のπ型ＬＣ共振回路が形成され、共振動作によって出力コンデンサ３２から電源コンデンサ３１への放電電流の回生が行われる。ここでは、電圧Ｖ１は負電圧であるため、リアクトル３３を流れる電流方向は、電源コンデンサ３１側から出力コンデンサ３２側に向かう方向である。
【0103】
共振動作による回生により、出力電圧Ｖｏｕｔは、ダイオードＤ２の順方向を考慮すると電源コンデンサ３１の充電電圧である電圧Ｖ２とリアクトル３３のインダクタ電圧ＶＬを加算した電圧（Ｖ２－ＶＬ）となる。インダクタ電圧ＶＬは電圧（２×Ｖ２－Ｖ２）となるため、出力電圧Ｖｏｕｔは電圧（Ｖ２－（２×Ｖ２－Ｖ２）＝０）となる。出力コンデンサ３２の充電電圧は、電圧（２×Ｖ２）から零電圧に向かって放電される。
【0104】
図８（ｄ）は、時点ｔ１４における保持時の動作状態を示している。双方向スイッチＳＷ１は、供給切替信号ＱＰ１及び回生切替信号ＱＰ２が共にオフ信号であることからオフ状態となり共振動作が停止する。共振動作が停止することにより、出力コンデンサ３２の充電電圧は零電圧に保持され、出力電圧Ｖｏｕｔも零電圧に保持される。
【0105】
図８（ｅ）は、時点ｔＣ２において直流電圧を電圧レベルＶ２から電圧レベルＶ１に切り替えた状態を示している。ここで、電圧レベルＶ１及び電圧レベルＶ２は共に負電圧であり、電圧レベルＶ２は、電圧レベルＶ１よりも負方向において電圧レベルが小さい場合を示している。時点ｔＣ２では、双方向スイッチＳＷ１はオフ状態であり、共振動作は停止した状態にあり、出力コンデンサ３２の充電電圧は零電圧に保持され、出力電圧Ｖｏｕｔも零電圧に保持されている。
【0106】
図８（ｆ）は、時点ｔ１５における供給時の動作状態を示している。電源コンデンサ３１の電圧Ｖｃは、直流電源２１の電圧レベルＶ１によって充電された電圧Ｖ１である。双方向スイッチＳＷ１は、供給切替信号ＱＰ１のオン信号及び回生切替信号ＱＰ２のオフ信号によって、ダイオードＤ１が導通する方向に切り替わり、電源コンデンサ３１と出力コンデンサ３２とリアクトル３３のπ型ＬＣ共振回路が形成され、共振動作によって電源コンデンサ３１から出力コンデンサ３２への充電電流の供給が行われる。
【0107】
共振動作により、出力電圧Ｖｏｕｔは、電源コンデンサ３１の充電電圧である電圧Ｖ１とリアクトル３３のインダクタ電圧ＶＬ（＝２×Ｖ１－Ｖ１）を加算した電圧（Ｖ１＋ＶＬ）となる。インダクタ電圧ＶＬはＶ１となるため、出力電圧Ｖｏｕｔは電圧（２×Ｖ１）となる。出力コンデンサ３２の充電電圧は電圧（２×Ｖ１）に充電される。
【0108】
図８（ｇ）は、時点ｔ１６における保持時の動作状態を示している。双方向スイッチＳＷ１は、供給切替信号ＱＰ１及び回生切替信号ＱＰ２が共にオフ信号であることからオフ状態となり共振動作が停止する。共振動作が停止することにより、出力コンデンサ３２の充電電圧は電圧（２×Ｖ１）に保持され、出力電圧Ｖｏｕｔも電圧（２×Ｖ１）に保持される。
【0109】
図８（ｈ）は、時点ｔ１７における回生時の動作状態を示している。双方向スイッチＳＷ１は、供給切替信号ＱＰ１のオフ信号及び回生切替信号ＱＰ２のオン信号によって、ダイオードＤ２が導通する方向に切り替わり、電源コンデンサ３１と出力コンデンサ３２とリアクトル３３のπ型ＬＣ共振回路が形成され、共振動作によって出力コンデンサ３２から電源コンデンサ３１への放電電流の回生が行われる。
【0110】
共振動作による回生により、出力電圧Ｖｏｕｔは、ダイオードＤ２の順方向を考慮すると電源コンデンサ３１の充電電圧である電圧Ｖ１とリアクトル３３のインダクタ電圧ＶＬを加算した電圧（Ｖ１－ＶＬ）となる。インダクタ電圧ＶＬは電圧（２×Ｖ１－Ｖ１）となるため、出力電圧Ｖｏｕｔは電圧（Ｖ１－（２×Ｖ１－Ｖ１））＝０となる。出力コンデンサ３２の充電電圧は、電圧（２×Ｖ１）から零電圧に向けて放電される。
【0111】
（３）制御部の構成例及び制御例
制御部４の構成例、及び制御例について図９～図１３を用いて説明する。以下に示す各構成例で示すブロックはＱＨ信号、ＱＬ信号、供給切替信号ＱＰ１、及び回生切替信号ＱＰ２を生成するための機能ブロックを示している。これら機能ブロックは、それぞれの機能を行う回路により構成する他、ＦＰＧＡ等によってプログラム上で機能を実施する構成としてもよい。
制御部４の構成例、及び制御例について図９～図１３を用いて説明する。以下に示す各構成例で示すブロックはＱＨ信号、ＱＬ信号、供給切替信号ＱＰ１、及び回生切替信号ＱＰ２を生成するための機能ブロックを示している。これら機能ブロックは、それぞれの機能を行う回路により構成する他、ＦＰＧＡ等によってプログラム上で機能を実施する構成としてもよい。
【0112】
（３ａ）第１の構成例及び制御例
制御部４の第１の構成例及び制御例について図９，図１０を用いて説明する。図９において、第１の構成例の制御部４Ａは、パルス信号生成部４ａ、ＱＰ１信号生成部４ｂ、ＱＰ２信号生成部４ｃ、遅延部４ｄ、ＱＨ信号生成部４ｅ、ＱＬ信号生成部４ｆを備える。
制御部４の第１の構成例及び制御例について図９，図１０を用いて説明する。図９において、第１の構成例の制御部４Ａは、パルス信号生成部４ａ、ＱＰ１信号生成部４ｂ、ＱＰ２信号生成部４ｃ、遅延部４ｄ、ＱＨ信号生成部４ｅ、ＱＬ信号生成部４ｆを備える。
【0113】
パルス信号生成部４ａは、図示しない外部装置あるいは内蔵装置からクロック信号を導入してパルス信号を生成する。
【0114】
ＱＰ１信号生成部４ｂ及びＱＰ２信号生成部４ｃは、パルス信号生成部４ａで生成されたパルス信号を用いて、双方向スイッチＳＷ１のスイッチング素子のオン／オフ動作を制御する供給切替信号ＱＰ１及び回生切替信号ＱＰ２を生成する。供給切替信号ＱＰ１は、共振回路の共振動作において供給動作を制御する制御信号であり、回生切替信号ＱＰ２は、共振回路の共振動作において回生動作を制御する制御信号である。供給切替信号ＱＰ１と回生切替信号ＱＰ２との時間間隔は、共振回路の共振周波数に対応している。
【0115】
また、供給切替信号ＱＰ１及び回生切替信号ＱＰ２の信号自体の時間幅は、共振回路の立ち上がり時間Ｔｒ及び立ち下がり時間Ｔｒに依存し、立ち上がり及び立ち下がりが十分に完了する時間内となるように設定される。なお、立ち上がり時間Ｔｒ及び立ち下がり時間Ｔｒは、共振回路の時定数に相当する時間幅に基づいて設定することができる。
【0116】
本発明では、電源コンデンサ３１の電圧Ｖｃの電圧Ｖ１から電圧Ｖ２への切り替え動作の時点ｔＣ１は、出力コンデンサ３２に蓄積される静電エネルギーを回生する回生動作の時点ｔ４と、出力コンデンサ３２に直流電圧を供給する供給動作の時点ｔ５との間の期間Ｔ１２内に設定し、電源コンデンサ３１の電圧Ｖｃの直流電圧Ｖ２から直流電圧Ｖ１への切り替え動作の時点ｔＣ２は、出力コンデンサ３２に蓄積される静電エネルギーを回生する回生動作の時点ｔ１４と、出力コンデンサ３２に直流電圧を供給する供給動作の時点ｔ１５との間の期間Ｔ２１内に設定する。
【0117】
遅延部４ｄは、切り替え動作の時点ｔＣ１を、回生動作の動作時点と供給動作の動作時点との間の期間Ｔ１２内に設定し、切り替え動作の時点ｔＣ２を、回生動作の動作時点と供給動作の動作時点との間の期間Ｔ２１内に設定するために、回生動作の動作時点からの遅延時間を定める。遅延時間ｔｄは図示しない外部装置、あるいは制御部４Ａ内の記憶装置（図示していない）に格納しておいたデータを読み込むことで取得することができる。遅延時間ｔｄは、切り替え動作の時点ｔＣ１の設定では期間Ｔ１２の時間幅に設定し、切り替え動作の時点ｔＣ２の設定では期間Ｔ２１の時間幅に設定する。
【0118】
遅延時間を生成する時点は、図示しない外部装置あるいは制御装置が別途生成するトリガ信号に基づいて行うことができる。遅延部４ｄはトリガ信号を受けると、トリガ信号を受けた時点の後に発生する回生切替信号ＱＰ２の時点を起点として遅延時間ｔｄを設定し、遅延時間ｔｄが経過した時点を切り替え動作の時点ｔＣ１として電圧切替信号ＱＨ、ＱＬを生成する。
【0119】
ＱＨ信号生成部４ｅ及びＱＬ信号生成部４ｆは、遅延部４ｄからの信号を受けて電圧切替信号ＱＨ、ＱＬを生成する。
【0120】
ＱＨ信号生成部４ｅ及びＱＬ信号生成部４ｆは、電圧切替前の電圧が電圧レベルＶ１である場合には、電圧切替信号ＱＨをＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルに切り替えると共に、電圧切替信号ＱＬをＬｏｗレベルからＨｉｇｈレベルに切り替え、直流電源部２のスイッチング素子ＳＷ２を切り替える。これにより、直流電源２２の電圧レベルＶ２が出力される。
【0121】
一方、電圧切替前の電圧が電圧レベルＶ２である場合には、電圧切替信号ＱＨをＬｏｗレベルからＨｉｇｈレベルに切り替えると共に、電圧切替信号ＱＬをＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルに切り替え、直流電源部２のスイッチング素子ＳＷ２を切り替え、これにより、直流電源２１の電圧レベルＶ１が出力される。
【0122】
図１０は、図９に示した第１の構成例による制御部の動作例を示すためのフローチャートである。パルス信号生成部４ａは、クロック信号を受けて（Ｓ１）、パルス信号を生成する（Ｓ２）。ＱＰ１信号生成部４ｂは、パルス信号を供給切替信号ＱＰ１として出力する（Ｓ３）。ＱＰ２信号生成部４ｃは、パルス信号生成部４ａから入力する次のパルス信号を回生切替信号ＱＰ２として出力する（Ｓ４）。
【0123】
遅延部４ｄは、トリガ信号を受信したかどうかを判別し（Ｓ５）、トリガ信号を受信していないと判別された場合は、Ｓ５を繰り返す。一方、トリガ信号を受信したと判別した場合は、ＱＰ２信号生成部４ｃからの回生切替信号ＱＰ２を所定の遅延時間ｔｄだけ遅延させる（Ｓ６）。ＱＨ信号生成部４ｅ及びＱＬ信号生成部４ｆは、遅延部４ｄで遅延された信号に基づいて電圧切替信号ＱＨ、ＱＬを生成する（Ｓ７）。
【0124】
（３ｂ）第２の構成例及び制御例
制御部の第２の構成例は、電圧レベルが変化する時点と、供給切替信号ＱＰ１及び回生切替信号ＱＰ２が発生する時点とを比較し、電圧レベルが変化する時点が、回生切替信号ＱＰ２と供給切替信号ＱＰ１との間の期間内に有るか否かを判定し、電圧レベルが変化する時点が、期間外であるときには、電圧レベルが変化する時点を遅延させる。これにより、電圧レベルが変化する時点が、回生切替信号ＱＰ２と供給切替信号ＱＰ１との間の期間内となるように制御する。
制御部の第２の構成例は、電圧レベルが変化する時点と、供給切替信号ＱＰ１及び回生切替信号ＱＰ２が発生する時点とを比較し、電圧レベルが変化する時点が、回生切替信号ＱＰ２と供給切替信号ＱＰ１との間の期間内に有るか否かを判定し、電圧レベルが変化する時点が、期間外であるときには、電圧レベルが変化する時点を遅延させる。これにより、電圧レベルが変化する時点が、回生切替信号ＱＰ２と供給切替信号ＱＰ１との間の期間内となるように制御する。
【0125】
制御部４の第２の構成例及び制御例について図１１（ａ），図１２を用いて説明する。
第２の構成例の制御部４Ｂは、パルス信号生成部４ａ、ＱＰ１信号生成部４ｂ、ＱＰ２信号生成部４ｃ、遅延部４ｄ、ＱＨ信号生成部４ｅ、ＱＬ信号生成部４ｆ、立ち上がり検出部４ｇ、立ち下がり検出部４ｈ、及び期間判定部４ｉを備える。
第２の構成例の制御部４Ｂは、パルス信号生成部４ａ、ＱＰ１信号生成部４ｂ、ＱＰ２信号生成部４ｃ、遅延部４ｄ、ＱＨ信号生成部４ｅ、ＱＬ信号生成部４ｆ、立ち上がり検出部４ｇ、立ち下がり検出部４ｈ、及び期間判定部４ｉを備える。
【0126】
パルス信号生成部４ａは、図示しない外部装置あるいは内蔵装置からクロック信号を導入してパルス信号を生成し、ＱＰ１信号生成部４ｂ及びＱＰ２信号生成部４ｃにパルス信号を出力する。
【0127】
ＱＰ１信号生成部４ｂ及びＱＰ２信号生成部４ｃは、パルス信号生成部４ａで生成されたパルス信号を用いて、双方向スイッチＳＷ１のスイッチング素子のオン／オフ動作を制御する供給切替信号ＱＰ１及び回生切替信号ＱＰ２を生成する。供給切替信号ＱＰ１は、共振回路の共振動作において供給動作を制御する制御信号であり、回生切替信号ＱＰ２は、共振回路の共振動作において回生動作を制御する制御信号である。供給切替信号ＱＰ１と回生切替信号ＱＰ２との時間間隔は、共振回路の共振周波数に対応している。
【0128】
また、供給切替信号ＱＰ１及び回生切替信号ＱＰ２の信号自体の時間幅は、共振回路の立ち上がり時間Ｔｒ及び立ち下がり時間Ｔｒに依存し立ち上がり及び立ち下がりが十分に完了する時間内となるように設定される。
【0129】
電源コンデンサ３１の電圧Ｖｃの電圧Ｖ１から電圧Ｖ２への切り替え動作の時点ｔＣ１は、出力コンデンサ３２に蓄積される静電エネルギーを回生する回生動作の時点ｔ４と、出力コンデンサ３２に直流電圧を供給する供給動作の時点ｔ５との間の期間Ｔ１２内に設定し、電源コンデンサ３１の電圧Ｖｃの電圧Ｖ２から電圧Ｖ１への切り替え動作の時点ｔＣ２は、出力コンデンサ３２に蓄積される静電エネルギーを回生する回生動作の時点ｔ１４と、出力コンデンサ３２に直流電圧を供給する供給動作の時点ｔ１５との間の期間Ｔ２１内に設定する。
【0130】
遅延部４ｄは、切り替え動作の時点ｔＣ１を回生動作の動作時点と供給動作の動作時点との間の期間Ｔ１２内とし、切り替え動作の時点ｔＣ２を回生動作の動作時点と供給動作の動作時点との間の期間Ｔ２１内とするために、回生動作の動作時点からの所定の遅延時間を定める。遅延時間ｔｄは図示しない外部装置、あるいは制御部４Ｂ内の記憶装置（図示していない）に格納しておいたデータを読み込むことで取得することができる。遅延時間ｔｄは、切り替え動作の時点ｔＣ１の設定では、期間Ｔ１２の時間幅内となるように設定され、切り替え動作の時点ｔＣ２の設定では、期間Ｔ２１の時間幅内となるように設定される。
【0131】
遅延部４ｄは、電圧レベルが変化する時点が供給切替信号ＱＰ１及び回生切替信号ＱＰ２が発生する時点と間の期間外にあるときに遅延時間を生成し、電圧レベルが変化する時点を所定の遅延時間だけ遅延させる。電圧レベルが変化する時点を遅延させることにより、電圧レベルの変化時点を回生切替信号ＱＰ２が発生する時点と供給切替信号ＱＰ１が発生する時点の間の期間内に制御する。
【0132】
立ち上がり検出部４ｇ、立ち下がり検出部４ｈは、遅延部４ｄで遅延された電圧レベルの信号を入力し、その信号の立ち上がり時点及び立ち下がり時点を検出する。
【0133】
ＱＨ信号生成部４ｅは、立ち下がり検出部４ｈからの信号を受けて電圧切替信号ＱＨを生成する。ＱＬ信号生成部４ｆは、立ち上がり検出部４ｇからの信号を受けて電圧切替信号ＱＬを生成する。
【0134】
電圧切替前の電圧が電圧レベルＶ１である場合には、電圧切替信号ＱＨをＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルに切り替えると共に、電圧切替信号ＱＬをＬｏｗレベルからＨｉｇｈレベルに切り替え、直流電源部２のスイッチング素子ＳＷ２を切り替える。これにより、直流電源２２の電圧レベルＶ２が出力される。
【0135】
一方、電圧切替前の電圧が電圧レベルＶ２である場合には、電圧切替信号ＱＨをＬｏｗレベルからＨｉｇｈレベルに切り替えると共に、電圧切替信号ＱＬをＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルに切り替え、直流電源部２のスイッチング素子ＳＷ２を切り替え、これにより、直流電源２１の電圧レベルＶ１が出力される。
【0136】
期間判定部４ｉは、ＱＰ１信号生成部４ｂの供給切替信号ＱＰ１と、ＱＰ２信号生成部４ｃの回生切替信号ＱＰ２と、立ち上がり検出部４ｇの検出信号と、立ち下がり検出部４ｈの検出信号とを入力する。
【0137】
期間判定部４ｉにおいて、立ち上がり検出部４ｇの検出信号と立ち下がり検出部４ｈの検出信号の両方の信号、あるいは何れか一方の信号によって電圧レベルの変化時点を検出し、回生切替信号ＱＰ２と供給切替信号ＱＰ１との間の時間間隔内において電圧レベルを変化させるに適した期間を求め、電圧レベルの変化時点がこの期間内にあるか否かを判定する。
【0138】
電圧レベルの変化時点が期間内にあると判定したときには、ＱＨ信号生成部４ｅから電圧切替信号ＱＨを出力させ、ＱＬ信号生成部４ｆから電圧切替信号ＱＬを出力させる。一方、電圧レベルの変化時点が期間外にあると判定したときには、遅延部４ｄで電圧レベルの信号を遅延させる。
【0139】
図１２は、図１１（ａ）に示した第２の構成例による制御例を示すためのフローチャートである。Ｓ１１～Ｓ１４は、供給切替信号ＱＰ１及び回生切替信号ＱＰ２を生成する工程であり、Ｓ１５～Ｓ１９が、電圧レベルの変化時点を検出する工程であり、Ｓ２０～Ｓ２２は、電圧レベルの変化時点が所定期間内であるか否かを判定し、判定結果に基づいて必要に応じて電圧レベルの信号を遅延させて、電圧切替信号ＱＨ、ＱＬを生成する工程である。
【0140】
パルス信号生成部４ａは、クロック信号を受け（Ｓ１１）、パルス信号を生成する（Ｓ１２）。ＱＰ１信号生成部４ｂは、パルス信号を供給切替信号ＱＰ１として出力する（Ｓ１３）。ＱＰ２信号生成部４ｃは、パルス信号生成部４ａから入力する次のパルス信号を回生切替信号ＱＰ２として出力する（Ｓ１４）。
【0141】
遅延部４ｄは、電圧レベルの信号を入力する（Ｓ１５）。立ち上がり検出部４ｇは、電圧レベルの信号が立ち上がる時点を検出し（Ｓ１６）、立ち上がり信号Ｓｕｐを生成する（Ｓ１７）。立ち下がり検出部４ｈは、電圧レベルの信号が立ち下がる時点を検出し（Ｓ１８）、立ち下がり信号Ｓｄｏｗｎを生成する（Ｓ１９）。
【0142】
期間判定部４ｉは、供給切替信号ＱＰ１、回生切替信号ＱＰ２、立ち上がり信号Ｓｕｐ、及び立ち下がり信号Ｓｄｏｗｎを入力し、回生切替信号ＱＰ２と供給切替信号ＱＰ１との間の期間内に立ち上がり信号Ｓｕｐ、立ち下がり信号Ｓｄｏｗｎが有るか否かを判定する（Ｓ２０）。
【0143】
立ち上がり信号Ｓｕｐ、及び立ち下がり信号Ｓｄｏｗｎが期間内にあるときには、ＱＨ信号生成部４ｅが、立ち上がり信号Ｓｕｐに基づいて電圧切替信号ＱＨを生成し、ＱＬ信号生成部４ｆが、立ち下がり信号Ｓｄｏｗｎに基づいて電圧切替信号ＱＬを生成する（Ｓ２１）。立ち上がり信号Ｓｕｐ、及び立ち下がり信号Ｓｄｏｗｎが期間外にあるときには、遅延部４ｄは、電圧レベルの信号を所定の遅延時間だけ遅延させる（Ｓ２２）。
【0144】
Ｓ２２の後、立ち上がり信号Ｓｕｐ、及び立ち下がり信号Ｓｄｏｗｎが期間内となるまで、Ｓ１６～Ｓ２０の工程を繰り返す。遅延部４ｄの遅延時間は、電圧レベルの信号のタイミングをずらすためであるため、任意に定めることができる。
【0145】
【0146】
第２の構成例は、電圧レベルの信号を遅延させる構成であるのに対して、第３の構成例は、供給切替信号ＱＰ１、回生切替信号ＱＰ２を遅延させる構成である。第３の構成例は、電圧レベルが変化する時点と、供給切替信号ＱＰ１及び回生切替信号ＱＰ２が発生する時点とを比較し、電圧レベルが変化する時点が回生切替信号ＱＰ２と供給切替信号ＱＰ１との間の期間内に有るか否かを判定し、電圧レベルが変化する時点が期間外であるときには、供給切替信号ＱＰ１、回生切替信号ＱＰ２を遅延させる。これにより、電圧レベルが変化する時点が、回生切替信号ＱＰ２と供給切替信号ＱＰ１との間の期間内となるように制御する。
【0147】
第３の構成例の制御部４Ｃは、パルス信号生成部４ａ、ＱＰ１信号生成部４ｂ、ＱＰ２信号生成部４ｃ、遅延部４ｄ１、遅延部４ｄ２、ＱＨ信号生成部４ｅ、ＱＬ信号生成部４ｆ、立ち上がり検出部４ｇ、立ち下がり検出部４ｈ、及び期間判定部４ｉを備える。
【0148】
パルス信号生成部４ａは、図示しない外部装置あるいは内蔵装置からクロック信号を導入してパルス信号を生成し、ＱＰ１信号生成部４ｂ及びＱＰ２信号生成部４ｃにパルス信号を出力する。
【0149】
ＱＰ１信号生成部４ｂ及びＱＰ２信号生成部４ｃは、パルス信号生成部４ａで生成されたパルス信号を用いて、双方向スイッチＳＷ１のスイッチング素子のオン／オフ動作を制御する供給切替信号ＱＰ１及び回生切替信号ＱＰ２を生成する。供給切替信号ＱＰ１は、共振回路の共振動作において供給動作を制御する制御信号であり、回生切替信号ＱＰ２は、共振回路の共振動作において回生動作を制御する制御信号である。供給切替信号ＱＰ１と回生切替信号ＱＰ２との時間間隔は、共振回路の共振周波数に依存して定められる。
【0150】
また、供給切替信号ＱＰ１及び回生切替信号ＱＰ２の信号自体の時間幅は、共振回路の立ち上がり時間Ｔｒ及び立ち下がり時間Ｔｒに依存し立ち上がり及び立ち下がりが十分に完了する時間内となるように設定される。
【0151】
電源コンデンサ３１の電圧Ｖｃの電圧Ｖ１から電圧Ｖ２への切り替え動作の時点ｔＣ１は、出力コンデンサ３２に蓄積される静電エネルギーを回生する回生動作の時点ｔ４と、出力コンデンサ３２に直流電圧を供給する供給動作の時点ｔ５との間の期間Ｔ１２内に設定し、電源コンデンサ３１の電圧Ｖｃの直流電圧Ｖ２から直流電圧Ｖ１への切り替え動作の時点ｔＣ２は、出力コンデンサ３２に蓄積される静電エネルギーを回生する回生動作の時点ｔ１４と、出力コンデンサ３２に直流電圧を供給する供給動作の時点ｔ１５との間の期間Ｔ２１内に設定する。
【0152】
遅延部４ｄ１，４ｄ２は、切り替え動作の時点ｔＣ１を回生動作の動作時点と供給動作の動作時点との間の期間Ｔ１２内に設定し、切り替え動作の時点ｔＣ２を回生動作の動作時点と供給動作の動作時点との間の期間Ｔ２１内に設定するために、回生動作の動作時点からの遅延時間を定める。遅延時間ｔｄは図示しない外部装置、あるいは制御部４Ｃ内の記憶装置（図示していない）に格納しておいたデータを読み込むことで取得することができる。遅延時間ｔｄは、切り替え動作の時点ｔＣ１の設定では期間Ｔ１２の時間幅に設定され、切り替え動作の時点ｔＣ２の設定では期間Ｔ２１の時間幅に設定される。
【0153】
遅延部４ｄ１は、電圧レベルが変化する時点が供給切替信号ＱＰ１及び回生切替信号ＱＰ２が発生する時点と間の期間外にあるときに遅延時間を生成し、電圧レベルが変化する時点が、供給切替信号ＱＰ１に対して所定時間だけ進んだ関係となるように供給切替信号ＱＰ１を遅延させる制御を行う。供給切替信号ＱＰ１の時点に対して電圧レベルの変化時点が所定時間だけ進んだ関係とすることにより、電圧レベルの変化時点を回生切替信号ＱＰ２が発生する時点と供給切替信号ＱＰ１が発生する時点との間の期間内に設定する。
【0154】
遅延部４ｄ２は、電圧レベルが変化する時点が供給切替信号ＱＰ１及び回生切替信号ＱＰ２が発生する時点と間の期間外にあるときに遅延時間を生成し、電圧レベルが変化する時点が回生切替信号ＱＰ２に対して所定時間だけ遅れた関係となるように、回生切替信号ＱＰ２を進める制御を行う。回生切替信号ＱＰ２の時点に対して、電圧レベルの変化時点が所定時間だけ遅れた関係とすることにより、電圧レベルの変化時点を回生切替信号ＱＰ２が発生する時点と供給切替信号ＱＰ１が発生する時点の間の期間内に設定する。なお、遅延部４ｄ２では、所定時間だけ進ませる制御は、一周期の遅れ分を含む遅延制御に相当するとして遅延の用語を用いている。
【0155】
立ち上がり検出部４ｇ、立ち下がり検出部４ｈは、電圧レベルの信号を入力し、その信号の立ち上がり時点及び立ち下がり時点を検出する。
【0156】
ＱＨ信号生成部４ｅは、立ち上がり検出部４ｇからの信号を受けて電圧切替信号ＱＨを生成する。ＱＬ信号生成部４ｆは、立ち下がり検出部４ｈからの信号を受けて電圧切替信号ＱＬを生成する。
【0157】
電圧切替前の電圧が電圧レベルＶ１である場合には、電圧切替信号ＱＨをＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルに切り替えると共に、電圧切替信号ＱＬをＬｏｗレベルからＨｉｇｈレベルに切り替え、直流電源部２のスイッチング素子ＳＷ２を切り替える。これにより、直流電源２２の電圧レベルＶ２が出力される。
【0158】
一方、電圧切替前の電圧が電圧レベルＶ２である場合には、電圧切替信号ＱＨをＬｏｗレベルからＨｉｇｈレベルに切り替えると共に、電圧切替信号ＱＬをＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルに切り替え、直流電源部２のスイッチング素子ＳＷ２を切り替え、これにより、直流電源２１の電圧レベルＶ１が出力される。
【0159】
期間判定部４ｉは、ＱＰ１信号生成部４ｂの供給切替信号ＱＰ１と、ＱＰ２信号生成部４ｃの回生切替信号ＱＰ２と、立ち上がり検出部４ｇの検出信号と、立ち下がり検出部４ｈの検出信号とを入力する。
【0160】
期間判定部４ｉにおいて、立ち上がり検出部４ｇの検出信号と立ち下がり検出部４ｈの検出信号の両方の信号あるいは何れか一方の信号によって電圧レベルの変化時点を検出し、回生切替信号ＱＰ２と供給切替信号ＱＰ１との間から電圧レベルを変化させるに適した期間を求め、電圧レベルの変化時点がこの期間内にあるか否かを判定する。
【0161】
電圧レベルの変化時点が期間内にあると判定したときには、ＱＨ信号生成部４ｅから電圧切替信号ＱＨを出力させ、ＱＬ信号生成部４ｆから電圧切替信号ＱＬを出力させる。一方、電圧レベルの変化時点が期間外にあると判定したときには、遅延部４ｄ１において供給切替信号ＱＰ１を所定時間分だけ遅延又は進行させるとともに、遅延部４ｄ２において回生切替信号ＱＰ２を所定時間分だけ遅延又は進行させることにより、電圧レベルの信号を供給切替信号ＱＰ１及び回生切替信号ＱＰ２に対して相対的に遅延又は進行させて、電圧レベルの変化時点が期間内となるようにする。
【0162】
図１３は、図１１（ｂ）に示した第３の構成例の制御例を示すためのフローチャートである。Ｓ３１～Ｓ３４は、供給切替信号ＱＰ１及び回生切替信号ＱＰ２を生成する工程であり、Ｓ３５～Ｓ３９が、電圧レベルの変化時点を検出する工程であり、Ｓ４０～Ｓ４２は、電圧レベルの変化時点が所定期間内であるか否かを判定し、判定結果に基づいて必要に応じて電圧レベルの信号を遅延させて、電圧切替信号ＱＨ、ＱＬを生成する工程である。
【0163】
パルス信号生成部４ａは、クロック信号を受け（Ｓ３１）、パルス信号を生成する（Ｓ３２）。ＱＰ１信号生成部４ｂは、パルス信号を供給切替信号ＱＰ１として出力する（Ｓ３３）。ＱＰ２信号生成部４ｃは、パルス信号生成部４ａから入力する次のパルス信号を回生切替信号ＱＰ２として出力する（Ｓ３４）。
【0164】
立ち上がり検出部４ｇ及び立ち下がり検出部４ｈは、電圧レベルの信号を入力する（Ｓ３５）。立ち上がり検出部４ｇは、電圧レベルの信号が立ち上がる時点を検出し（Ｓ３６）、立ち上がり信号Ｓｕｐを生成する（Ｓ３７）。立ち下がり検出部４ｈは、電圧レベルの信号が立ち下がる時点を検出し（Ｓ３８）、立ち下がり信号Ｓｄｏｗｎを生成する（Ｓ３９）。
【0165】
期間判定部４ｉは、供給切替信号ＱＰ１、回生切替信号ＱＰ２、立ち上がり信号Ｓｕｐ、及び立ち下がり信号Ｓｄｏｗｎを入力し、回生切替信号ＱＰ２と供給切替信号ＱＰ１との間の期間内に立ち上がり信号Ｓｕｐ、立ち下がり信号Ｓｄｏｗｎが有るか否かを判定する（Ｓ４０）。
【0166】
立ち上がり信号Ｓｕｐ、及び立ち下がり信号Ｓｄｏｗｎが期間内にあるときには、ＱＨ信号生成部４ｅが、立ち上がり信号Ｓｕｐに基づいて電圧切替信号ＱＨを生成し、ＱＬ信号生成部４ｆが、立ち下がり信号Ｓｄｏｗｎに基づいて電圧切替信号ＱＬを生成する（Ｓ４１）。立ち上がり信号Ｓｕｐ、及び立ち下がり信号Ｓｄｏｗｎが期間外にあるときには、遅延部４ｄ１が供給切替信号ＱＰ１を所定時間分だけ遅延又は進行させ、遅延部４ｄ２が回生切替信号ＱＰ２を所定時下分だけ遅延又は施行させる。これにより、電圧レベルの信号を供給切替信号ＱＰ１及び回生切替信号ＱＰ２に対して相対的に遅延又は進行させて、電圧レベルの変化時点が期間内となるようにする（Ｓ４２）。
【0167】
Ｓ４２の後、立ち上がり信号Ｓｕｐ、及び立ち下がり信号Ｓｄｏｗｎが期間内となるまでＳ４０，Ｓ４２の工程を繰り返す。遅延部４ｄの遅延時間は電圧レベルの信号と供給切替信号ＱＰ１及び回生切替信号ＱＰ２との関係が期間内と成るようにタイミングをずらすためであるためであり、任意に定めることができる。
【0168】
（４）誤制御時における各部信号、電圧波形、及び動作例
以下、制御部による電圧レベルの切替動作が誤制御されて場合を説明する。
以下、制御部による電圧レベルの切替動作が誤制御されて場合を説明する。
【0169】
（４ａ）誤制御時の各部信号、電圧波形
図１４を用いて誤制御時の各部信号、及び電圧波形を説明する。図１４は、多レベル直流パルス電源が正常に制御されずに誤制御された時の各部信号、及び電圧波形を示している。なお、構成部分に付した番号は図１に基づいている。
図１４を用いて誤制御時の各部信号、及び電圧波形を説明する。図１４は、多レベル直流パルス電源が正常に制御されずに誤制御された時の各部信号、及び電圧波形を示している。なお、構成部分に付した番号は図１に基づいている。
【0170】
図１４（ａ）は、電源コンデンサ３１の電圧Ｖｃの電圧波形を示し、電源コンデンサ３１の電圧Ｖｃは、電圧Ｖ１と電圧Ｖ２との間で交互に間隔Ｔｖｃで周期変化する電圧波形の例を示している。この間隔Ｔｖｃは、多レベル直流パルス電源１が出力する高周波パルスの電圧波高値が変化する周期間隔となる。
【0171】
図１４（ｂ）は、電圧切替信号ＱＨの信号波形を示し、スイッチング素子ＳＷ２の直流電源２１に接続される側をオン状態に切り替え、負方向に高電圧の電圧Ｖ１を共振部３に供給し、電源コンデンサ３１を電圧Ｖ１に充電する。
【0172】
図１４（ｃ）は、電圧切替信号ＱＬの信号波形を示し、スイッチング素子ＳＷ２の直流電源２２に接続される側をオン状態に切り替え、負方向に低電圧の電圧Ｖ２を共振部３に供給し、電源コンデンサ３１を電圧Ｖ２に充電する。
【0173】
図１４（ｄ）は、供給切替信号ＱＰ１の信号波形を示し、双方向スイッチＳＷ１のダイオードＤ１が接続される側をオン状態に切り替え、電源コンデンサ３１をリアクトル３３を介して出力コンデンサ３２に接続してπ型ＬＣ共振回路を構成する。この接続によるπ型ＬＣ共振回路では、ダイオードＤ１は、出力コンデンサ３２から電源コンデンサ３１に向かう方向が順方向であるため、電源コンデンサ３１の電圧Ｖｃが、出力コンデンサ３２に印加される供給動作となる。
【0174】
図１４（ｅ）は、回生切替信号ＱＰ２の信号波形を示し、双方向スイッチＳＷ１のダイオードＤ２が接続される側をオン状態に切り替え、電源コンデンサ３１をリアクトル３３を介して出力コンデンサ３２に接続してπ型ＬＣ共振回路を構成する。この接続によるπ型ＬＣ共振回路では、ダイオードＤ１は、電源コンデンサ３１からに出力コンデンサ３２向かう方向が順方向であるため、出力コンデンサ３２の出力電圧Ｖｏｕｔが、電源コンデンサ３１に戻される回生動作となる。
【0175】
図１４（ｆ）は、多レベル直流パルス電源１の出力電圧Ｖｏｕｔの電圧波形を示している。正常に制御されている場合には、出力コンデンサ３２には、供給切替信号ＱＰ１の供給動作によって負電圧が発生し、回生切替信号ＱＰ２の回生動作によって零電圧が発生する。
【0176】
多レベル直流パルス電源の共振部３の出力端の出力電圧Ｖｏｕｔは出力コンデンサ３２の電圧であり、供給切替信号ＱＰ１による供給動作で生じる負電圧と回生切替信号ＱＰ２による回生動作で生じる零電圧との間を共振部３による共振動作によって周期的に変化する高周波パルス電圧となる。この高周波パルス電圧の負電圧の電圧値は直流電圧Ｖ１，Ｖ２であり、直流電源部２の切り替え動作に応じて変化する。
【0177】
誤制御によって電圧切替信号ＱＨ，ＱＬの切替時点と、供給切替信号ＱＰ１及び回生切替信号ＱＰ２の発生時点との関係がずれた場合には、出力電圧Ｖｏｕｔに誤電圧が発生する。図１４（ｆ）の“Ｐ”で示す電圧波形は、回生時において出力電圧Ｖｏｕｔに正のピーク電圧が発生する誤動作状態を示し、図１４（ｆ）の“Ｑ”で示す電圧波形は、回生時において回生動作とならず出力電圧Ｖｏｕｔが零電圧に戻らない誤動作状態を示している。
【0178】
（４ｂ）電圧レベルＶ１から電圧レベルＶ２への切り替え時の誤制御の態様
電圧レベルＶ１から電圧レベルＶ２への切り替え時の誤制御の態様について、図１５～図２２を用いて説明する。図１５、図１７、図１９、及び図２１は各部信号、電圧波形の要部を示し、図１６、図１８、図２０、及び図２２は動作状態を示している。
電圧レベルＶ１から電圧レベルＶ２への切り替え時の誤制御の態様について、図１５～図２２を用いて説明する。図１５、図１７、図１９、及び図２１は各部信号、電圧波形の要部を示し、図１６、図１８、図２０、及び図２２は動作状態を示している。
【0179】
区間Ａ、区間Ｂ、区間Ｃ、区間Ｄ、及び区間Ｅは、供給切替信号ＱＰ１及び回生切替信号ＱＰ２の信号状態の組み合わせで区分される区間を示している。区間Ａは、供給切替信号ＱＰ１がＨｉｇｈレベルの状態からＬｏｗレベルの状態となった後に回生切替信号ＱＰ２がＨｉｇｈレベルの状態となるまでの区間を示し、区間Ｂは、回生切替信号ＱＰ２がＨｉｇｈレベルの状態である区間を示し、区間Ｃは、回生切替信号ＱＰ２がＨｉｇｈレベルの状態から供給切替信号ＱＰ１がＬｏｗレベルの状態となるまでの区間を示し、区間Ｄは、供給切替信号ＱＰ１がＨｉｇｈレベルの状態である区間を示し、区間Ｅは、供給切替信号ＱＰ１がＨｉｇｈレベルの状態からＬｏｗレベルの状態となった後に回生切替信号ＱＰ２がＨｉｇｈレベルの状態となるまでの区間を示している。
【0180】
前記したように、区間Ｃは、この区間内で電圧レベルを切替えることにより正常に制御が行われる区間である。これに対して、区間Ａ、区間Ｂ、区間Ｄ、及び区間Ｅは、この区間内において電圧レベルの切替えが行われると正常な制御が行われずに誤動作となる区間である。以下、区間Ａ、区間Ｂ、区間Ｄ、及び区間Ｅについて説明する。
【0181】
（区間Ａにおける電圧レベル切替）
区間Ａは、供給切替信号ＱＰ１がＨｉｇｈレベルの状態からＬｏｗレベルの状態となった後に回生切替信号ＱＰ２がＨｉｇｈレベルの状態となるまでの区間である。
区間Ａにおいて電圧レベルが切り替わった場合の誤動作について、図１５及び図１６を用いて説明する。なお、図１５では時点ｔＡ、ｔ３～ｔ６について示している。
区間Ａは、供給切替信号ＱＰ１がＨｉｇｈレベルの状態からＬｏｗレベルの状態となった後に回生切替信号ＱＰ２がＨｉｇｈレベルの状態となるまでの区間である。
区間Ａにおいて電圧レベルが切り替わった場合の誤動作について、図１５及び図１６を用いて説明する。なお、図１５では時点ｔＡ、ｔ３～ｔ６について示している。
【0182】
図１５（ｂ）、（ｃ）は電圧切替信号ＱＨ、ＱＬを示し、図１５（ａ）は電圧切替信号ＱＨ、ＱＬによって切替えられた電源コンデンサ３１の電圧Ｖｃを示している。図１５（ｆ）において、実線で示す出力電圧Ｖｏｕｔは、区間Ａにおいて電圧レベルが切り替わった場合の誤動作状態を示し、破線で示す出力電圧Ｖｏｕｔは、正常動作状態を示している。
【0183】
区間Ａ内の時点ｔＡにおいて、直流電源部２の直流電圧が電圧Ｖ１から電圧Ｖ２に切り替わる。これにより、区間Ｂの時点ｔ３において、回生切替信号ＱＰ２がＬｏｗレベルの状態からＨｉｇｈレベルの状態に切り替わると、出力電圧Ｖｏｕｔは、電圧（２×Ｖ１）から立ち上がって正のピーク電圧が発生する。ここで、図中の符号Ｐ１はピーク電圧の発生時点を示している。多レベル直流パルス電源１が容量性負荷に電力を供給する場合には、供給する電圧は負電圧であることが求められる。そのため、正電圧の発生は望ましく誤動作となる。
【0184】
出力電圧Ｖｏｕｔは、区間Ｂ内を時定数Ｔｒで零電圧に向かって減少する。回生切替信号ＱＰ２がＨｉｇｈレベルの状態であるｔ３からｔ４までの時間幅は、正のピーク電圧が零電圧に減少するまでの時間幅である時定数Ｔｒによって設定される。
【0185】
区間Ｃの間において、出力電圧Ｖｏｕｔは零電圧に保持される。区間Ｄの時点ｔ５において、供給切替信号ＱＰ１がＬｏｗレベルの状態からＨｉｇｈレベルの状態に切り替わると、出力電圧Ｖｏｕｔは電圧Ｖ２に向かって降圧し、区間Ｅにおいて電圧Ｖ２が保持される。
【0186】
図１６は、時点ｔ１，ｔ２，ｔＡ，ｔ３，ｔ４での動作状態を示している。ここでは、ＬＣ共振回路としてπ型ＬＣ共振回路の例を示している。
【0187】
図１６（ａ）は、時点ｔ１における供給時の動作状態を示している。電源コンデンサ３１の電圧Ｖｃは、直流電源２１の電圧レベルＶ１によって充電された電圧Ｖ１である。双方向スイッチＳＷ１は、供給切替信号ＱＰ１のオン信号及び回生切替信号ＱＰ２のオフ信号によって、ダイオードＤ１が導通する方向に切り替わり、電源コンデンサ３１と出力コンデンサ３２とリアクトル３３のπ型ＬＣ共振回路が形成され、共振動作によって電源コンデンサ３１から出力コンデンサ３２への充電電流の供給が行われる。ここでは、電圧Ｖ１は負電圧であるため、リアクトル３３を流れる電流方向は、出力コンデンサ３２側から電源コンデンサ３１側に向かう方向である。
【0188】
共振動作により、出力電圧Ｖｏｕｔは、電源コンデンサ３１の充電電圧である電圧Ｖ１とリアクトル３３のインダクタ電圧ＶＬ（＝２×Ｖ１－Ｖ１）を加算した電圧（Ｖ１＋ＶＬ）となる。インダクタ電圧ＶＬはＶ１となるため、出力電圧Ｖｏｕｔは電圧（２×Ｖ１）となる。なお、リアクトル３３を流れる電流方向が出力コンデンサ３２側から電源コンデンサ３１側に向かう方向であることから、出力電圧Ｖｏｕｔは負電圧である。出力コンデンサ３２の充電電圧は電圧（２×Ｖ１）に充電される。
【0189】
図１６（ｂ）は、時点ｔ２における保持時の動作状態を示している。双方向スイッチＳＷ１は、供給切替信号ＱＰ１及び回生切替信号ＱＰ２が共にオフ信号であることから、オフ状態となり共振動作が停止する。共振動作が停止することにより、出力コンデンサ３２の充電電圧は電圧（２×Ｖ１）に保持され、出力電圧Ｖｏｕｔも電圧（２×Ｖ１）に保持される。
【0190】
図１６（ｃ）は、直流電源部２の直流電圧が電圧Ｖ１から電圧Ｖ２に切り替わる時点ｔＡにおける動作状態を示している。スイッチング素子ＳＷ２の切り替わりにより、直流電源部２の直流電圧が電圧Ｖ１から電圧Ｖ２に切り替わる。直流電圧が電圧Ｖ１から電圧Ｖ２に切り替わることにより、電源コンデンサ３１の電圧は電圧Ｖ２となる。双方向スイッチＳＷ１は、供給切替信号ＱＰ１及び回生切替信号ＱＰ２が共にオフ信号であることから、オフ状態であり共振動作が停止しているため、出力コンデンサ３２の充電電圧は電圧（２×Ｖ１）に保持され、出力電圧Ｖｏｕｔも電圧（２×Ｖ１）に保持されている。
【0191】
図１６（ｄ）は、時点ｔ３における回生時の動作状態を示している。双方向スイッチＳＷ１は、供給切替信号ＱＰ１のオフ信号及び回生切替信号ＱＰ２のオン信号によって、ダイオードＤ２が導通する方向に切り替わり、電源コンデンサ３１と出力コンデンサ３２とリアクトル３３のπ型ＬＣ共振回路が形成され、共振動作によって出力コンデンサ３２から電源コンデンサ３１への放電電流の回生が行われる。ここでは、出力コンデンサ３２の電圧が電圧（２×Ｖ１）であり、電源コンデンサ３１の電圧が電圧Ｖ２であり、共に負電圧であって２×Ｖ１＜Ｖ２の関係にあるため、リアクトル３３を流れる電流方向は、電源コンデンサ３１側から出力コンデンサ３２側に向かう方向である。
【0192】
共振動作による回生により、出力電圧Ｖｏｕｔは、ダイオードＤ２の順方向を考慮すると、電源コンデンサ３１の充電電圧である電圧Ｖ１とリアクトル３３のインダクタ電圧ＶＬを加算した電圧（Ｖ２－ＶＬ）となる。インダクタ電圧ＶＬは電圧（２×Ｖ１－Ｖ２）となるため、出力電圧Ｖｏｕｔは、電圧（Ｖ２－（２×Ｖ１－Ｖ２））＝２（Ｖ１－Ｖ２）となる。出力コンデンサ３２の充電電圧は、電圧（２×Ｖ１）から電圧（２×（Ｖ１－Ｖ２））に向けて放電される。
【0193】
ここで、リアクトル３３を流れる電流方向が電源コンデンサ３１側から出力コンデンサ３２側に向かう方向であることから、出力電圧Ｖｏｕｔは正電圧となり、正のピーク電圧が発生する。ここで、図中の符号Ｐ１はピーク電圧の発生時点を示している。その後、出力電圧Ｖｏｕｔは、零電圧に向かって共振回路の時定数Ｔｒで減少する。
【0194】
図１６（ｅ）は、時点ｔ４における保持時の動作状態を示している。双方向スイッチＳＷ１は、供給切替信号ＱＰ１及び回生切替信号ＱＰ２が共にオフ信号であることから、オフ状態となり共振動作が停止する。共振動作が停止することにより、出力コンデンサ３２の充電電圧は零電圧に保持され、出力電圧Ｖｏｕｔも零電圧に保持される。
【0195】
したがって、区間Ａにおいて電圧レベルが切り替わった場合には、回生動作時に正のピーク電圧が発生するという誤動作が発生する。
【0196】
（区間Ｂにおける電圧レベル切替）
区間Ｂは、回生切替信号ＱＰ２がＨｉｇｈレベルの状態となっている区間である。区間Ｂにおいて電圧レベルが切り替わった場合の誤動作について、図１７及び図１８を用いて説明する。なお、図１８では時点ｔＢ、ｔ１～ｔ６について示している。
区間Ｂは、回生切替信号ＱＰ２がＨｉｇｈレベルの状態となっている区間である。区間Ｂにおいて電圧レベルが切り替わった場合の誤動作について、図１７及び図１８を用いて説明する。なお、図１８では時点ｔＢ、ｔ１～ｔ６について示している。
【0197】
図１７（ｂ）、（ｃ）は、電圧切替信号ＱＨ、ＱＬを示し、図１７（ａ）は、電圧切替信号ＱＨ、ＱＬによって切替えられた電源コンデンサ３１の電圧Ｖｃを示している。図１７（ｆ）において、実線で示す出力電圧Ｖｏｕｔは、区間Ｂにおいて電圧レベルが切り替わった場合の誤動作状態を示し、破線で示す出力電圧Ｖｏｕｔは、正常動作状態を示している。
【0198】
区間Ｂ内の時点ｔＢにおいて、直流電源部２の直流電圧が電圧Ｖ１から電圧Ｖ２に切り替わる。これにより、区間Ｂの時点ｔ３において、回生切替信号ＱＰ２がＬｏｗレベルの状態からＨｉｇｈレベルの状態に切り替わると（図１７（ｄ））、出力電圧Ｖｏｕｔは電圧（２×Ｖ１）から零電圧に向かって時定数Ｔｒで上昇し始める。しかしながら、時点ｔＢにおいて電源コンデンサ３１の電圧がＶ２に切り替わるため、時点ｔＢにおいて出力コンデンサ３２の電圧が電圧Ｖαまで上昇し、出力電圧Ｖｏｕｔは電圧（２×Ｖ２－Ｖα）となる（図１７（ｆ））。なお、電圧Ｖαは時点ｔ３から時点ｔＢまでの間に時定数Ｔｒで上昇したときの出力コンデンサ３２の電圧値を示している。
【0199】
ここで、出力コンデンサ３２の電圧Ｖαが電圧Ｖ２と同程度まで上昇したとすると、出力電圧Ｖｏｕｔは、電圧Ｖ２（＝２×Ｖ２－Ｖα＝２×Ｖ２－Ｖ２）となる。出力電圧Ｖｏｕｔは、回生状態によって零電圧となるまで上昇することが求められるが、図中のＰ２で示す時点において、電圧Ｖ２で回生動作が停止するという誤動作が生じる。
【0200】
区間Ｃにおいて、出力電圧Ｖｏｕｔは電圧Ｖαに保持される。区間Ｄの時点ｔ５において、供給切替信号ＱＰ１がＬｏｗレベルの状態からＨｉｇｈレベルの状態に切り替わると（図１７（ｅ））、電源コンデンサ３１と出力コンデンサ３２の電圧は、共に電圧Ｖ２であることから電圧Ｖ２に保持され、区間Ｅにおいても電圧Ｖ２が保持される（図１７（ｆ））。図中のＰ３で示す時点において、電圧Ｖ２で回生動作が停止するという誤動作が生じる。
【0201】
図１８は、時点ｔ１～ｔ６、ｔＢでの動作状態を示している。ここでは、ＬＣ共振回路としてπ型ＬＣ共振回路の例を示している。
【0202】
図１８（ａ）は、時点ｔ１における供給時の動作状態を示している。電源コンデンサ３１の電圧Ｖｃは、直流電源２１の電圧レベルＶ１によって充電された電圧Ｖ１である。双方向スイッチＳＷ１は、供給切替信号ＱＰ１のオン信号及び回生切替信号ＱＰ２のオフ信号によって、ダイオードＤ１が導通する方向に切り替わり、電源コンデンサ３１と出力コンデンサ３２とリアクトル３３のπ型ＬＣ共振回路が形成され、共振動作によって電源コンデンサ３１から出力コンデンサ３２への充電電流の供給が行われる。ここでは、電圧Ｖ１は負電圧であるため、リアクトル３３を流れる電流方向は、出力コンデンサ３２側から電源コンデンサ３１側に向かう方向である。
【0203】
共振動作により、出力電圧Ｖｏｕｔは、電源コンデンサ３１の充電電圧である電圧Ｖ１とリアクトル３３のインダクタ電圧ＶＬ（＝２×Ｖ１－Ｖ１）を加算した電圧（Ｖ１＋ＶＬ）となる。インダクタ電圧ＶＬは電圧Ｖ１となるため、出力電圧Ｖｏｕｔは電圧（２×Ｖ１）となる。なお、リアクトル３３を流れる電流方向が、出力コンデンサ３２側から電源コンデンサ３１側に向かう方向であることから、出力電圧Ｖｏｕｔは負電圧である。出力コンデンサ３２の充電電圧は、電圧（２×Ｖ１）に充電される。
【0204】
図１８（ｂ）は、時点ｔ２における保持時の動作状態を示している。双方向スイッチＳＷ１は、供給切替信号ＱＰ１及び回生切替信号ＱＰ２が共にオフ信号であることから、オフ状態となり共振動作が停止する。共振動作が停止することにより、出力コンデンサ３２の充電電圧は電圧（２×Ｖ１）に保持され、出力電圧Ｖｏｕｔも電圧（２×Ｖ１）に保持される。
【0205】
図１８（ｃ）は、時点ｔ３における回生時の動作状態を示している。双方向スイッチＳＷ１は、供給切替信号ＱＰ１のオフ信号及び回生切替信号ＱＰ２のオン信号によって、ダイオードＤ２が導通する方向に切り替わり、電源コンデンサ３１と出力コンデンサ３２とリアクトル３３のπ型ＬＣ共振回路が形成され、共振動作によって出力コンデンサ３２から電源コンデンサ３１への放電電流の回生が行われる。ここでは、出力コンデンサ３２の電圧が電圧（２×Ｖ１）であり、電源コンデンサ３１の電圧が電圧Ｖ１であり、共に負電圧であって２×Ｖ１＜Ｖ１の関係にあるため、リアクトル３３を流れる電流方向は、電源コンデンサ３１側から出力コンデンサ３２側に向かう方向である。
【0206】
共振動作による回生により、出力電圧Ｖｏｕｔは、ダイオードＤ２の順方向を考慮すると、電源コンデンサ３１の充電電圧である電圧Ｖ１とリアクトル３３のインダクタ電圧ＶＬを加算した電圧（Ｖ１－ＶＬ）となる。インダクタ電圧ＶＬは電圧（２×Ｖ１－Ｖ１）となるため、出力電圧Ｖｏｕｔは零電圧（＝（Ｖ１－Ｖ１））となる。出力コンデンサ３２の充電電圧は、電圧（２×Ｖ１）から零電圧に向けて共振回路の時定数Ｔｒで放電される。
【0207】
図１８（ｄ）は、直流電源部２の直流電圧が電圧Ｖ１から電圧Ｖ２に切り替わる時点ｔＢにおける動作状態を示している。スイッチング素子ＳＷ２の切り替わりにより、直流電源部２の直流電圧が電圧Ｖ１から電圧Ｖ２に切り替わる。直流電圧が電圧Ｖ１から電圧Ｖ２に切り替わることにより、電源コンデンサ３１の電圧は電圧Ｖ２となる。双方向スイッチＳＷ１は、供給切替信号ＱＰ１がオフ信号であり、回生切替信号ＱＰ２がオン信号であることから、出力電圧Ｖｏｕｔは電圧（２×Ｖ１）から零電圧に向かって時定数Ｔｒで上昇し始める。
【0208】
区間Ｂの時点ｔＢにおいて、電源コンデンサ３１の電圧が電圧Ｖ２に切り替わるため、時点ｔＢにおいて電圧Ｖαまで上昇した後、インダクタ電圧（Ｖα－Ｖ２）と電源コンデンサ３１の電圧Ｖ２により電圧（（Ｖ２－（Ｖα－Ｖ２）＝（２×Ｖ２－Ｖα））となる。電圧Ｖαが電圧Ｖ２であるときには出力電圧Ｖｏｕｔは電圧Ｖ２となる。以下、出力電圧Ｖｏｕｔが電圧Ｖ２であるとして説明する。
【0209】
図１８（ｅ）は、時点ｔ４における保持時の動作状態を示している。双方向スイッチＳＷ１は、供給切替信号ＱＰ１及び回生切替信号ＱＰ２が共にオフ信号であることから、オフ状態となり共振動作が停止する。共振動作が停止することにより、出力コンデンサ３２の充電電圧は電圧Ｖ２に保持され、出力電圧Ｖｏｕｔも電圧Ｖ２に保持される。
【0210】
図１８（ｆ）は、時点ｔ５における供給時の動作状態を示している。電源コンデンサ３１の電圧Ｖｃは、直流電源２２の電圧レベルＶ２によって充電された電圧Ｖ２である。双方向スイッチＳＷ１は、供給切替信号ＱＰ１のオン信号及び回生切替信号ＱＰ２のオフ信号によって、ダイオードＤ１が導通する方向に切り替わり、電源コンデンサ３１と出力コンデンサ３２とリアクトル３３のπ型ＬＣ共振回路が形成される。しかしながら、電源コンデンサ３１と出力コンデンサは共に電圧Ｖ２であるため、共振動作による電源コンデンサ３１から出力コンデンサ３２への充電電流の供給は行われない。
【0211】
図１８（ｇ）は、時点ｔ６における保持時の動作状態を示している。双方向スイッチＳＷ１は、供給切替信号ＱＰ１及び回生切替信号ＱＰ２が共にオフ信号であることから、オフ状態となり共振動作が停止する。共振動作が停止することにより、出力コンデンサ３２の充電電圧は電圧Ｖ２に保持され、出力電圧Ｖｏｕｔも電圧Ｖ２に保持される。
【0212】
（区間Ｄにおける電圧レベル切替）
区間Ｄは、供給切替信号ＱＰ１がＨｉｇｈレベルの状態となっている区間である。区間Ｄにおいて、電圧レベルが切り替わった場合の誤動作について、図１９及び図２０を用いて説明する。なお、図２０では時点ｔＤ、ｔ３～ｔ６について示している。
区間Ｄは、供給切替信号ＱＰ１がＨｉｇｈレベルの状態となっている区間である。区間Ｄにおいて、電圧レベルが切り替わった場合の誤動作について、図１９及び図２０を用いて説明する。なお、図２０では時点ｔＤ、ｔ３～ｔ６について示している。
【0213】
図１９（ｂ）、（ｃ）は、電圧切替信号ＱＨ、ＱＬを示し、図１９（ａ）は、電圧切替信号ＱＨ、ＱＬによって切り替えられた電源コンデンサ３１の電圧Ｖｃを示している。図１９（ｆ）において、実線で示す出力電圧Ｖｏｕｔは、区間Ｄにおいて電圧レベルが切り替わった場合の誤動作状態を示し、破線で示す出力電圧Ｖｏｕｔは、正常動作状態を示している。
【0214】
区間Ｂの時点ｔ３において、回生切替信号ＱＰ２が、Ｌｏｗレベルの状態からＨｉｇｈレベルの状態に切り替わると（図１９（ｄ））、出力電圧Ｖｏｕｔは、電圧（２×Ｖ１）から零電圧に向かって時定数Ｔｒで上昇を始め、時点ｔ４で零電圧となる。回生切替信号ＱＰ２がＨｉｇｈレベルの状態であるｔ３からｔ４までの時間幅は、共振回路の時定数Ｔｒによって設定することによって時点ｔ４で零電圧とすることができる（図１９（ｆ））。
【0215】
区間Ｃの間において、出力電圧Ｖｏｕｔは零電圧に保持される。区間Ｄの時点ｔ５において、供給切替信号ＱＰ１がＬｏｗレベルの状態からＨｉｇｈレベルの状態に切り替わると（図１９（ｅ））、電源コンデンサ３１の電圧は電圧Ｖ１であり、出力コンデンサ３２の電圧は零電圧であるため、出力電圧Ｖｏｕｔは零電圧から電圧（２×Ｖ１）に向かって時定数Ｔｒで降下する（図１９（ｆ））。区間Ｄ内の時点ｔＤにおいて、電圧レベルが電圧Ｖ１から電圧Ｖ２に切り替わると、出力電圧Ｖｏｕｔは時点ｔＤにおいて電圧Ｖβまで降下する（図１９（ｆ））。電圧Ｖβは、時点ｔ５から時点ｔＤまでの間に時定数Ｔｒで降下した電圧値を示している。
【0216】
電圧Ｖβまで降下した時点では、電源コンデンサ３１の電圧は電圧Ｖ２となっている。電圧Ｖβが電圧Ｖ２よりも低電圧であるときには、出力コンデンサ３２と電源コンデンサ３１との電圧差は、ダイオードＤ２に対して逆電圧とするために、出力電圧Ｖｏｕｔは電圧Ｖβに保持される。また、電圧Ｖβが電圧Ｖ２よりも高電圧であるときには、インダクタ電圧は電圧（Ｖβ－Ｖ２）となるため、出力電圧Ｖｏｕｔは電圧Ｖβ（＝（Ｖβ－Ｖ２）＋Ｖ２）となり、出力電圧Ｖｏｕｔは電圧Ｖβに保持される（図１９（ｆ））。図中のＰ４で示す時点において、電圧Ｖβで回生動作が停止するという誤動作が生じる。
【0217】
区間Ｅの時点ｔ６において、供給切替信号ＱＰ１はＨｉｇｈレベルの状態からＬｏｗレベルの状態に変化する。双方向スイッチＳＷ１はオフ状態となり、出力電圧Ｖｏｕｔは電圧Ｖβに保持される（図１９（ｆ））。
【0218】
上記したように、区間Ｄ内の時点ｔＤにおいて、電圧レベルが電圧Ｖ１から電圧Ｖ２に切り替わると正常に動作せずに誤動作となり、供給状態で得られる出力電圧Ｖｏｕｔは電圧（２×Ｖ２）とならず電圧Ｖβとなる。
【0219】
図２０は、時点ｔ３～ｔ６，ｔＤでの動作状態を示し、時点ｔ１，ｔ２は省略している。ここでは、ＬＣ共振回路としてπ型ＬＣ共振回路の例を示している。
【0220】
図２０（ａ）は、時点ｔ３における回生時の動作状態を示している。双方向スイッチＳＷ１は、供給切替信号ＱＰ１のオフ信号及び回生切替信号ＱＰ２のオン信号によって、ダイオードＤ２が導通する方向に切り替わり、電源コンデンサ３１と出力コンデンサ３２とリアクトル３３のπ型ＬＣ共振回路が形成され、共振動作によって出力コンデンサ３２から電源コンデンサ３１への放電電流の回生が行われる。ここでは、出力コンデンサ３２の電圧が電圧（２×Ｖ１）であり電源コンデンサ３１の電圧が電圧Ｖ１であり、共に負電圧であって２×Ｖ１＜Ｖ１の関係にあるため、リアクトル３３を流れる電流方向は、電源コンデンサ３１側から出力コンデンサ３２側に向かう方向である。
【0221】
共振動作による回生により、出力電圧Ｖｏｕｔは、ダイオードＤ２の順方向を考慮すると電源コンデンサ３１の充電電圧である電圧Ｖ１とリアクトル３３のインダクタ電圧ＶＬを加算した電圧（Ｖ１－ＶＬ）となる。インダクタ電圧ＶＬは、電圧（２×Ｖ１－Ｖ１）となるため、出力電圧Ｖｏｕｔは零電圧（＝（Ｖ１－Ｖ１））となる。出力コンデンサ３２の充電電圧は電圧（２×Ｖ１）から零電圧に向けて共振回路の時定数Ｔｒで放電される。
【0222】
図２０（ｂ）は、時点ｔ４における保持時の動作状態を示している。双方向スイッチＳＷ１は、供給切替信号ＱＰ１及び回生切替信号ＱＰ２が共にオフ信号であることからオフ状態となり共振動作が停止する。共振動作が停止することにより、出力コンデンサ３２の充電電圧は零電圧に保持され、出力電圧ｏｕｔも零電圧に保持される。
【0223】
図２０（ｃ）は、時点ｔ５における供給時の動作状態を示している。電源コンデンサ３１の電圧Ｖｃは、直流電源２１の電圧レベルＶ１によって充電された電圧Ｖ１である。双方向スイッチＳＷ１は、供給切替信号ＱＰ１のオン信号及び回生切替信号ＱＰ２のオフ信号によって、ダイオードＤ１が導通する方向に切り替わり、電源コンデンサ３１と出力コンデンサ３２とリアクトル３３のπ型ＬＣ共振回路が形成される。
【0224】
このとき、電源コンデンサ３１の電圧は電圧Ｖ１であり、出力コンデンサ３２の電圧は零電圧であり、インダクタ電圧ＶＬが電圧Ｖ１となるため、出力電圧Ｖｏｕｔは、零電圧から電圧（２×Ｖ１）に向かって時定数Ｔｒで降下する。電圧降下は、直流電圧の切り替わり時点ｔＤまで進み、切り替わり時点ｔＤにおいて電圧Ｖβとなる。
【0225】
図２０（ｄ）は、直流電源部２の直流電圧が電圧Ｖ１から電圧Ｖ２に切り替わる時点ｔＤにおける動作状態を示している。スイッチング素子ＳＷ２の切り替わりにより、直流電源部２の直流電圧が電圧Ｖ１から電圧Ｖ２に切り替わる。直流電圧が電圧Ｖ１から電圧Ｖ２に切り替わることにより、電源コンデンサ３１の電圧は電圧Ｖ２となる。双方向スイッチＳＷ１は供給切替信号ＱＰ１がオフ信号であり、回生切替信号ＱＰ２がオン信号である。
【0226】
電圧Ｖβが電圧Ｖ２よりも低電圧であるときには、ダイオードＤ２に対する印加電圧は逆電圧となるため、出力電圧Ｖｏｕｔは電圧Ｖβに保持される。また、電圧Ｖβが電圧Ｖ２よりも高電圧であるときには、インダクタ電圧は電圧（Ｖβ－Ｖ２）となるため、出力電圧Ｖｏｕｔは電圧Ｖβ（＝（Ｖβ－Ｖ２）＋Ｖ２）となり、出力電圧Ｖｏｕｔは電圧Ｖβに保持される。
【0227】
図２０（ｅ）は、時点ｔ６における保持時の動作状態を示している。双方向スイッチＳＷ１は、供給切替信号ＱＰ１及び回生切替信号ＱＰ２が共にオフ信号であることから、オフ状態となり共振動作が停止する。共振動作が停止することにより、出力コンデンサ３２の充電電圧は電圧Ｖβに保持され、出力電圧Ｖｏｕｔも電圧Ｖβに保持される。
【0228】
（区間Ｅにおける電圧レベル切替）
区間Ｅは、供給切替信号ＱＰ１及び回生切替信号ＱＰ２が共にＬｏｗレベルの状態となっている区間である。区間Ｅにおいて、電圧レベルが切り替わった場合の誤動作について、図２１及び図２２を用いて説明する。なお、図２２では時点ｔＥ、ｔ３～ｔ６について示している。
区間Ｅは、供給切替信号ＱＰ１及び回生切替信号ＱＰ２が共にＬｏｗレベルの状態となっている区間である。区間Ｅにおいて、電圧レベルが切り替わった場合の誤動作について、図２１及び図２２を用いて説明する。なお、図２２では時点ｔＥ、ｔ３～ｔ６について示している。
【0229】
図２１（ｂ）、（ｃ）は、電圧切替信号ＱＨ、ＱＬを示し、図２１（ａ）は、電圧切替信号ＱＨ、ＱＬによって切替えられた電源コンデンサ３１の電圧Ｖｃを示している。図２１（ｆ）において、実線で示す出力電圧Ｖｏｕｔは、区間Ｅにおいて電圧レベルが切り替わった場合の誤動作状態を示し、破線で示す出力電圧Ｖｏｕｔは、正常動作状態を示している。
【0230】
区間Ｂの時点ｔ３において、回生切替信号ＱＰ２がＬｏｗレベルの状態からＨｉｇｈレベル状態に切り替わると（図２１（ｄ））、出力電圧Ｖｏｕｔは、電圧（２×Ｖ１）から零電圧に向かって時定数Ｔｒで上昇を始め、時点ｔ４で零電圧となる。回生切替信号ＱＰ２がＨｉｇｈレベルの状態であるｔ３からｔ４までの時間幅は、共振回路の時定数Ｔｒによって設定することによって、時点ｔ４で零電圧とすることができる（図２１（ｆ））。
【0231】
区間Ｃの間において、出力電圧Ｖｏｕｔは零電圧に保持される。区間Ｄの時点ｔ５において、供給切替信号ＱＰ１がＬｏｗレベルの状態からＨｉｇｈレベルの状態に切り替わると（図２１（ｅ））、電源コンデンサ３１の電圧は電圧Ｖ１であり、出力コンデンサ３２の電圧は零電圧であるため、出力電圧Ｖｏｕｔは零電圧から電圧（２×Ｖ１）に向かって時定数Ｔｒで降下する（図２１（ｆ））。
【0232】
区間Ｅの時点ｔ６において、供給切替信号ＱＰ１は、Ｈｉｇｈレベルの状態からＬｏｗレベルの状態に変化する。双方向スイッチＳＷ１はオフ状態となり、出力電圧Ｖｏｕｔは電圧（２×Ｖ１）に保持される（図２１（ｆ））。区間Ｅ内の時点ｔＥにおいて、電圧レベルが電圧Ｖ１から電圧Ｖ２に切り替わるが、双方向スイッチＳＷ１がオフ状態であるため、出力電圧Ｖｏｕｔは、電圧（２×Ｖ１）に保持される（図２１（ｆ））。
【0233】
上記したように、区間Ｅ内の時点ｔＥにおいて、電圧レベルが電圧Ｖ１から電圧Ｖ２に切り替わると、図中のＰ５で示す時点で正常に動作せずに誤動作となり、供給状態で得られる出力電圧Ｖｏｕｔは、電圧（２×Ｖ２）とならず電圧（２×Ｖ１）となる。
【0234】
図２２は、時点ｔ３～ｔ６での動作状態を示し、時点ｔ１，ｔ２は省略している。ここでは、ＬＣ共振回路としてπ型ＬＣ共振回路の例を示している。
【0235】
図２２（ａ）は、時点ｔ３における回生時の動作状態を示している。双方向スイッチＳＷ１は、供給切替信号ＱＰ１のオフ信号及び回生切替信号ＱＰ２のオン信号によって、ダイオードＤ２が導通する方向に切り替わり、電源コンデンサ３１と出力コンデンサ３２とリアクトル３３のπ型ＬＣ共振回路が形成され、共振動作によって出力コンデンサ３２から電源コンデンサ３１への放電電流の回生が行われる。ここでは、出力コンデンサ３２の電圧が電圧（２×Ｖ１）であり電源コンデンサ３１の電圧が電圧Ｖ１であり、共に負電圧であって２×Ｖ１＜Ｖ１の関係にあるため、リアクトル３３を流れる電流方向は、電源コンデンサ３１側から出力コンデンサ３２側に向かう方向である。
【0236】
共振動作による回生により、出力電圧Ｖｏｕｔは、ダイオードＤ２の順方向を考慮すると、電源コンデンサ３１の充電電圧である電圧Ｖ１とリアクトル３３のインダクタ電圧ＶＬを加算した電圧（Ｖ１－ＶＬ）となる。インダクタ電圧ＶＬは電圧（２×Ｖ１－Ｖ１）となるため、出力電圧Ｖｏｕｔは零電圧（＝（Ｖ１－Ｖ１））となる。出力コンデンサ３２の充電電圧は、電圧（２×Ｖ１）から零電圧に向けて共振回路の時定数Ｔｒで放電される。
【0237】
図２２（ｂ）は、時点ｔ４における保持時の動作状態を示している。双方向スイッチＳＷ１は、供給切替信号ＱＰ１及び回生切替信号ＱＰ２が共にオフ信号であることから、オフ状態となり共振動作が停止する。共振動作が停止することにより、出力コンデンサ３２の充電電圧は零電圧に保持され、出力電圧Ｖｏｕｔも零電圧に保持される。
【0238】
図２２（ｃ）は、時点ｔ５における供給時の動作状態を示している。電源コンデンサ３１の電圧Ｖｃは、直流電源２１の電圧レベルＶ１によって充電され電圧Ｖ１である。双方向スイッチＳＷ１は、供給切替信号ＱＰ１のオン信号及び回生切替信号ＱＰ２のオフ信号によって、ダイオードＤ１が導通する方向に切り替わり、電源コンデンサ３１と出力コンデンサ３２とリアクトル３３のπ型ＬＣ共振回路が形成される。
【0239】
このとき、電源コンデンサ３１の電圧は電圧Ｖ１であり、出力コンデンサ３２の電圧は零電圧であり、インダクタ電圧ＶＬが電圧Ｖ１となるため、出力電圧Ｖｏｕｔは零電圧から電圧（２×Ｖ１）に向かって時定数Ｔｒで降下する。
【0240】
図２２（ｄ）は、時点ｔ６における保持時の動作状態を示している。双方向スイッチＳＷ１は、供給切替信号ＱＰ１及び回生切替信号ＱＰ２が共にオフ信号であることから、オフ状態となり共振動作が停止する。共振動作が停止することにより、出力コンデンサ３２の充電電圧は電圧（２×Ｖ１）に保持され、出力電圧Ｖｏｕｔも電圧（２×Ｖ１）に保持される。
【0241】
図２２（ｅ）は、直流電源部２の直流電圧が電圧Ｖ１から電圧Ｖ２に切り替わる時点ｔＥにおける動作状態を示している。スイッチング素子ＳＷ２の切り替わりにより、直流電源部２の直流電圧が電圧Ｖ１から電圧Ｖ２に切り替わる。直流電圧が電圧Ｖ１から電圧Ｖ２に切り替わることにより、電源コンデンサ３１の電圧は電圧Ｖ２となる。双方向スイッチＳＷ１は、供給切替信号ＱＰ１及び回生切替信号ＱＰ２が共にオフ信号であるため、出力電圧Ｖｏｕｔは電圧（２×Ｖ１）に保持される。
【0242】
（４ｃ）電圧レベルＶ２から電圧レベルＶ１への切り替え時の誤制御の態様
電圧レベルＶ２から電圧レベルＶ１への切り替え時の誤制御の態様について、図２３～図３０を用いて説明する。ここで、図２３、図２５、図２７、及び図２９は各部信号、電圧波形の要部を示し、図２４、図２６、図２８、及び図３０は動作状態を示している。また、区間１Ａ、区間１Ｂ、区間１Ｃ、区間１Ｄ、及び区間１Ｅは、供給切替信号ＱＰ１及び回生切替信号ＱＰ２の信号状態の組み合わせで区分される区間を示している。
電圧レベルＶ２から電圧レベルＶ１への切り替え時の誤制御の態様について、図２３～図３０を用いて説明する。ここで、図２３、図２５、図２７、及び図２９は各部信号、電圧波形の要部を示し、図２４、図２６、図２８、及び図３０は動作状態を示している。また、区間１Ａ、区間１Ｂ、区間１Ｃ、区間１Ｄ、及び区間１Ｅは、供給切替信号ＱＰ１及び回生切替信号ＱＰ２の信号状態の組み合わせで区分される区間を示している。
【0243】
区間１Ａは、供給切替信号ＱＰ１がＨｉｇｈレベルの状態からＬｏｗレベルの状態となった後に、回生切替信号ＱＰ２がＨｉｇｈレベルの状態となるまでの区間を示し、区間１Ｂは、回生切替信号ＱＰ２がＨｉｇｈレベルの状態である区間を示し、区間１Ｃは、回生切替信号ＱＰ２がＨｉｇｈレベルの状態から供給切替信号ＱＰ１がＬｏｗレベルの状態となるまでの区間を示し、区間１Ｄは、供給切替信号ＱＰ１がＨｉｇｈレベルの状態である区間を示し、区間１Ｅは、供給切替信号ＱＰ１がＨｉｇｈレベルの状態からＬｏｗレベルの状態となった後に、回生切替信号ＱＰ２がＨｉｇｈレベルの状態となるまでの区間を示している。
【0244】
前記したように、区間１Ｃは、この区間内で電圧レベルを切替えることにより正常に制御が行われる区間である。これに対して、区間１Ａ、区間１Ｂ、区間１Ｄ、及び区間１Ｅは、この区間内において電圧レベルの切替えが行われると正常な制御が行われずに誤動作となる区間である。以下、区間１Ａ、区間１Ｂ、区間１Ｄ、及び区間１Ｅについて説明する。
【0245】
（区間１Ａにおける電圧レベル切替）
区間１Ａは、供給切替信号ＱＰ１がＨｉｇｈレベルの状態からＬｏｗレベルの状態となった後に回生切替信号ＱＰ２がＨｉｇｈレベルの状態となるまでの区間である。
区間１Ａにおいて電圧レベルが切り替わった場合の誤動作について、図２３及び図２４を用いて説明する。なお、図２３では時点ｔ１Ａ、ｔ１３～ｔ１６について示している。
区間１Ａは、供給切替信号ＱＰ１がＨｉｇｈレベルの状態からＬｏｗレベルの状態となった後に回生切替信号ＱＰ２がＨｉｇｈレベルの状態となるまでの区間である。
区間１Ａにおいて電圧レベルが切り替わった場合の誤動作について、図２３及び図２４を用いて説明する。なお、図２３では時点ｔ１Ａ、ｔ１３～ｔ１６について示している。
【0246】
図２３（ｂ）、（ｃ）は電圧切替信号ＱＨ、ＱＬを示し、図２３（ａ）は、電圧切替信号ＱＨ、ＱＬによって切替えられた電源コンデンサ３１の電圧Ｖｃを示している。図２３（ｆ）において、実線で示す出力電圧Ｖｏｕｔは、区間１Ａにおいて電圧レベルが切り替わった場合の誤動作状態を示し、破線で示す出力電圧Ｖｏｕｔは、正常動作状態を示している。
【0247】
区間１Ａ内の時点ｔ１Ａにおいて、直流電源部２の直流電圧が電圧Ｖ２から電圧Ｖ１に切り替わる。これにより、区間１Ｂの時点ｔ１３において、回生切替信号ＱＰ２がＬｏｗレベルの状態からＨｉｇｈレベル状態に切り替わるとき、出力電圧Ｖｏｕｔは電圧（２×Ｖ２）のまま保持され、出力コンデンサ３２から電源コンデンサ３１への回生は行われず、図中のＰ６で示す時点で誤動作となる。
【0248】
区間１Ｃの間において、出力電圧Ｖｏｕｔは電圧（２×Ｖ２）に保持される。区間１Ｄの時点ｔ１５において、供給切替信号ＱＰ１がＬｏｗレベル状態からＨｉｇｈレベルの状態に切り替わっても、出力電圧Ｖｏｕｔは電圧（２×Ｖ２）が保持されて回生は行われず、図中のＰ７で示す時点で誤動作となる。区間１Ｅにおいて電圧（２×Ｖ２）が保持される。
【0249】
図２４は、時点ｔ１２～ｔ１６，ｔ１Ａでの動作状態を示している。ここでは、ＬＣ共振回路としてπ型ＬＣ共振回路の例を示している。
【0250】
供給時の時点ｔ１２における動作状態の出力電圧Ｖｏｕｔは、共振動作により、電源コンデンサ３１の充電電圧である電圧Ｖ２とリアクトル３３のインダクタ電圧ＶＬ（＝２×Ｖ２－Ｖ２）を加算した電圧（Ｖ２＋ＶＬ）となる。インダクタ電圧ＶＬは電圧Ｖ２となるため、出力電圧Ｖｏｕｔは電圧（２×Ｖ２）となる。なお、リアクトル３３を流れる電流方向が出力コンデンサ３２側から電源コンデンサ３１側に向かう方向であることから、出力電圧Ｖｏｕｔは負電圧である。出力コンデンサ３２の充電電圧は電圧（２×Ｖ２）に充電される。
【0251】
図２４（ａ）は、時点ｔ１２における保持時の動作状態を示している。双方向スイッチＳＷ１は、供給切替信号ＱＰ１及び回生切替信号ＱＰ２が共にオフ信号であることから、オフ状態となり共振動作が停止する。共振動作が停止することにより、出力コンデンサ３２の充電電圧は電圧（２×Ｖ２）に保持され、出力電圧Ｖｏｕｔも電圧（２×Ｖ２）に保持される。
【0252】
図２４（ｂ）は、直流電源部２の直流電圧が電圧Ｖ２から電圧Ｖ１に切り替わる時点ｔ１Ａにおける動作状態を示している。スイッチング素子ＳＷ２の切り替わりにより、直流電源部２の直流電圧が電圧Ｖ２から電圧Ｖ１に切り替わる。直流電圧が電圧Ｖ２から電圧Ｖ１に切り替わることにより、電源コンデンサ３１の電圧は電圧Ｖ１となる。双方向スイッチＳＷ１は、供給切替信号ＱＰ１及び回生切替信号ＱＰ２が共にオフ信号であることから、オフ状態であり共振動作は停止しているため、出力コンデンサ３２の充電電圧は電圧（２×Ｖ２）に保持され、出力電圧Ｖｏｕｔも電圧（２×Ｖ２）に保持されている。
【0253】
図２４（ｃ）は、時点ｔ１３における回生時の動作状態を示している。双方向スイッチＳＷ１は、供給切替信号ＱＰ１のオフ信号及び回生切替信号ＱＰ２のオン信号によって、ダイオードＤ２が導通する方向に切り替わり、電源コンデンサ３１と出力コンデンサ３２とリアクトル３３のπ型ＬＣ共振回路が形成される。出力コンデンサ３２の電圧が電圧（２×Ｖ２）であり、電源コンデンサ３１の電圧が電圧Ｖ１であり、共に負電圧であって２×Ｖ２＝Ｖ１の関係があるときには、共振回路の共振動作による出力コンデンサ３２から電源コンデンサ３１への放電電流の回生は行われず、図中のＰ６で示す時点で誤動作となる。
【0254】
図２４（ｄ）は、時点ｔ１４における保持時の動作状態を示している。双方向スイッチＳＷ１は、供給切替信号ＱＰ１及び回生切替信号ＱＰ２が共にオフ信号であることから、オフ状態となり共振動作は行われない。共振動作が行われないため、出力コンデンサ３２の充電電圧は電圧Ｖ１（＝２×Ｖ２）に保持され、出力電圧Ｖｏｕｔも電圧Ｖ１（＝２×Ｖ２）に保持される。
【0255】
図２４（ｅ）は、時点ｔ１５における供給時の動作状態を示している。双方向スイッチＳＷ１は供給切替信号ＱＰ１がオン信号であり、回生切替信号ＱＰ２がオフ信号であることから、出力コンデンサ３２から電源コンデンサ３１に向かう方向を順方向とするダイオードＤ１が接続される。このとき、電源コンデンサ３１の電圧と出力コンデンサ３２の電圧は共に電圧Ｖ１であるため、共振動作による供給動作は行われず、図中のＰ７で示す時点で誤動作となる。
【0256】
図２４（ｆ）は、時点ｔ１６における保持時の動作状態を示している。双方向スイッチＳＷ１は、供給切替信号ＱＰ１及び回生切替信号ＱＰ２が共にオフ信号であることから、オフ状態となり共振動作は行われない。共振動作が行われないため、出力コンデンサ３２の充電電圧は電圧Ｖ１に保持され、出力電圧Ｖｏｕｔも電圧Ｖ１に保持される。
【0257】
（区間１Ｂにおける電圧レベル切替）
区間１Ｂは、回生切替信号ＱＰ２がＨｉｇｈレベルの状態となっている区間である。区間１Ｂにおいて、電圧レベルが切り替わった場合の誤動作について、図２５及び図２６を用いて説明する。なお、図２６では時点ｔ１Ｂ、ｔ１２～ｔ１６について示している。
区間１Ｂは、回生切替信号ＱＰ２がＨｉｇｈレベルの状態となっている区間である。区間１Ｂにおいて、電圧レベルが切り替わった場合の誤動作について、図２５及び図２６を用いて説明する。なお、図２６では時点ｔ１Ｂ、ｔ１２～ｔ１６について示している。
【0258】
図２５（ｂ）、（ｃ）は、電圧切替信号ＱＨ、ＱＬを示し、図２５（ａ）は、電圧切替信号ＱＨ、ＱＬによって切替えられた電源コンデンサ３１の電圧Ｖｃを示している。図２５（ｆ）において、実線で示す出力電圧Ｖｏｕｔは、区間１Ｂにおいて電圧レベルが切り替わった場合の誤動作状態を示し、破線で示す出力電圧Ｖｏｕｔは、正常動作状態を示している。
【0259】
区間１Ｂ内の時点ｔ１Ｂにおいて、直流電源部２の直流電圧が電圧Ｖ２から電圧Ｖ１に切り替わる。これにより、区間１Ｂの時点ｔ１３において、回生切替信号ＱＰ２がＬｏｗレベルの状態からＨｉｇｈレベルの状態に切り替わると（図２５（ｄ））、出力電圧Ｖｏｕｔは電圧（２×Ｖ２）から零電圧に向かって時定数Ｔｒで上昇し始めるが、電圧Ｖγまで上昇した時点で時点ｔ１Ｂにおいて、電源コンデンサ３１の電圧が電圧Ｖ１に切り替わる。
【0260】
ここで、電圧Ｖγが電圧Ｖ２と同程度まで上昇したとすると、電源コンデンサ３１の電圧と出力コンデンサ３２の電圧の差が小さくなるため、電圧Ｖγは電圧Ｖ２で変化しなくなる。出力電圧Ｖｏｕｔは回生状態によって、零電圧となるまで上昇することが求められるが、図中のＰ８で示す時点において回生動作が停止するという誤動作が生じる。
【0261】
区間１Ｃにおいて、出力電圧Ｖｏｕｔは電圧Ｖγに保持される。区間１Ｄの時点ｔ１５において、供給切替信号ＱＰ１がＬｏｗレベルの状態からＨｉｇｈレベルの状態に切り替わると（図２５（ｅ））、電源コンデンサ３１の電圧が電圧Ｖ１であり、出力コンデンサ３２に電圧が電圧Ｖγであることから、電圧（２×Ｖ１－Ｖγ）に向かって時定数Ｔｒで降下する。降下後の出力電圧Ｖｏｕｔは電圧（２×Ｖ１－Ｖγ）となり電圧（２×Ｖ１）までは降下せず、図中のＰ９で示す時点で十分な回生動作は行われないという誤動作が生じる（図２５（ｆ））。
【0262】
図２６は、時点ｔ１２～ｔ１６，ｔ１Ｂでの動作状態を示している。ここでは、ＬＣ共振回路としてπ型ＬＣ共振回路の例を示している。
【0263】
図２６（ａ）は、時点ｔ１２における保持時の動作状態を示している。双方向スイッチＳＷ１は、供給切替信号ＱＰ１及び回生切替信号ＱＰ２が共にオフ信号であることから、オフ状態となり共振動作が停止する。共振動作が停止することにより、出力コンデンサ３２の充電電圧は電圧（２×Ｖ２）に保持され、出力電圧Ｖｏｕｔも電圧（２×Ｖ２）に保持される。
【0264】
図２６（ｂ）は、時点ｔ１３における回生時の動作状態を示している。双方向スイッチＳＷ１は、供給切替信号ＱＰ１のオフ信号及び回生切替信号ＱＰ２のオン信号によって、ダイオードＤ２が導通する方向に切り替わり、電源コンデンサ３１と出力コンデンサ３２とリアクトル３３のπ型ＬＣ共振回路が形成され、共振動作によって、出力コンデンサ３２から電源コンデンサ３１への放電電流の回生が行われる。ここでは、出力コンデンサ３２の電圧が電圧（２×Ｖ２）であり、電源コンデンサ３１の電圧がＶ２であり、共に負電圧であって２×Ｖ２＜Ｖ２の関係にあるため、リアクトル３３を流れる電流方向は、電源コンデンサ３１側から出力コンデンサ３２側に向かう方向である。
【0265】
共振動作による回生により、出力電圧Ｖｏｕｔは、ダイオードＤ２の順方向を考慮すると、電源コンデンサ３１の充電電圧である電圧Ｖ２とリアクトル３３のインダクタ電圧ＶＬを加算した電圧（Ｖ２－ＶＬ）となる。インダクタ電圧ＶＬは電圧（２×Ｖ２－Ｖ２）となるため、回生動作が完了した際には、出力電圧Ｖｏｕｔは零電圧（＝（Ｖ２－Ｖ２））となる。したがって、出力コンデンサ３２の充電電圧は、電圧（２×Ｖ２）から零電圧に向けて共振回路の時定数Ｔｒで放電される。
【0266】
図２６（ｃ）は、直流電源部２の直流電圧が電圧Ｖ２から電圧Ｖ１に切り替わる時点ｔ１Ｂにおける動作状態を示している。スイッチング素子ＳＷ２の切り替わりにより、直流電源部２の直流電圧が電圧Ｖ２から電圧Ｖ１に切り替わる。直流電圧が電圧Ｖ２から電圧Ｖ１に切り替わることにより、電源コンデンサ３１の電圧は電圧Ｖ１となる。
【0267】
時点ｔ１３での回生動作時には、出力電圧Ｖｏｕｔは電圧（２×Ｖ２）から零電圧に向かって時定数Ｔｒで上昇し始めるが、区間１Ｂ内の時点ｔ１Ｂにおいて、電源コンデンサ３１の電圧が電圧Ｖ１に切り替わるため、時点ｔ１Ｂにおいて電圧Ｖγまで上昇した後、インダクタ電圧（Ｖγ－Ｖ１）と電源コンデンサ３１の電圧Ｖ１により、電圧（（Ｖ１－（Ｖγ－Ｖ１）＝（２×Ｖ１－Ｖγ））となる。電圧Ｖγが電圧Ｖ１であるときには、出力電圧Ｖｏｕｔは電圧Ｖ１となる。
【0268】
図２６（ｄ）は、時点ｔ１４における保持時の動作状態を示している。双方向スイッチＳＷ１は、供給切替信号ＱＰ１及び回生切替信号ＱＰ２が共にオフ信号であることから、オフ状態となり共振動作が停止する。共振動作が停止することにより、出力コンデンサ３２の充電電圧は電圧Ｖγに保持され、出力電圧Ｖｏｕｔも電圧Ｖγに保持される。
【0269】
図２６（ｅ）は、時点ｔ１５における供給時の動作状態を示している。電源コンデンサ３１の電圧Ｖｃは、直流電源２１の電圧レベルＶ１によって充電された電圧Ｖ１である。双方向スイッチＳＷ１は、供給切替信号ＱＰ１のオン信号及び回生切替信号ＱＰ２のオフ信号によって、ダイオードＤ１が導通する方向に切り替わり、電源コンデンサ３１と出力コンデンサ３２とリアクトル３３のπ型ＬＣ共振回路が形成される。このとき、インダクタ電圧ＶＬは電圧（Ｖ１－Ｖγ）であるため、出力電圧Ｖｏｕｔは電圧（２×Ｖ１－Ｖγ）となる。電圧Ｖγが電圧Ｖ１であるときには、出力電圧Ｖｏｕｔは電圧Ｖ１となる。
【0270】
図２６（ｆ）は、時点ｔ１６における保持時の動作状態を示している。双方向スイッチＳＷ１は、供給切替信号ＱＰ１及び回生切替信号ＱＰ２が共にオフ信号であることから、オフ状態となり共振動作が停止する。共振動作が停止することにより、出力コンデンサ３２の充電電圧は電圧（２×Ｖ１－Ｖｒ）に保持され、出力電圧Ｖｏｕｔも電圧（２×Ｖ１－Ｖｒ）に保持される。
【0271】
（区間１Ｄにおける電圧レベル切替）
区間１Ｄは、供給切替信号ＱＰ１がＨｉｇｈレベルの状態となっている区間である。区間１Ｄにおいて、電圧レベルが切り替わった場合の誤動作について、図２７及び図２８を用いて説明する。なお、図２８では時点ｔ１Ｄ、ｔ１３～ｔ１６について示している。
区間１Ｄは、供給切替信号ＱＰ１がＨｉｇｈレベルの状態となっている区間である。区間１Ｄにおいて、電圧レベルが切り替わった場合の誤動作について、図２７及び図２８を用いて説明する。なお、図２８では時点ｔ１Ｄ、ｔ１３～ｔ１６について示している。
【0272】
図２７（ｂ）、（ｃ）は、電圧切替信号ＱＨ、ＱＬを示し、図２７（ａ）は、電圧切替信号ＱＨ、ＱＬによって切り替えられた電源コンデンサ３１の電圧Ｖｃを示している。図２７（ｆ）において、実線で示す出力電圧Ｖｏｕｔは、区間１Ｄにおいて電圧レベルが切り替わった場合の誤動作状態を示し、破線で示す出力電圧Ｖｏｕｔは、正常動作状態を示している。
【0273】
区間１Ｂの時点ｔ１３において、回生切替信号ＱＰ２がＬｏｗレベルの状態からＨｉｇｈレベルの状態に切り替わると（図２７（ｄ））、出力電圧Ｖｏｕｔは、電圧（２×Ｖ２）から零電圧に向かって時定数Ｔｒで上昇を始め、時点ｔ１４で零電圧となる。回生切替信号ＱＰ２がＨｉｇｈレベルの状態であるｔ１３からｔ１４までの時間幅は、共振回路の時定数Ｔｒに基づいて設定することによって、時点ｔ１４で零電圧とすることができる（図２７（ｆ））。
【0274】
区間１Ｃの間において、出力電圧Ｖｏｕｔは零電圧に保持される。区間１Ｄの時点ｔ１５において、供給切替信号ＱＰ１がＬｏｗレベルの状態からＨｉｇｈレベルの状態に切り替わると（図２７（ｅ））、電源コンデンサ３１の電圧は電圧Ｖ２であり、出力コンデンサ３２の電圧は零電圧であるため、出力電圧Ｖｏｕｔは、零電圧から電圧（２×Ｖ２）に向かって時定数Ｔｒで降下する（図２７（ｆ））。
【0275】
区間１Ｄ内の時点ｔ１Ｄにおいて、電圧レベルが電圧Ｖ２から電圧Ｖ１に切り替わると、出力電圧Ｖｏｕｔは、時点ｔ１Ｄにおいて電圧Ｖδまで降下する（図２７（ｆ））。電圧Ｖδは、時点ｔ１５から時点ｔ１Ｄまでの間に時定数Ｔｒで降下した電圧値を示している。
【0276】
電圧Ｖδまで降下した時点では、電源コンデンサ３１の電圧は電圧Ｖ１となっている。電圧Ｖδが電圧Ｖ１よりも低電圧であるときには、出力コンデンサ３２と電源コンデンサ３１との電圧差は、ダイオードＤ２に対して逆電圧とするため、出力電圧Ｖｏｕｔは電圧Ｖδに保持される。また、電圧Ｖδが電圧Ｖ１よりも高電圧であるときには、インダクタ電圧は電圧（Ｖδ－Ｖ１）となるため、出力電圧Ｖｏｕｔは電圧Ｖδ（＝（Ｖδ－Ｖ１）＋Ｖ１）となり、出力電圧Ｖｏｕｔは電圧Ｖδに保持される（図２７（ｆ））。図中のＰ１０で示す時点において電圧Ｖδで回生動作が停止するという誤動作が生じる。
【0277】
区間１Ｅの時点ｔ１６において、供給切替信号ＱＰ１は、Ｈｉｇｈレベル状態からＬｏｗレベル状態に変化する。双方向スイッチＳＷ１はオフ状態となり、出力電圧Ｖｏｕｔは電圧Ｖδに保持される（図２７（ｆ））。
【0278】
上記したように、区間１Ｄ内の時点ｔ１Ｄにおいて、電圧レベルが電圧Ｖ２から電圧Ｖ１に切り替わると、正常に動作せずに誤動作となり、供給状態で得られる出力電圧Ｖｏｕｔは、電圧（２×Ｖ１）とならず電圧Ｖδとなる。
【0279】
図２８は、時点ｔ１３～ｔ１６，ｔ１Ｄでの動作状態を示し、時点ｔ１１，ｔ１２は省略している。ここでは、ＬＣ共振回路としてπ型ＬＣ共振回路の例を示している。
【0280】
図２８（ａ）は、時点ｔ１３における回生時の動作状態を示している。双方向スイッチＳＷ１は、供給切替信号ＱＰ１のオフ信号及び回生切替信号ＱＰ２のオン信号によって、ダイオードＤ２が導通する方向に切り替わり、電源コンデンサ３１と出力コンデンサ３２とリアクトル３３のπ型ＬＣ共振回路が形成され、共振動作によって、出力コンデンサ３２から電源コンデンサ３１への放電電流の回生が行われる。ここでは、出力コンデンサ３２の電圧が電圧（２×Ｖ２）であり、電源コンデンサ３１の電圧がＶ２であり、共に負電圧であって２×Ｖ２＜Ｖ２の関係にあるため、リアクトル３３を流れる電流方向は、電源コンデンサ３１側から出力コンデンサ３２側に向かう方向である。
【0281】
共振動作による回生により、出力電圧Ｖｏｕｔは、ダイオードＤ２の順方向を考慮すると、電源コンデンサ３１の充電電圧である電圧Ｖ２とリアクトル３３のインダクタ電圧ＶＬを加算した電圧（Ｖ２－ＶＬ）となる。インダクタ電圧ＶＬは電圧（２×Ｖ２－Ｖ２）となるため、出力電圧Ｖｏｕｔは零電圧（＝（Ｖ２－Ｖ１））となる。出力コンデンサ３２の充電電圧は、電圧（２×Ｖ２）から零電圧に向けて共振回路の時定数Ｔｒで放電される。
【0282】
図２８（ｂ）は、時点ｔ１４における保持時の動作状態を示している。双方向スイッチＳＷ１は、供給切替信号ＱＰ１及び回生切替信号ＱＰ２が共にオフ信号であることから、オフ状態となり共振動作が停止する。共振動作が停止することにより、出力コンデンサ３２の充電電圧は零電圧に保持され、出力電圧Ｖｏｕｔも零電圧に保持される。
【0283】
図２８（ｃ）は、時点ｔ１５における供給時の動作状態を示している。電源コンデンサ３１の電圧Ｖｃは、直流電源２２の電圧レベルＶ２によって充電された電圧Ｖ２である。双方向スイッチＳＷ１は、供給切替信号ＱＰ１のオン信号及び回生切替信号ＱＰ２のオフ信号によって、ダイオードＤ１が導通する方向に切り替わり、電源コンデンサ３１と出力コンデンサ３２とリアクトル３３のπ型ＬＣ共振回路が形成される。
【0284】
このとき、電源コンデンサ３１の電圧は電圧Ｖ２であり、出力コンデンサ３２の電圧は零電圧であり、インダクタ電圧ＶＬが電圧Ｖ２となるため、出力電圧Ｖｏｕｔは零電圧から電圧（２×Ｖ２）に向かって時定数Ｔｒで降下する。電圧降下は、後述する直流電圧の切り替わり時点ｔ１Ｄまで進み、切り替わり時点ｔ１Ｄにおいて電圧Ｖδとなる。
【0285】
図２８（ｄ）は、直流電源部２の直流電圧が電圧Ｖ２から電圧Ｖ１に切り替わる時点ｔ１Ｄにおける動作状態を示している。スイッチング素子ＳＷ２の切り替わりにより、直流電源部２の直流電圧が電圧Ｖ２から電圧Ｖ１に切り替わる。直流電圧が電圧Ｖ２から電圧Ｖ１に切り替わることにより、電源コンデンサ３１の電圧は電圧Ｖ１となる。双方向スイッチＳＷ１は、供給切替信号ＱＰ１がオフ信号であり、回生切替信号ＱＰ２がオン信号である。
【0286】
電圧Ｖδが出力コンデンサ３２の電圧Ｖ１よりも低電圧であるときには、ダイオードＤ２に対する印加電圧は逆電圧となるため、出力電圧Ｖｏｕｔは電圧Ｖδに保持される。また、電圧Ｖδが出力コンデンサ３２の電圧Ｖ１よりも高電圧であるときには、インダクタ電圧は電圧（Ｖδ－Ｖ１）となるため、出力電圧Ｖｏｕｔは電圧Ｖδ（＝（Ｖδ－Ｖ１）＋Ｖ１）となり、出力電圧Ｖｏｕｔは電圧Ｖδに保持される。
【0287】
図２８（ｅ）は、時点ｔ１６における保持時の動作状態を示している。双方向スイッチＳＷ１は、供給切替信号ＱＰ１及び回生切替信号ＱＰ２が共にオフ信号であることから、オフ状態となり共振動作が停止する。共振動作が停止することにより、出力コンデンサ３２の充電電圧は電圧Ｖδに保持され、出力電圧Ｖｏｕｔも電圧Ｖδに保持される。
【0288】
（区間１Ｅにおける電圧レベル切替）
区間１Ｅは、供給切替信号ＱＰ１及び回生切替信号ＱＰ２が共にＬｏｗレベルの状態となっている区間である。区間１Ｅにおいて電圧レベルが切り替わった場合の誤動作について、図２９及び図３０を用いて説明する。なお、図３０では時点ｔ１Ｅ、ｔ１３～ｔ１６について示している。
区間１Ｅは、供給切替信号ＱＰ１及び回生切替信号ＱＰ２が共にＬｏｗレベルの状態となっている区間である。区間１Ｅにおいて電圧レベルが切り替わった場合の誤動作について、図２９及び図３０を用いて説明する。なお、図３０では時点ｔ１Ｅ、ｔ１３～ｔ１６について示している。
【0289】
図２９（ｂ）、（ｃ）は、電圧切替信号ＱＨ、ＱＬを示し、図２９（ａ）は、電圧切替信号ＱＨ、ＱＬによって切替えられた電源コンデンサ３１の電圧Ｖｃを示している。図２９（ｆ）において、実線で示す出力電圧Ｖｏｕｔは、区間１Ｅにおいて電圧レベルが切り替わった場合の誤動作状態を示し、破線で示す出力電圧Ｖｏｕｔは、正常動作状態を示している。
【0290】
区間１Ｂの時点ｔ１３において、回生切替信号ＱＰ２がＬｏｗレベルの状態からＨｉｇｈレベルの状態に切り替わると（図２９（ｄ））、出力電圧Ｖｏｕｔは、電圧（２×Ｖ２）から零電圧に向かって時定数Ｔｒで上昇を始め、時点ｔ１４で零電圧となる。回生切替信号ＱＰ２がＨｉｇｈレベルの状態であるｔ１３からｔ１４までの時間幅は、共振回路の時定数Ｔｒによって設定することによって、時点ｔ１４で零電圧とすることができる（図２９（ｆ））。
【0291】
区間１Ｃの間において、出力電圧Ｖｏｕｔは零電圧に保持される。区間１Ｄの時点ｔ１５において、供給切替信号ＱＰ１がＬｏｗレベルの状態からＨｉｇｈレベルの状態に切り替わると（図２９（ｅ））、電源コンデンサ３１の電圧は電圧Ｖ２であり、出力コンデンサ３２の電圧は零電圧であるため、出力電圧Ｖｏｕｔは、零電圧から電圧（２×Ｖ２）に向かって時定数Ｔｒで降下する（図２９（ｆ））。
【0292】
区間１Ｅの時点ｔ１６において、供給切替信号ＱＰ１はＨｉｇｈレベル状態からＬｏｗレベル状態に変化する。双方向スイッチＳＷ１はオフ状態となり、出力電圧Ｖｏｕｔは電圧（２×Ｖ２）に保持される（図２９（ｆ））。区間１Ｅ内の時点ｔ１Ｅにおいて、電圧レベルが電圧Ｖ２から電圧Ｖ１に切り替わるが、双方向スイッチＳＷ１がオフ状態であるため、出力電圧Ｖｏｕｔは電圧（２×Ｖ２）に保持されるため電圧（２×Ｖ１）に至らず、図中のＰ１１で示す時点で供給動作が達成されない誤動作となる（図２９（ｆ））。
【0293】
上記したように、区間１Ｅ内の時点ｔ１Ｅにおいて、電圧レベルが電圧Ｖ２から電圧Ｖ１に切り替わると、正常に動作せずに誤動作となり、供給状態で得られる出力電圧Ｖｏｕｔは、電圧（２×Ｖ１）とならず電圧（２×Ｖ２）となる。
【0294】
図３０は、時点ｔ１３～ｔ１６，ｔ１Ｅでの動作状態を示し、時点ｔ１１，ｔ１２は省略している。ここでは、ＬＣ共振回路としてπ型ＬＣ共振回路の例を示している。
【0295】
図３０（ａ）は、時点ｔ１３における回生時の動作状態を示している。双方向スイッチＳＷ１は、供給切替信号ＱＰ１のオフ信号及び回生切替信号ＱＰ２のオン信号によって、ダイオードＤ２が導通する方向に切り替わり、電源コンデンサ３１と出力コンデンサ３２とリアクトル３３のπ型ＬＣ共振回路が形成され、共振動作によって、出力コンデンサ３２から電源コンデンサ３１への放電電流の回生が行われる。ここでは、出力コンデンサ３２の電圧が電圧（２×Ｖ２）であり、電源コンデンサ３１の電圧が電圧Ｖ２であり、共に負電圧であって２×Ｖ２＜Ｖ２の関係にあるため、リアクトル３３を流れる電流方向は、電源コンデンサ３１側から出力コンデンサ３２側に向かう方向である。
【0296】
共振動作による回生により、出力電圧Ｖｏｕｔは、ダイオードＤ２の順方向を考慮すると、電源コンデンサ３１の充電電圧である電圧Ｖ２とリアクトル３３のインダクタ電圧ＶＬを加算した電圧（Ｖ２－ＶＬ）となる。インダクタ電圧ＶＬは電圧（２×Ｖ２－Ｖ２）となるため、出力電圧Ｖｏｕｔは零電圧（＝（Ｖ２－Ｖ２））となる。出力コンデンサ３２の充電電圧は、電圧（２×Ｖ２）から零電圧に向けて共振回路の時定数Ｔｒで放電される。
【0297】
図３０（ｂ）は、時点ｔ１４における保持時の動作状態を示している。双方向スイッチＳＷ１は、供給切替信号ＱＰ１及び回生切替信号ＱＰ２が共にオフ信号であることから、オフ状態となり共振動作が停止する。共振動作が停止することにより、出力コンデンサ３２の充電電圧は零電圧に保持され、出力電圧Ｖｏｕｔも零電圧に保持される。
【0298】
図３０（ｃ）は、時点ｔ１５における供給時の動作状態を示している。電源コンデンサ３１の電圧Ｖｃは、直流電源２２の電圧レベルＶ２によって充電された電圧Ｖ２である。双方向スイッチＳＷ１は、供給切替信号ＱＰ１のオン信号及び回生切替信号ＱＰ２のオフ信号によって、ダイオードＤ１が導通する方向に切り替わり、電源コンデンサ３１と出力コンデンサ３２とリアクトル３３のπ型ＬＣ共振回路が形成される。
【0299】
このとき、電源コンデンサ３１の電圧は電圧Ｖ２であり、出力コンデンサ３２の電圧は零電圧であり、インダクタで電圧ＶＬが電圧Ｖ２となるため、出力電圧Ｖｏｕｔは零電圧から電圧（２×Ｖ２）に向かって時定数Ｔｒで降下する。電圧降下は、後述する直流電圧の切り替わり時点ｔ１Ｅまで進み、切り替わり時点ｔＥにおいて電圧（２×Ｖ２）となる。
【0300】
図３０（ｄ）は、時点ｔ１６における保持時の動作状態を示している。双方向スイッチＳＷ１は、供給切替信号ＱＰ１及び回生切替信号ＱＰ２が共にオフ信号であることから、オフ状態となり共振動作が停止する。共振動作が停止することにより、出力コンデンサ３２の充電電圧は電圧（２×Ｖ２）に保持され、出力電圧Ｖｏｕｔも電圧（２×Ｖ２）に保持される。
【0301】
図３０（ｅ）は、直流電源部２の直流電圧が電圧Ｖ２から電圧Ｖ１に切り替わる時点ｔ１Ｅにおける動作状態を示している。スイッチング素子ＳＷ２の切り替わりにより、直流電源部２の直流電圧が電圧Ｖ２から電圧Ｖ１に切り替わる。直流電圧が電圧Ｖ２から電圧Ｖ１に切り替わることにより、電源コンデンサ３１の電圧は電圧Ｖ１となる。双方向スイッチＳＷ１は、供給切替信号ＱＰ１及び回生切替信号ＱＰ２が共にオフ信号であるため、出力電圧ｏｕｔは電圧（２×Ｖ２）に保持される。
【0302】
（５）多レベル直流パルス電源の他の構成例
以下、多レベル直流パルス電源１の構成例として第２構成例～第４構成例を示す。
以下、多レベル直流パルス電源１の構成例として第２構成例～第４構成例を示す。
【0303】
（５ａ）第２構成例
第２構成例について、図３１を用いて説明する。第２構成例の多レベル直流パルス電源１は、第１構成例と同様に、直流電源部２、共振部３Ｂ、及び制御部４を備える。第２構成例の共振部３Ｂは第１構成例の共振部３と異なる構成である。
第２構成例について、図３１を用いて説明する。第２構成例の多レベル直流パルス電源１は、第１構成例と同様に、直流電源部２、共振部３Ｂ、及び制御部４を備える。第２構成例の共振部３Ｂは第１構成例の共振部３と異なる構成である。
【0304】
共振部３Ｂは、抵抗素子３５とスイッチング素子３６との直列回路が出力コンデンサ３２に対して並列接続された構成を備える。スイッチング素子３６をオン状態とすることにより、出力コンデンサ３２に抵抗素子３５が並列接続される。スイッチング素子３６のオン／オフ制御は、制御回路からの制御信号ＱＲによって行われる。スイッチング素子３６をオン状態とする制御信号ＱＲは回生動作時に出力され、回生切替信号ＱＰ２が終了する前の時点で出力される。共振回路の回生動作において、出力コンデンサ３２からの放電電流の一部は抵抗素子３５を流れる。これにより、回生時における出力コンデンサ３２の電圧を強制的に零電圧に誘導する。
【0305】
（５ｂ）第３構成例
第３構成例について、図３２を用いて説明する。第３構成例の多レベル直流パルス電源１は、第１構成例及び第２構成例と同様に、直流電源部２、共振部３Ｃ、及び制御部４を備える。第３構成例の共振部３Ｃは第１構成例の共振部３及び第２構成例の共振部３Ｂと異なる構成を備える。
第３構成例について、図３２を用いて説明する。第３構成例の多レベル直流パルス電源１は、第１構成例及び第２構成例と同様に、直流電源部２、共振部３Ｃ、及び制御部４を備える。第３構成例の共振部３Ｃは第１構成例の共振部３及び第２構成例の共振部３Ｂと異なる構成を備える。
【0306】
共振部３Ｃは、第２構成例と同様に抵抗素子３５とスイッチング素子３６との直列回路を備えると共に、双方向スイッチＳＷ１の２つのスイッチング素子は、それぞれ直列接続されたリアクトル３３ａ、３３ｂを備える。
【0307】
第３構成例の双方向スイッチＳＷ１は、スイッチング素子とダイオードＤ１とリアクトル３３ａの直列回路と、スイッチング素子とダイオードＤ２とリアクトル３３ｂの直列回路の２つの直列回路の並列接続によって構成される。
【0308】
この第３構成例において、スイッチング素子とダイオードＤ１とリアクトル３３ａの直列回路は、スイッチング素子をオン状態とした際の共振状態において供給電流が流れ、スイッチング素子とダイオードＤ２とリアクトル３３ｂの直列回路は、スイッチング素子をオン状態とした際の共振状態において回生電流が流れる。このとき、各リアクトル３３ａ，３３ｂのインダクタンス値は、電源コンデンサ３１及び出力コンデンサ３２のキャパシタンス値と共に時定数を定めるパラメータとなる。
【0309】
第３構成例において、リアクトル３３ａのインダクタンス値Ｌ１とリアクトル３３ｂのインダクタンス値Ｌ２とをそれぞれ設定することにより、供給動作における時定数と回生動作における時定数を個別に設定することができる。
【0310】
（５ｃ）第４構成例
第４構成例について図３３を用いて説明する。第４構成例の多レベル直流パルス電源１は、第１構成例～第３構成例と同様に、直流電源部２、共振部３Ｄ、及び制御部４を備える。第４構成例の共振部３Ｄは、第１構成例～第３構成例の共振部３、３Ｂ，３Ｃと異なる構成を備える。
第４構成例について図３３を用いて説明する。第４構成例の多レベル直流パルス電源１は、第１構成例～第３構成例と同様に、直流電源部２、共振部３Ｄ、及び制御部４を備える。第４構成例の共振部３Ｄは、第１構成例～第３構成例の共振部３、３Ｂ，３Ｃと異なる構成を備える。
【0311】
第１構成例～第３構成例の共振部３～３Ｃは、電源コンデンサ３１を備える構成であるのに対して、第４構成例の共振部３Ｄは、電源コンデンサ３１を備えない構成である点で相違する。共振部３Ｄの双方向スイッチＳＷ１は、電源コンデンサ３１を並列接続することなく直流電源部２の出力端に接続される。第４構成例の共振部３Ｄは、リアクトル３３と出力コンデンサ３２の直列ＬＣ回路によって構成される。
【0312】
第１構成例～第３構成例のπ型ＬＣ回路による共振部３、３Ｂ，３Ｃでは、回生電流を電源コンデンサ３１に回生するのに対して、第４構成例の共振部３Ｄの直列ＬＣ回路においては、回生電流を直流電源部２の直流電源２１，２２に回生する。
【産業上の利用可能性】
【0313】
本発明の多レベル直流パルス電源、及び多レベル直流パルス電源の制御方法は、成膜処理、エッチング処理、アッシング処理など用いられるプラズマ処理装置など、半導体デバイスの製造に適用することができる。
【符号の説明】
【0314】
１ 多レベル直流パルス電源
２ 直流電源部
３，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄ 共振部
４，４Ａ，４Ｂ，４Ｃ 制御部
４ａ パルス信号生成部
４ｂ ＱＰ１信号生成部
４ｃ ＱＰ２信号生成部
４ｄ，４ｄ１，４ｄ２ 遅延部
４ｅ ＱＨ信号生成部
４ｆ ＱＬ信号生成部
４ｇ 立ち上がり検出部
４ｈ 立ち下がり検出部
４ｉ 期間判定部
５ 負荷
２１，２２ 直流電源
３１ 電源コンデンサ
３２ 出力コンデンサ
３３，３３ａ，３３ｂ リアクトル
３５ 抵抗素子
３６ スイッチング素子
Ｄ１，Ｄ２ ダイオード
ＱＨ，ＱＬ 電圧切替信号
ＱＰ１ 供給切替信号
ＱＰ２ 回生切替信号
ＱＲ 制御信号
ＲＥＳ ＬＣ共振回路
ＳＷ１ 双方向スイッチ
ＳＷ２ スイッチング素子
Ｓｄｏｗｎ 立ち下がり信号
Ｓｕｐ 立ち上がり信号
Ｔ１２，Ｔ２１ 期間
Ｔｒ 時定数
Ｔｖｃ 時間間隔
Ｖ１，Ｖ２ 電圧レベル
ＶＬ インダクタ電圧
Ｖｏｕｔ 出力電圧
ｔｄ 遅延時間
２ 直流電源部
３，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄ 共振部
４，４Ａ，４Ｂ，４Ｃ 制御部
４ａ パルス信号生成部
４ｂ ＱＰ１信号生成部
４ｃ ＱＰ２信号生成部
４ｄ，４ｄ１，４ｄ２ 遅延部
４ｅ ＱＨ信号生成部
４ｆ ＱＬ信号生成部
４ｇ 立ち上がり検出部
４ｈ 立ち下がり検出部
４ｉ 期間判定部
５ 負荷
２１，２２ 直流電源
３１ 電源コンデンサ
３２ 出力コンデンサ
３３，３３ａ，３３ｂ リアクトル
３５ 抵抗素子
３６ スイッチング素子
Ｄ１，Ｄ２ ダイオード
ＱＨ，ＱＬ 電圧切替信号
ＱＰ１ 供給切替信号
ＱＰ２ 回生切替信号
ＱＲ 制御信号
ＲＥＳ ＬＣ共振回路
ＳＷ１ 双方向スイッチ
ＳＷ２ スイッチング素子
Ｓｄｏｗｎ 立ち下がり信号
Ｓｕｐ 立ち上がり信号
Ｔ１２，Ｔ２１ 期間
Ｔｒ 時定数
Ｔｖｃ 時間間隔
Ｖ１，Ｖ２ 電圧レベル
ＶＬ インダクタ電圧
Ｖｏｕｔ 出力電圧
ｔｄ 遅延時間
【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19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
【図26】
【図27】
【図28】
【図29】
【図30】
【図31】
【図32】
【図33】