(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-08-16
(45)【発行日】2023-08-24
(54)【発明の名称】マルチステージバックコンバータ
(51)【国際特許分類】
H02M 3/155 20060101AFI20230817BHJP
【ＦＩ】
H02M3/155 W
【請求項の数】
11
【外国語出願】
(21)【出願番号】P 2022055927
(22)【出願日】2022-03-30
(65)【公開番号】P2023081812
(43)【公開日】2023-06-13
【審査請求日】2022-03-30
(31)【優先権主張番号】110144821
(32)【優先日】2021-12-01
(33)【優先権主張国・地域又は機関】TW
(73)【特許権者】
【識別番号】390023582
【氏名又は名称】財團法人工業技術研究院
【氏名又は名称原語表記】ＩＮＤＵＳＴＲＩＡＬ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＲＥＳＥＡＲＣＨ ＩＮＳＴＩＴＵＴＥ
【住所又は居所原語表記】Ｎｏ．１９５，Ｓｅｃ．４，ＣｈｕｎｇＨｓｉｎｇＲｄ．，Ｃｈｕｔｕｎｇ，Ｈｓｉｎｃｈｕ，Ｔａｉｗａｎ ３１０４０
(74)【代理人】
【識別番号】110000338
【氏名又は名称】弁理士法人 ＨＡＲＡＫＥＮＺＯ ＷＯＲＬＤ ＰＡＴＥＮＴ ＆ ＴＲＡＤＥＭＡＲＫ
(72)【発明者】
【氏名】蔡文田
【審査官】佐藤 匡
(56)【参考文献】
【文献】国際公開第２０２０／１７５０７８（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２００５－０２７４８８（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０２Ｍ ３／１５５
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
直列接続されたＮ個のキャパシタを含むキャパシタストリングと、上記キャパシタストリングに接続されているとともに、Ｎ個のパワースイッチグループを含むパワースイッチモジュールと、
上記パワースイッチモジュールに接続されているとともに、エネルギー蓄積素子を含むパワー変換モジュールと、を備えており、
上記パワー変換モジュールの動作周波数は、Ｎ個の上記パワースイッチグループのそれぞれのスイッチング周波数のＮ倍に等しく、
Ｎは、３以上の正の整数であり、
上記動作周波数は、上記エネルギー蓄積素子が単位時間内に充放電を完了する回数である、マルチステージバックコンバータ。
【請求項2】
Ｎ個の上記パワースイッチグループにおける第ｎパワースイッチグループは、第１パワースイッチと第２パワースイッチとを含み、第ｎキャパシタは、上記第ｎパワースイッチグループにおける上記第１パワースイッチと上記第２パワースイッチとに接続されており、
ｎは、１からＮまでの正の整数である、請求項１に記載のマルチステージバックコンバータ。
【請求項3】
第ｎ充電インターバルにおいて、上記第ｎパワースイッチグループにおける上記第１パワースイッチと上記第２パワースイッチとが同時に導通し、かつ、
Ｎ個の上記パワースイッチグループのその他のパワースイッチグループのそれぞれにおける上記第１パワースイッチと上記第２パワースイッチとが非導通となることにより、
上記第ｎキャパシタが上記パワー変換モジュールを充電する、請求項２に記載のマルチステージバックコンバータ。
【請求項4】
上記パワー変換モジュールは、パワースイッチをさらに含み、放電インターバルにおいて、
上記パワー変換モジュールにおける上記パワースイッチが導通し、かつ、
Ｎ個の上記パワースイッチグループの全てが非導通となることにより、
上記パワー変換モジュールが放電する、請求項１に記載のマルチステージバックコンバータ。
【請求項5】
上記パワー変換モジュールは、パワースイッチをさらに含み、上記パワースイッチの２つの端子は、上記パワースイッチモジュールの２つの端子にそれぞれ接続されており、
上記エネルギー蓄積素子の２つの端子は、上記パワースイッチモジュールの２つの端末にそれぞれ接続されている、請求項１に記載のマルチステージバックコンバータ。
【請求項6】
Ｎ個の上記パワースイッチグループのそれぞれは、複数のパワースイッチを含み、放電インターバルにおいて、
Ｎ個の上記パワースイッチグループのうちの２つのパワースイッチグループにおける複数の上記パワースイッチのうちの２つが導通し、
Ｎ個の上記パワースイッチグループにおけるその他の複数の上記パワースイッチが非導通となることにより、
上記パワー変換モジュールが放電する、請求項１に記載のマルチステージバックコンバータ。
【請求項7】
Ｎ個のパワースイッチグループは、複数のパワースイッチを含み、上記パワー変換モジュールと上記パワースイッチモジュールとが、複数の上記パワースイッチのうちの１つ以上を共有している、請求項１に記載のマルチステージバックコンバータ。
【請求項8】
上記第ｎキャパシタの第１端子は、第（ｎ－１）キャパシタの第２端子に接続されており、上記第ｎパワースイッチグループにおける上記第１パワースイッチの第１端子は、第１パワースイッチグループにおける上記第１パワースイッチと上記エネルギー蓄積素子の第１端子との間に位置するトレースに接続されており、
上記第ｎパワースイッチグループにおける上記第１パワースイッチの第２端子は、上記第（ｎ－１）キャパシタの第２端子と第（ｎ－１）パワースイッチグループにおける上記第２パワースイッチとの間に位置するトレースに接続されており、
上記第ｎパワースイッチグループにおける上記第２パワースイッチは、上記第ｎキャパシタの上記第２端子と上記エネルギー蓄積素子の第２端子との間に位置するトレースに接続されており、
ｎは、２からＮまでの正の整数である、請求項２に記載のマルチステージバックコンバータ。
【請求項9】
上記第ｎパワースイッチグループにおける上記第１パワースイッチの第１端子は、上記パワー変換モジュールの第１端子に接続されており、上記第ｎパワースイッチグループにおける上記第１パワースイッチの第２端子は、第（ｎ－１）パワースイッチグループにおける上記第２パワースイッチの第１端子に接続されており、
上記第（ｎ－１）パワースイッチグループにおける上記第２パワースイッチの第２端子は、上記パワー変換モジュールの第２端子に接続されており、
ｎは、２からＮまでの正の整数である、請求項２に記載のマルチステージバックコンバータ。
【請求項10】
上記パワー変換モジュールは、ダイオードを含み、上記パワースイッチモジュールの２つの端子は、上記ダイオードの２つの端子に接続されている、請求項１に記載のマルチステージバックコンバータ。
【請求項11】
Ｎ個の上記パワースイッチグループにおける第ｎパワースイッチグループは、パワースイッチとダイオードとを含み、第ｎキャパシタは、上記第ｎパワースイッチグループにおける上記パワースイッチと上記ダイオードとに接続されており、
ｎは、１からＮまでの正の整数である、請求項１に記載のマルチステージバックコンバータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、一般的には、マルチステージバックコンバータ（multi-stage buck converter）に関する。
【背景技術】
【0002】
従来のバックコンバータでは、パワースイッチのスイッチング周波数を増加させることにより、高電力密度（high power density）を増加させることができる。但し、このことは、スイッチング損失および発熱の増加を招く（電源能力（power supply capacity）の限界）。また、高周波信号は、寄生特性（parasitic characteristics）（インダクタンスまたはキャパシタンス）と共振しやすい。これらのことは、コンポーネント損傷（component burnout）およびシステム不安定性（system instability）を引き起こす。それゆえ、上述の従来の問題を改善するための新規なバックコンバータを提案することは、本技術分野における産業上の複数の目的のうちの１つである。
【0003】
米国特許公報ＵＳ１０，８１１，９６２Ｂ２におけるマルチレベルスイッチングパワーコンバータ（multi-level switching power converter）は、入力電力を出力電力に変換するマルチレベルパワーステージ回路（multi-level power stage circuit）を含む。当該パワーステージ回路は、インダクタと変換キャパシタ（conversion capacitor）と複数のパワースイッチとを含む。コントローラ回路は、マルチレベルパワーステージ回路を制御する。当該コントローラ回路は、（ｉ）トリガパルスを発生させるフィードバックパルスジェネレータ回路と、（ｉｉ）上記トリガパルスに応じて、第１時間周期（first time period）および第２時間周期（second time period）をそれぞれ決定する第１タイマ回路および第２タイマ回路と、（ｉｉｉ）上記変換キャパシタに印加される電圧の平均が基準電圧（reference voltage）のレベルに実質的に等しく（substantially equal）なるように、上記変換キャパシタに印加される電圧と上記基準電圧との差に応じて上記第１時間周期を調整する調整回路（adjusting circuit）と、を含む。
【発明の概要】
【0004】
一実施形態に係るマルチステージバックコンバータが提供されている。当該マルチステージバックコンバータは、キャパシタストリング（capacitor string）とパワースイッチモジュール（power switch module）とパワー変換モジュール（power conversion module）とを含む。キャパシタストリングは、直列接続されたＮ個のキャパシタ（N capacitors connected in series）を含む。パワースイッチモジュールは、キャパシタストリングに接続されているとともに、Ｎ個のパワースイッチグループ（N power switch groups）を含む。パワー変換モジュールは、パワースイッチモジュールに接続されているとともに、エネルギー蓄積素子（energy storage element）を含む。パワー変換モジュールの動作周波数（working frequency）は、Ｎ個のパワースイッチグループのそれぞれのスイッチング周波数のＮ倍に等しい。Ｎは、２以上の正の整数である。動作周波数は、エネルギー蓄積素子が単位時間（unit time）内に充放電（charging and discharging）を完了する回数である。
【0005】
本開示における上述の態様および他の態様は、好適であり非限定的な（１つ以上の）実施形態についての以下の詳細な説明に関して、より良く理解されるであろう。以下、添付の図面を参照して説明する。
【図面の簡単な説明】
【0006】
【図1】本発明の一実施形態に係るマルチステージバックコンバータ１００Ａの概略図である。
【図2】（ｉ）パワースイッチグループＳＷ１における充放電電流（charging and discharging current）ＩＬと制御信号ＶＱ１＿ＳＷ１とＶＱ２＿ＳＷ１とのタイミング、および、（ｉｉ）パワースイッチグループＳＷ２における充放電電流ＩＬと制御信号ＶＱ１＿ＳＷ２とＶＱ２＿ＳＷ２とのタイミングについての概略図である。
【図4】本発明の一実施形態に係るマルチステージバックコンバータ１００Ｂの概略図である。
【図5】図４のマルチステージバックコンバータ１００Ｂに関しての、（ｉ）パワースイッチグループＳＷ１における充放電電流ＩＬと制御信号ＶＱ１＿ＳＷ１とＶＱ２＿ＳＷ１とのタイミング、および、（ｉｉ）パワースイッチグループＳＷ２における充放電電流ＩＬと制御信号ＶＱ１＿ＳＷ２とＶＱ２＿ＳＷ２とのタイミングについての概略図である。
【図7】本発明の別の実施形態に係るマルチステージバックコンバータ１００Ｃの回路についての概略図である。
【図8】本発明の他の実施形態に係るマルチステージバックコンバータ１００Ｄの回路についての概略図である。
【図9】本発明の別の実施形態に係るマルチステージバックコンバータ２００Ａの回路についての概略図である。
【図11】本発明の別の実施形態に係るマルチステージバックコンバータ２００Ｂの回路についての概略図である。
【図12】本発明の他の実施形態に係るマルチステージバックコンバータ３００Ａの回路についての概略図である。
【図14】本発明の他の実施形態に係るマルチステージバックコンバータ３００Ｂの回路についての概略図である。
【図15A】本開示の別の実施形態に係るＮステージバックコンバータへと拡張される、シングルステージバックコンバータについての概略図である。
【図15B】本開示の別の実施形態に係るＮステージバックコンバータへと拡張される、シングルステージバックコンバータについての概略図である。
【図15C】本開示の別の実施形態に係るＮステージバックコンバータへと拡張される、シングルステージバックコンバータについての概略図である。
【図15D】本開示の別の実施形態に係るＮステージバックコンバータへと拡張される、シングルステージバックコンバータについての概略図である。
【図16】本開示の実施形態に係るマルチステージバックコンバータにおけるインダクタ電流の模擬出力曲線（simulation output curve）についての概略図である。
【図17】本開示の実施形態に係るマルチステージバックコンバータにおけるキャパシタ電圧の模擬出力曲線についての概略図である。
【0007】
以下の詳細な説明では、説明を目的として、開示されている実施形態についての十分な理解を提供するために、多数の特定の詳細部が記載されている。しかしながら、これらの特定の詳細部が無くとも、１つ以上の実施形態が実施されうることは明らかであろう。他の例では、図面を簡略化するために、周知の構造およびデバイスは概略的に示されている。
【発明を実施するための形態】
【0008】
開示されている各実施形態は、マルチステージバックコンバータを提供している。当該マルチステージバックコンバータは、キャパシタストリングとパワースイッチモジュールとパワー変換モジュールとを含んでいてよい。キャパシタストリングは、直列接続されたＮ個のキャパシタを含む。パワースイッチモジュールは、キャパシタストリングに接続されているとともに、Ｎ個のパワースイッチグループＳＷｎを含む。パワー変換モジュールは、パワースイッチモジュールに接続されている。パワー変換モジュールの動作（オペレーション）周波数ｆＷは、Ｎ個のパワースイッチグループＳＷｎのスイッチング周波数ｆＳのＮ倍に等しい。Ｎは、２以上の正の整数である。その結果、各パワースイッチグループの１スイッチング周期（one switching period）において、パワー変換モジュールはＮ回充放電させられる。これにより、マルチ周波数出力（複数倍周波数出力）（multiple frequency buck output）という技術的効果が達成される。さらに、ｎは、１からＮまでの正の整数である。Ｎは、２以上の任意の正の整数である。本開示におけるＮは、マルチステージバックコンバータのステージの数を表してよい。ｎは、マルチステージバックコンバータにおけるＮ個の対応するコンポーネントのうちの１つを表す。
【0009】
一実施形態におけるスイッチング周波数ｆＳは、中低周波数範囲（mid-low frequency range）において動作しさえすればよい。このため、（１）スイッチングロスを低減して電源効率（power supply efficiency）を向上させる（電源能力を向上させる）ことができ、かつ、（２）マルチステージバックコンバータ１００Ａの安定性を改善することにより、非理想特性（non-ideal characteristics）により引き起こされる不安定要因（unstable factors）を低減することができる。また、マルチステージバックコンバータの構成では、パワー変換モジュール１３０の動作周波数ｆＷは、スイッチング周波数ｆＳの複数（Ｎ）倍である。従って、パワー変換モジュール１３０は、中高周波数範囲（mid-to-high frequency range）において動作し、マルチステージバックコンバータの電力密度を改善できる。要するに、本開示の実施形態におけるマルチステージバックコンバータは、高電力密度および低スイッチング損失（low switching loss）という二重の技術的効果（dual technical effects）を有することができる。上述の中低周波数範囲は、例えば、Ｆ１よりも小さい。Ｆ１は、例えば、２０ｋＨｚから１０００ｋＨｚまでの任意の整数である。上述の中高周波数範囲は、例えば、Ｆ１よりも大きい。
【0010】
以下、マルチステージバックコンバータの具体的／詳細な構成および動作原理（working principle）についてさらに説明する。
【0011】
図１および図２を参照する。図１は、本発明の実施形態に係るマルチステージバックコンバータ１００Ａの回路についての概略図である。図２は、（ｉ）パワースイッチグループＳＷ１における充放電電流ＩＬと制御信号ＶＱ１＿ＳＷ１とＶＱ２＿ＳＷ１とのタイミング、および、（ｉｉ）パワースイッチグループＳＷ２における充放電電流ＩＬおよび制御信号ＶＱ１＿ＳＷ２とＶＱ２＿ＳＷ２とのタイミングについての概略図である。
【0012】
図１に示されている通り、マルチステージバックコンバータ１００Ａは、電源１０および負荷（load）２０に接続されていてよい。電源１０は、例えば、ＤＣ電源（直流電源）である。マルチステージバックコンバータ１００Ａは、電源１０のＤＣ電圧ＶｉをあるＤＣ電圧に変換し、当該あるＤＣ電圧を負荷２０に供給できる。負荷２０は、例えば、発光ダイオードなどの発光素子、または、電力を必要とする他の電子デバイスである。
【0013】
図１に示されている通り、一例として、マルチステージバックコンバータ１００Ａは、２ステージ（Ｎ＝２）バックコンバータとして例示されている。マルチステージバックコンバータ１００Ａは、キャパシタストリング１１０とパワースイッチモジュール１２０とパワー変換モジュール１３０とを含む。キャパシタストリング１１０は、直列接続された２つの（Ｎ＝２）キャパシタＣ１およびＣ２を含む。パワースイッチモジュール１２０は、キャパシタストリング１１０に接続されているとともに、２つの（Ｎ＝２）パワースイッチグループＳＷ１およびＳＷ２を含む。パワー変換モジュール１３０は、パワースイッチモジュール１２０に接続されている。パワー変換モジュール１３０の動作周波数ｆＷは、パワースイッチグループＳＷ１またはＳＷ２のスイッチング周波数ｆＳの２倍（Ｎ＝２）に等しい。その結果、図２に示されている通り、パワースイッチグループＳＷ１またはＳＷ２の１スイッチング周期ＴＳ（当該スイッチング周期ＴＳは、図２に示されている）において、パワー変換モジュール１３０が複数の充放電周期（charging and discharging period）Ｔ１およびＴ２において２回（Ｎ＝２）動作しうる。それゆえ、２倍周波数出力（double frequency output）という技術的効果を達成できる。
【0014】
図１に示されている通り、パワースイッチモジュール１２０におけるパワースイッチグループＳＷｎをスイッチングすることにより、パワー変換モジュール１２０のエネルギー蓄積素子を制御してエネルギーを蓄積できる。パワースイッチモジュール１２０におけるパワースイッチグループＳＷ１は、第１パワースイッチＱ１＿ＳＷ１と第２パワースイッチＱ２＿ＳＷ１とを含む。パワースイッチグループＳＷ２は、第１パワースイッチＱ１＿ＳＷ２と第２パワースイッチＱ２＿ＳＷ２とを含む。キャパシタＣ１は、パワースイッチグループＳＷ１の第１パワースイッチＱ１＿ＳＷ１と第２パワースイッチＱ２＿ＳＷ１とに接続されている。キャパシタＣ２は、パワースイッチグループＳＷ２における第１パワースイッチＱ１＿ＳＷ２と第２パワースイッチＱ２＿ＳＷ２とに接続されている。パワー変換モジュール１３０は、パワースイッチＱ＿１３０とエネルギー蓄積素子１３１とを含む。エネルギー蓄積素子１３１は、例えば、インダクタおよび／またはキャパシタを含む。さらに、本明細書におけるパワースイッチは、例えば、金属－酸化物－半導体電界効果トランジスタ（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor，MOSFET）である。パワー変換モジュール１３０の動作周波数ｆＷは、エネルギー蓄積素子１３１が単位時間内に充放電を完了する回数である。
【0015】
図１に示されている通り、パワースイッチＱ＿１３０の第１端子Ｑａおよび第２端子Ｑｂはそれぞれ、パワースイッチグループ１２０の２つの端子に接続されている。また、エネルギー蓄積素子１３１の第１端子１３１ａおよび第２端子１３１ｂは、パワースイッチモジュール１２０の２つの端子にそれぞれ接続されている。
【0016】
開示されている実施形態は、パワー変換モジュール１３０の構成および／またはタイプを限定していない。実施形態は、バックブースト（Buck-Boost）、フライバック（Fly-back）、フォワード（Forward）、またはＬＬＣ（Logical Link Control，論理リンク制御）などの様々な電力変換構成であってもよい。
【0017】
本開示の実施形態において、Ｎ個のパワースイッチグループＳＷｎのうちの第ｎパワースイッチグループ（nth power switch group）ＳＷｎは、第１パワースイッチＱ１＿ＳＷｎと第２パワースイッチＱ２＿ＳＷｎとを含む。第ｎキャパシタ（nth capacitor）Ｃｎは、第ｎパワースイッチグループＳＷｎの第１パワースイッチＱ１＿ＳＷｎと第２パワースイッチＱ２＿ＳＷｎとに接続されている。ｎは、１からＮまでの正の整数である。第ｎ充電インターバル（nth charging interval）では、Ｎ個のパワースイッチグループＳＷｎのうちの第ｎパワースイッチグループＳＷｎにおける第１パワースイッチＱ１＿ＳＷｎと第２パワースイッチＱ２＿ＳＷｎが同時に導通する（conducted）。その一方、Ｎ個のパワースイッチグループＳＷｎのうちのその他は、全て非導通となる（non-conducted）。その結果、第ｎキャパシタＣｎは、第ｎパワースイッチグループＳＷｎを通じて、パワー変換モジュール１３０を充電する（またはエネルギーを蓄積する）。第ｎ放電インターバル（nth discharging interval）では、エネルギー変換モジュール１３０のエネルギースイッチＱ＿１３０が導通する。その一方、Ｎ個のエネルギースイッチグループＳＷｎの全てが非導通となる。これにより、エネルギー変換モジュール１３０は、負荷２０に向けて放電する（またはエネルギーを放出する）。以下、図３Ａ～図３Ｃを用いてさらに説明する。
【0018】
【0019】
図３Ａ～図３Ｃを参照する。図３Ａは、パワー回路スイッチグループＳＷ１を通じてエネルギー蓄積素子１３１を充電する、図１における電源１０の概略図である。図３Ｂは、図３Ａにおけるエネルギー蓄積素子１３１の放電についての概略図である。図３Ｃは、パワースイッチグループＳＷ２を通じてエネルギー蓄積素子１３１を充電する、図１における電源１０についての概略図である。
【0020】
図３Ａに示されている通り、第１（ｎ＝１）充放電周期Ｔ１における第１（ｎ＝１）充電インターバルＴ１１（当該充電インターバルＴ１１は、図２に示されている）では、パワースイッチグループＳＷ１における第１パワースイッチＱ１＿ＳＷ１と第２パワースイッチＱ２＿ＳＷ１とが同時に導通する。その一方、（ｉ）パワースイッチグループＳＷ２における第１パワースイッチＱ１＿ＳＷ２および第２パワースイッチＱ２＿ＳＷ２と、（ｉｉ）パワー変換モジュール１３０におけるパワースイッチＱ＿１３０とは、非導通となる。その結果、キャパシタＣ１とパワースイッチグループＳＷ１とエネルギー蓄積素子１３１とは、ループ（太い実線によって示されている）を形成する。充電電流ＩＬ１は、当該ループを通じてエネルギー蓄積素子１３１を充電する。
【0021】
図３Ｂに示されている通り、第１（ｎ＝１）充放電周期Ｔ１における第１（ｎ＝１）放電インターバルＴ１２（当該放電インターバルＴ１２は、図２に示されている）では、（ｉ）パワースイッチグループＳＷ１における第１パワースイッチＱ１＿ＳＷ１および第２パワースイッチＱ２＿ＳＷ１と、（ｉｉ）パワースイッチグループＳＷ２における第１パワースイッチＱ１＿ＳＷ２および第２パワースイッチＱ２＿ＳＷ２とは、非導通となる。その一方、パワー変換モジュール１３０におけるパワースイッチＱ＿１３０が導通する。これにより、パワースイッチＱ＿１３０とエネルギー蓄積素子１３１とは、ループ（太い実線によって示されている）を形成する。エネルギー蓄積素子１３１は、当該ループを通じて、放電電流ＩＬ２を放出して負荷２０に電力を供給する。また、放電インターバルにおいて、電源１０は、キャパシタＣ１およびＣ２を同時に充電する。
【0022】
要するに、マルチステージバックコンバータ１００Ａにおける放電インターバルでは、パワー変換モジュール１３０におけるパワースイッチＱ＿１３０が導通する。その一方、２つのパワースイッチグループＳＷ１およびＳＷ２は両方とも非導通となる。その結果、パワー変換モジュール１３０が放電する。
【0023】
図３Ｃに示されている通り、第２（ｎ＝２）充放電周期Ｔ２における第２（ｎ＝２）充電インターバルＴ２１（当該充電インターバルＴ２１は、図２に示されている）では、パワースイッチグループＳＷ２における第１パワースイッチＱ１＿ＳＷ２と第２パワースイッチＱ２＿ＳＷ２とが導通する。その一方、（ｉ）パワースイッチグループＳＷ１における第１パワースイッチＱ１＿ＳＷ１および第２パワースイッチＱ２＿ＳＷ１と、（ｉｉ）パワー変換モジュール１３０におけるパワースイッチＱ＿１３０とは、非導通となる。その結果、キャパシタＣ２とパワースイッチグループＳＷ２とエネルギー蓄積素子１３１とは、ループ（太い実線によって示されている）を形成する。充電電流ＩＬ１は、当該ループを通じて、エネルギー蓄積素子１３１を充電する。
【0024】
図３Ｂにおける動作モードと同様に、第２（ｎ＝２）充放電周期Ｔ２における第２（ｎ＝２）放電インターバルＴ２２（当該放電インターバルＴ２２は、図２に示されている）では、（ｉ）パワースイッチグループＳＷ１における第１パワースイッチＱ１＿ＳＷ１および第２パワースイッチＱ２＿ＳＷ１と、（ｉｉ）パワースイッチグループＳＷ２における第１パワースイッチＱ１＿ＳＷ２および第２パワースイッチＱ２＿ＳＷ２とは、非導通となる。その一方、パワー変換モジュール１３０におけるパワースイッチＱ＿１３０が導通する。その結果、パワースイッチＱ＿１３０とエネルギー蓄積素子１３１とは、ループ（太い実線によって示されている）を形成する。エネルギー蓄積素子１３１は、当該ループを通じて、放電電流ＩＬ２を放出して負荷２０に電力を供給する。同様に、放電インターバルにおいて、電源１０は、キャパシタＣ１およびＣ２を同時に充電しうる。
【0025】
図２に示されている通り、上述の第１充電インターバルＴ１１と第１放電インターバルＴ１２とは、第１充放電周期Ｔ１を構成する。また、第２充電インターバルＴ２１と第２放電インターバルＴ２２とは、第２充放電周期を構成する。パワースイッチグループＳＷ１およびＳＷ２がそれぞれ１回ずつ動作するスイッチング周期ＴＳにおいて、パワー変換モジュール１３０が２回充放電させられることにより、２倍周波数出力という技術的効果が達成される。
【0026】
図４～図５を参照する。図４は、本発明の一実施形態に係るマルチステージバックコンバータ１００Ｂの回路についての概略図である。図５は、図４のマルチステージバックコンバータ１００Ｂに関しての、（ｉ）パワースイッチグループＳＷ１における充放電電流ＩＬと制御信号ＶＱ１＿ＳＷ１とＶＱ２＿ＳＷ１とのタイミング、および、（ｉｉ）パワースイッチグループＳＷ２における充放電電流ＩＬと制御信号ＶＱ１＿ＳＷ２とＶＱ２＿ＳＷ２とのタイミングについての概略図である。
【0027】
マルチステージバックコンバータ１００Ｂは、２ステージ（Ｎ＝２）バックコンバータである。マルチステージバックコンバータ１００Ｂは、キャパシタストリング１１０とパワースイッチモジュール１２０とパワー変換モジュール１３０とを含む。キャパシタストリング１１０は、直列接続された２つの（Ｎ＝２）キャパシタＣ１およびＣ２を含む。パワースイッチモジュール１２０は、キャパシタストリング１１０に接続されているとともに、２つの（Ｎ＝２）パワースイッチグループＳＷ１およびＳＷ２を含む。パワー変換モジュール１３０は、パワースイッチモジュール１２０に接続されている。パワー変換モジュール１３０の動作周波数ｆＷは、パワースイッチグループＳＷ１またはＳＷ２のスイッチング周波数ｆＳの２倍（Ｎ＝２）に等しい。その結果、図５に示されている通り、パワースイッチグループＳＷ１またはＳＷ２の１スイッチ周期ＴＳ（当該スイッチ周期ＴＳは、図５に示されている）において、パワー変換モジュール１３０が複数の充放電周期Ｔ１およびＴ２において２回動作することにより、２倍周波数出力という技術的効果を達成できる。
【0028】
マルチステージバックコンバータ１００Ｂは、マルチステージバックコンバータ１００Ａと同一または類似の技術的構成を有する。マルチステージバックコンバータ１００Ｂにおけるパワー変換モジュール１３０とパワースイッチモジュール１２０とは、少なくとも１つの素子（例：各パワースイッチグループＳＷｎにおける複数のパワースイッチのうちの１つ）を共有している。具体的には、マルチステージバックコンバータ１００Ｂにおけるパワー変換モジュール１３０とパワースイッチモジュール１２０とは、（ｉ）パワースイッチグループＳＷ１における第２パワースイッチＱ２＿ＳＷ１、および、（ｉｉ）パワースイッチグループＳＷ２における第１パワースイッチＱ１＿ＳＷ２を共有している。充電インターバルおよび放電インターバルでは、共有パワースイッチ（shared power switches）の１つ以上が導通する。
【0029】
【0030】
図６Ａ～図６Ｃを参照する。図６Ａは、パワースイッチグループＳＷ１を通じてエネルギー蓄積素子１３１を充電する、図４における電源１０についての概略図である。図６Ｂは、図６Ａにおけるエネルギー蓄積素子１３１の放電についての概略図である。図６Ｃは、パワースイッチグループＳＷ２を通じてエネルギー蓄積素子１３１を充電する、図４における電源１０についての概略図である。
【0031】
図６Ａに示されている通り、第１（ｎ＝１）充放電周期Ｔ１における第１（ｎ＝１）充電インターバルＴ１１（当該充電インターバルＴ１１は、図５に示されている）では、パワースイッチグループＳＷ１における第１パワースイッチＱ１＿ＳＷ１と第２パワースイッチＱ２＿ＳＷ１とが導通する。その一方で、パワースイッチグループＳＷ２における第１パワースイッチＱ１＿ＳＷ２と第２パワースイッチＱ２＿ＳＷ２とが非導通となる。その結果、キャパシタＣ１とパワースイッチグループＳＷ１とエネルギー蓄積素子１３１とは、ループ（太い実線によって示されている）を形成する。充電電流ＩＬ１は、当該ループを通じてエネルギー蓄積素子１３１を充電する。
【0032】
図６Ｂに示されている通り、第１（ｎ＝１）充放電周期Ｔ１における第１（ｎ＝１）放電インターバルＴ１２（当該放電インターバルＴ１２は、図５に示されている）では、パワースイッチグループＳＷ１における第１パワースイッチＱ１＿ＳＷ１とパワースイッチグループＳＷ２における第２パワースイッチＱ２＿ＳＷ２とが非導通となる。その一方、パワースイッチグループＳＷ２における第１パワースイッチＱ１＿ＳＷ２とパワースイッチグループＳＷ１における第２パワースイッチＱ２＿ＳＷ１とが導通する。その結果、第１パワースイッチＱ１＿ＳＷ２と第２パワースイッチＱ２＿ＳＷ１とエネルギー蓄積素子１３１とは、ループ（太い実線によって示されている）を形成する。エネルギー蓄積素子１３１は、当該ループを通じて、放電電流ＩＬ２を放出して負荷２０に電力を供給する。
【0033】
要するに、放電インターバルでは、２つの（Ｎ＝２）パワースイッチグループ（例：パワースイッチグループＳＷ１およびＳＷ２）における複数のパワースイッチ（すなわち、第１パワースイッチＱ１＿ＳＷ２および第２パワースイッチＱ２＿ＳＷ１などの共有パワースイッチ）が導通する。その一方、上記２つの（Ｎ＝２）パワースイッチグループにおけるその他のパワースイッチ（すなわち、第１パワースイッチＱ１＿ＳＷ１および第２パワースイッチＱ２＿ＳＷ２などの非共有パワースイッチ（non-shared power switches））が非導通となる。その結果、パワー変換モジュール１３０は、放電して負荷２０に電力を供給する。
【0034】
図６Ｃに示されている通り、第２（ｎ＝２）充放電周期Ｔ２における第２（ｎ＝２）充電インターバルＴ２１（当該充電インターバルＴ２１は、図５に示されている）では、パワースイッチグループＳＷ２における第１パワースイッチＱ１＿ＳＷ２と第２パワースイッチＱ２＿ＳＷ２とが導通する。その一方、パワースイッチグループＳＷ１における第１パワースイッチＱ１＿ＳＷ１と第２パワースイッチＱ２＿ＳＷ１とが非導通となる。その結果、キャパシタＣ２とパワースイッチグループＳＷ２とエネルギー蓄積素子１３１とは、ループ（太い実線によって示されている）を形成する。充電電流ＩＬ１は、当該ループを通じてエネルギー蓄積素子１３１を充電する。
【0035】
図６Ｂにおける動作モードと同様に、第２（ｎ＝２）充放電周期Ｔ２における第２（ｎ＝２）放電インターバルＴ２２（当該放電インターバルＴ２２は、図５に示されている）では、パワースイッチグループＳＷ１における第１パワースイッチＱ１＿ＳＷ１とパワースイッチグループＳＷ２における第２パワースイッチＱ２＿ＳＷ２とが非導通となる。その一方、パワースイッチグループＳＷ２における第１パワースイッチＱ１＿ＳＷ２とパワースイッチグループＳＷ１における第２パワースイッチＱ２＿ＳＷ１とが導通する。その結果、第１パワースイッチＱ１＿ＳＷ２と第２パワースイッチＱ２＿ＳＷ１とエネルギー蓄積素子１３１とは、ループ（太い実線によって示されている）を形成する。エネルギー蓄積素子１３１は、当該ループを通じて、放電電流ＩＬ２を放出して負荷２０に電力を供給する。
【0036】
【0037】
マルチステージバックコンバータ１００Ｃは、２ステージ（Ｎ＝２）バックコンバータである。マルチステージバックコンバータ１００Ｃは、キャパシタストリング１１０とパワースイッチモジュール１２０とパワー変換モジュール１３０とを含む。キャパシタストリング１１０は、直列接続された２つの（Ｎ＝２）キャパシタＣ１およびＣ２を含む。パワースイッチモジュール１２０は、キャパシタストリング１１０に接続されているとともに、２つの（Ｎ＝２）パワースイッチグループＳＷ１およびＳＷ２を含む。パワー変換モジュール１３０は、パワースイッチモジュール１２０に接続されている。パワー変換モジュール１３０の動作周波数ｆＷは、パワースイッチグループＳＷ１またはＳＷ２のスイッチング周波数ｆＳの２倍（Ｎ＝２）に等しい。上述のマルチステージバックコンバータ１００Ａと同様に、パワースイッチグループＳＷ１またはＳＷ２の１スイッチング周期ＴＳにおいて、パワー変換モジュール１３０が複数の充放電周期において２回（Ｎ＝２）動作することにより、２倍周波数出力という技術的効果を達成できる。
【0038】
マルチステージバックコンバータ１００Ｃは、マルチステージバックコンバータ１００Ａと同一または類似の技術的構成を有する。但し、マルチステージバックコンバータ１００Ｃにおけるパワースイッチモジュール１２０およびパワー変換モジュール１３０のそれぞれは、少なくとも１つのダイオードを含むことに留意されたい。例えば、パワースイッチグループＳＷ１は、第１パワースイッチＱ１＿ＳＷ１およびダイオードＤ＿ＳＷ１を含む。パワースイッチグループＳＷ２は、第２パワースイッチＱ２＿ＳＷ２およびダイオードＤ＿ＳＷ２を含む。パワー変換モジュール１３０は、ダイオードＤ＿１３０を含む。上述のマルチステージバックコンバータ１００Ａと比較すると、本実施形態のパワースイッチグループＳＷ１における第２パワースイッチＱ２＿ＳＷ１は、ダイオードＤ＿ＳＷ１に置き換えられている。そして、パワースイッチグループＳＷ２における第１パワースイッチＱ１＿ＳＷ２は、ダイオードＤ＿ＳＷ２に置き換えられている。パワースイッチモジュール１２０の第１端子１２０ａおよび第２端子１２０ｂは、ダイオードＤ＿１３０の２つの端子にそれぞれ接続されている。
【0039】
加えて、パワースイッチグループＳＷｎにおける２つのパワースイッチに関して、そのボディダイオードの正極（ｐ電極）から当該ボディダイオードの負極（ｎ電極）への向きが電流の向きと同じであるパワースイッチのみが、ダイオードに置き換えられてよい。例えば、パワースイッチグループＳＷ１における第１パワースイッチＱ１＿ＳＷ１については、そのボディダイオードの正極から当該ボディダイオードの負極への向きが、電流の向きとは逆である。このため、第１パワースイッチＱ１＿ＳＷ１は、ダイオードによる置き換えには適していない。第２パワースイッチＱ２＿ＳＷ１（図１を参照）については、そのボディダイオードの正極から当該ボディダイオードの負極への向きが、電流の向きと同じである。このため、第２パワースイッチＱ２＿ＳＷ１は、ダイオードによって置き換えられてよい。
【0040】
制御の観点からは、マルチステージバックコンバータ１００Ｃの各パワースイッチグループＳＷｎについて、１つのパワースイッチが導通または非導通となるように制御しさえすれば、２倍（ｎ＝２）周波数出力という技術的効果を達成できる。例えば、（ｉ）パワースイッチグループＳＷ１における第１パワースイッチＱ１＿ＳＷ１が導通または非導通となるように制御し、かつ、（ｉｉ）パワースイッチグループＳＷ２における第２パワースイッチＱ２＿ＳＷ２が導通または非導通となるように制御しさえすれば、２倍周波数出力という技術的効果を達成できる。
【0041】
【0042】
マルチステージバックコンバータ１００Ｄは、２ステージ（Ｎ＝２）バックコンバータである。マルチステージバックコンバータ１００Ｄは、キャパシタストリング１１０とパワースイッチモジュール１２０とパワー変換モジュール１３０とを含む。キャパシタストリング１１０は、直列接続された２つの（Ｎ＝２）キャパシタＣ１およびＣ２を含む。パワースイッチモジュール１２０は、キャパシタストリング１１０に接続されており、２つの（Ｎ＝２）パワースイッチグループＳＷ１およびＳＷ２を含む。パワー変換モジュール１３０は、パワースイッチモジュール１２０に接続されている。パワー変換モジュール１３０の動作周波数ｆＷは、パワースイッチグループＳＷ１またはＳＷ２のスイッチング周波数ｆＳの２倍（Ｎ＝２）に等しい。その結果、上述したマルチステージバックコンバータ１００Ｂと同様に、パワースイッチグループＳＷ１またはＳＷ２の１スイッチング周期ＴＳにおいて、パワー変換モジュール１３０が複数の充放電周期において２回動作することにより、２倍周波数出力という技術的効果を達成できる。
【0043】
マルチステージバックコンバータ１００Ｄは、マルチステージバックコンバータ１００Ｃと同一または類似の技術的構成を有する。マルチステージバックコンバータ１００Ｄにおけるパワースイッチモジュール１２０とパワー変換モジュール１３０とは、一部のコンポーネントを共有していることに留意されたい。例えば、パワースイッチモジュール１２０とパワー変換モジュール１３０とは、ダイオードＤ＿ＳＷ１およびＤ＿ＳＷ２を共有している。さらに、パワー変換モジュール１３０は、ダイオードＤ＿１３０を省略してよい。
【0044】
【0045】
マルチステージバックコンバータ２００Ａは、３ステージ（Ｎ＝３）バックコンバータである。マルチステージバックコンバータ２００Ａは、キャパシタストリング１１０とパワースイッチモジュール１２０とパワー変換モジュール１３０を含む。キャパシタストリング１１０は、直列接続された３つの（Ｎ＝３）キャパシタＣ１～Ｃ３を含む。パワースイッチモジュール１２０は、キャパシタストリング１１０に接続されているととともに、３つの（Ｎ＝３）パワースイッチグループＳＷ１～ＳＷ３を含む。パワー変換モジュール１３０は、パワースイッチモジュール１２０に接続されている。パワー変換モジュール１３０の動作周波数ｆＷは、パワースイッチグループＳＷ１、ＳＷ２、またはＳＷ３のスイッチング周波数ｆＳの３倍（Ｎ＝３）に等しい。その結果、上述したタイミング制御方式と同様に、パワースイッチグループＳＷ１、ＳＷ２、またはＳＷ３の１スイッチング周期ＴＳにおいて、パワー変換モジュール１３０が複数の充放電周期において３回（Ｎ＝３）動作することにより、３倍周波数出力という技術的効果を達成できる。
【0046】
本実施形態では、パワースイッチモジュール１２０とパワー変換モジュール１３０とは、一部のコンポーネントを共有している。例えば、パワースイッチモジュール１２０とパワー変換モジュール１３０とは、パワースイッチＱ２＿ＳＷ１、Ｑ１＿ＳＷ２、Ｑ２＿ＳＷ２、およびＱ１＿ＳＷ３のうちの少なくとも１つを共有している。共有パワースイッチのうちの１つ以上は、充電インターバルおよび放電インターバルにおいて導通する。
【0047】
図１０Ａ～図１０Ｅを参照する。図１０Ａは、パワースイッチグループＳＷ１を通じてエネルギー蓄積素子１３１を充電する、図９における電源１０についての概略図である。図１０Ｂは、図１０Ａにおけるエネルギー蓄積素子１３１の放電についての概略図である。図１０Ｃは、パワースイッチグループＳＷ２を通じてエネルギー蓄積素子１３１を充電する、図９における電源１０についての概略図である。図１０Ｄは、図１０Ｃにおけるエネルギー蓄積素子１３１の放電についての概略図である。図１０Ｅは、図９におけるパワースイッチグループＳＷ３を通じてエネルギー蓄積素子１３１を充電する、電源１０についての概略図である。
【0048】
マルチステージバックコンバータ２００Ａのタイミング制御原理は、図５におけるタイミング制御原理に類似しているので、ここでは繰り返さない。
【0049】
図１０Ａに示されている通り、第１（ｎ＝１）充放電周期における第１（ｎ＝１）充電インターバルでは、パワースイッチグループＳＷ１における第１パワースイッチＱ１＿ＳＷ１と第２パワースイッチＱ２＿ＳＷ１とが同時に導通する。その一方、（ｉ）パワースイッチグループＳＷ２における第１パワースイッチＱ１＿ＳＷ２および第２パワースイッチＱ２＿ＳＷ２と、（ｉｉ）パワースイッチグループＳＷ３における第１パワースイッチＱ１＿ＳＷ３および第２パワースイッチＱ２＿ＳＷ３とは、非導通となる。その結果、キャパシタＣ１とパワースイッチグループＳＷ１とエネルギー蓄積素子１３１とは、ループ（太い実線によって示されている）を形成する。充電電流ＩＬ１は、当該ループを通じてエネルギー蓄積素子１３１を充電する。
【0050】
図１０Ｂに示されている通り、第１（ｎ＝１）充放電周期における第１（ｎ＝１）放電インターバルでは、（ｉ）パワースイッチグループＳＷ１における第１パワースイッチＱ１＿ＳＷ１と、（ｉｉ）パワースイッチグループＳＷ２における第２パワースイッチＱ２＿ＳＷ２と、（ｉｉｉ）パワースイッチグループＳＷ３における第１パワースイッチＱ１＿ＳＷ３および第２パワースイッチＱ２＿ＳＷ３とは、非導通となる。一方、パワースイッチグループＳＷ１における第２パワースイッチＱ２＿ＳＷ１とパワースイッチグループＳＷ２における第１パワースイッチＱ１＿ＳＷ２とが導通する。その結果、第１パワースイッチＱ１＿ＳＷ２と第２パワースイッチＱ２＿ＳＷ１とエネルギー蓄積素子１３１とは、ループ（太い実線によって示されている）を形成する。エネルギー蓄積素子１３１は、当該ループを通じて、放電電流ＩＬ２を放出して負荷２０に電力を供給する。また、放電インターバルにおいて、電源１０は、キャパシタＣ１、Ｃ２、およびＣ３を同時に充電する。
【0051】
要するに、放電インターバルでは、３つの（Ｎ＝３）パワースイッチグループのうちの２つのパワースイッチグループ（例：パワースイッチグループＳＷ１およびＳＷ２）におけるパワースイッチ（例：第１パワースイッチＱ１＿ＳＷ２および第２パワースイッチＱ２＿ＳＷ１）が導通する。その一方、３つの（Ｎ＝３）パワースイッチグループにおけるその他のパワースイッチ（例：第１パワースイッチＱ１＿ＳＷ１、第２パワースイッチＱ２＿ＳＷ２、第１パワースイッチＱ１＿ＳＷ３、および第２パワースイッチＱ２＿ＳＷ３）が非導通となる。その結果、パワー変換モジュール１３０は、放電して負荷２０に電力を供給する。
【0052】
別の実施形態では、第１（ｎ＝１）充放電周期における放電インターバルにおいて、パワースイッチモジュール１２０は、図１０Ｄに示されているスイッチングモードを用いてパワー変換モジュール１３０を制御して放電させることもできる。詳細については後述する。
【0053】
図１０Ｃに示されている通り、第２（ｎ＝２）充放電周期における第２（ｎ＝２）充電インターバルでは、パワースイッチグループＳＷ２における第１パワースイッチＱ１＿ＳＷ２と第２パワースイッチＱ２＿ＳＷ２とが同時に導通する。その一方、（ｉ）パワースイッチグループＳＷ１における第１パワースイッチＱ１＿ＳＷ１および第２パワースイッチＱ２＿ＳＷ１と、（ｉｉ）パワースイッチグループＳＷ３における第１パワースイッチＱ１＿ＳＷ３および第２パワースイッチＱ２＿ＳＷ３とは、非導通となる。その結果、キャパシタＣ２とパワースイッチグループＳＷ２とエネルギー蓄積素子１３１とは、ループ（太い実線によって示されている）を形成する。充電電流ＩＬ１は、当該ループを通じてエネルギー蓄積素子１３１を充電する。
【0054】
図１０Ｄに示されている通り、第２（ｎ＝２）充放電周期における第２（ｎ＝２）放電インターバルでは、（ｉ）パワースイッチグループＳＷ１における第１パワースイッチＱ１＿ＳＷ１および第２パワースイッチＱ２＿ＳＷ１と、（ｉｉ）パワースイッチグループＳＷ２における第１パワースイッチＱ１＿ＳＷ２と、（ｉｉｉ）パワースイッチグループＳＷ３における第２パワースイッチＱ２＿ＳＷ３とは、非導通となる。その一方、パワースイッチグループＳＷ３における第１パワースイッチＱ１＿ＳＷ３とパワースイッチグループＳＷ２における第２パワースイッチＱ２＿ＳＷ２とが導通する。その結果、第１パワースイッチＱ１＿ＳＷ３と第２パワースイッチＱ２＿ＳＷ２とエネルギー蓄積素子１３１とは、ループ（太い実線によって示されている）を形成する。エネルギー蓄積素子１３１は、当該ループを通じて、放電電流ＩＬ２を放出して負荷２０に電力を供給する。また、放電インターバルにおいて、電源１０は、キャパシタＣ１、Ｃ２、およびＣ３を同時に充電する。
【0055】
別の実施形態では、第２（ｎ＝２）充放電周期における放電インターバルにおいて、パワースイッチモジュール１２０は、図１０Ｂに示されているスイッチングモードを採用してパワー変換モジュール１３０の放電を制御してもよい。
【0056】
図１０Ｅに示されている通り、第３（ｎ＝３）充放電周期における第３（ｎ＝３）充電インターバルでは、パワースイッチグループＳＷ３における第１パワースイッチＱ１＿ＳＷ３と第２パワースイッチＱ２＿ＳＷ３とが同時に導通する。その一方、（ｉ）パワースイッチグループＳＷ１における第１パワースイッチＱ１＿ＳＷ１および第２パワースイッチＱ２＿ＳＷ１と、（ｉｉ）パワースイッチグループＳＷ２における第１パワースイッチＱ１＿ＳＷ２および第２パワースイッチＱ２＿ＳＷ２とは、非導通となる。その結果、キャパシタＣ３とパワースイッチグループＳＷ３とエネルギー蓄積素子１３１とは、ループ（太い実線によって示されている）を形成する。充電電流ＩＬ１は、当該ループを通じてエネルギー蓄積素子１３１を充電する。
【0057】
図１０Ｄにおける動作モードと同様に、第３（ｎ＝３）充放電周期における第３（ｎ＝３）放電インターバルでは、（ｉ）パワースイッチグループＳＷ１における第１パワースイッチＱ１＿ＳＷ１および第２パワースイッチＱ２＿ＳＷ１と、（ｉｉ）パワースイッチグループＳＷ２における第１パワースイッチＱ１＿ＳＷ２と、（ｉｉｉ）パワースイッチグループＳＷ３における第２パワースイッチＱ２＿ＳＷ３とは、非導通となる。その一方、パワースイッチグループＳＷ３における第１パワースイッチＱ１＿ＳＷ３とパワースイッチグループＳＷ２における第２パワースイッチＱ２＿ＳＷ２とが導通する。その結果、第１パワースイッチＱ１＿ＳＷ３と第２パワースイッチＱ２＿ＳＷ２とエネルギー蓄積素子１３１とは、ループ（太い実線によって示されている）を形成する。エネルギー蓄積素子１３１は、当該ループを通じて、放電電流ＩＬ２を放出して負荷２０に電力を供給する。また、放電インターバルにおいて、電源１０は、キャパシタＣ１、Ｃ２、およびＣ３を同時に充電する。
【0058】
別の実施形態では、第３（ｎ＝３）充放電周期における第３（ｎ＝３）放電インターバルにおいて、パワースイッチモジュール１２０は、図１０Ｂに示されているスイッチングモードを採用してパワー変換モジュール１３０の放電を制御してもよい。
【0059】
【0060】
マルチステージバックコンバータ２００Ｂは、マルチステージバックコンバータ２００Ａと同一または類似の技術的構成を有する。マルチステージバックコンバータ２００Ｂにおけるパワースイッチモジュール１２０は、少なくとも１つのダイオードを含むことに留意されたい。例えば、パワースイッチグループＳＷ１は、第１パワースイッチＱ１＿ＳＷ１およびダイオードＤ＿ＳＷ１を含む。パワースイッチグループＳＷ２は、第１パワースイッチＱ１＿ＳＷ２およびダイオードＤ＿ＳＷ２を含む。マルチバックコンバータ２００Ａと比較すると、本実施形態では、マルチバックコンバータ２００ＢのパワースイッチグループＳＷ１における第２パワースイッチＱ２＿ＳＷ１が、ダイオードＤ＿ＳＷ１に置き換えられている。そして、パワースイッチグループＳＷ２における第２パワースイッチＱ２＿ＳＷ２が、ダイオードＤ＿ＳＷ２に置き換えられる。制御の観点からは、パワースイッチグループＳＷｎについて、一部のパワースイッチが導通または非導通となるように制御しさえすれば、マルチ周波数出力という技術的効果を達成できる。例えば、（ｉ）パワースイッチグループＳＷ１における第１パワースイッチＱ１＿ＳＷ１が導通または非導通となるように制御し、かつ、（ｉｉ）パワースイッチグループＳＷ２における第１パワースイッチＱ１＿ＳＷ２が導通または非導通となるように制御しさえすれば、マルチ周波数出力という技術的効果を達成できる。
【0061】
【0062】
マルチステージバックコンバータ３００Ａは、４ステージ（Ｎ＝４）バックコンバータである。マルチステージバックコンバータ３００Ａは、キャパシタストリング１１０とパワースイッチモジュール１２０とパワー変換モジュール１３０とを含む。キャパシタストリング１１０は、直列接続された４つの（Ｎ＝４）キャパシタＣ１～Ｃ４を含む。パワースイッチモジュール１２０は、キャパシタストリング１１０に接続されているとともに、４つの（Ｎ＝４）パワースイッチグループＳＷ１～ＳＷ４を含む。パワー変換モジュール１３０は、パワースイッチモジュール１２０に接続されている。パワー変換モジュール１３０の動作周波数ｆＷは、パワースイッチグループＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３、またはＳＷ４のスイッチング周波数ｆＳの４倍（Ｎ＝４）に等しい。その結果、上述したタイミング制御方式と同様に、パワースイッチグループＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３、またはＳＷ４の１スイッチング周期ＴＳにおいて、パワー変換モジュール１３０が複数の充放電周期において４回（Ｎ＝４）動作することにより、４倍周波数出力という技術的効果を達成できる。
【0063】
本実施形態では、パワースイッチモジュール１２０とパワー変換モジュール１３０とは、一部のコンポーネントを共有している。例えば、パワースイッチモジュール１２０とパワー変換モジュール１３０とは、パワースイッチＱ２＿ＳＷ１、Ｑ１＿ＳＷ２、Ｑ２＿ＳＷ２、Ｑ１＿ＳＷ３、Ｑ２＿ＳＷ３、およびＱ１＿ＳＷ４のうちの少なくとも１つを共有している。共有パワースイッチのうちの１つ以上は、充電インターバルおよび放電インターバルにおいて導通する。
【0064】
図１３Ａ～図１３Ｇを参照する。図１３Ａは、パワースイッチグループＳＷ１を通じてエネルギー蓄積素子１３１を充電する、図１２における電源１０についての概略図である。図１３Ｂは、図１３Ａにおけるエネルギー蓄積素子１３１の放電についての概略図である。図１３Ｃは、パワースイッチグループＳＷ２を通じてエネルギー蓄積素子１３１充電する、図１２における電源１０についての概略図である。図１３Ｄは、図１３Ｃにおけるエネルギー蓄積素子１３１の放電についての概略図である。図１３Ｅは、パワースイッチグループＳＷ３を通じてエネルギー蓄積素子１３１を充電する、図１２における電源１０についての概略図である。図１３Ｆは、図１３Ｅにおけるエネルギー蓄積素子１３１の放電についての概略図である。図１３Ｇは、パワースイッチグループＳＷ４を通じてエネルギー蓄積素子１３１を充電する、図１２における電源１０についての概略図である。
【0065】
マルチステージバックコンバータ３００Ａのタイミング制御原理は、図５のタイミング制御原理に類似しているので、ここでは繰り返さない。
【0066】
図１３Ａに示されている通り、第１（ｎ＝１）充放電周期における第１（ｎ＝１）充電インターバルでは、パワースイッチグループＳＷ１における第１パワースイッチＱ１＿ＳＷ１と第２パワースイッチＱ２＿ＳＷ１とが同時に導通する。その一方、（ｉ）パワースイッチグループＳＷ２における第１パワースイッチＱ１＿ＳＷ２および第２パワースイッチＱ２＿ＳＷ２と、（ｉｉ）パワースイッチグループＳＷ３における第１パワースイッチＱ１＿ＳＷ３および第２パワースイッチＱ２＿ＳＷ３と、（ｉｉｉ）パワースイッチグループＳＷ４における第１パワースイッチＱ１＿ＳＷ４および第２パワースイッチＱ２＿ＳＷ４とは、非導通となる。その結果、キャパシタＣ１とパワースイッチグループＳＷ１とエネルギー蓄積素子１３１とは、ループ（太い実線によって示されている）を形成する。充電電流ＩＬ１は、当該ループ回路を通じてエネルギー蓄積素子１３１を充電する。
【0067】
図１３Ｂに示されている通り、第１（ｎ＝１）充放電周期における第１（ｎ＝１）放電インターバルでは、（ｉ）パワースイッチグループＳＷ１における第１パワースイッチＱ１＿ＳＷ１と、（ｉｉ）パワースイッチグループＳＷ２における第２パワースイッチＱ２＿ＳＷ２と、（ｉｉｉ）パワースイッチグループＳＷ３における第１パワースイッチＱ１＿ＳＷ３および第２パワースイッチＱ２＿ＳＷ３と、（ｉｖ）パワースイッチグループＳＷ４における第１パワースイッチＱ１＿ＳＷ４および第２パワースイッチＱ２＿ＳＷ４とは、非導通となる。その一方、パワースイッチグループＳＷ１における第２パワースイッチＱ２＿ＳＷ１とパワースイッチグループＳＷ２における第１パワースイッチＱ１＿ＳＷ２とが導通する。その結果、第２パワースイッチＱ２＿ＳＷ１と第１パワースイッチＱ１＿ＳＷ２とエネルギー蓄積素子１３１とは、ループ（太い実線によって示されている）を形成する。エネルギー蓄積素子１３１は、当該ループを通じて、放電電流ＩＬ２を放出して負荷２０に電力を供給する。また、放電インターバルにおいて、電源１０は、キャパシタＣ１、Ｃ２、Ｃ３、およびＣ４を同時に充電する。
【0068】
別の実施形態では、第１（ｎ＝１）充放電周期における第１（ｎ＝１）放電インターバルにおいて、パワースイッチモジュール１２０は、図１３Ｄまたは図１３Ｆに示されているスイッチングモードを採用して、パワー変換モジュール１３０の放電を制御してもよい。
【0069】
図１３Ｃに示されている通り、第２（ｎ＝２）充放電周期における第２（ｎ＝２）充電インターバルでは、パワースイッチグループＳＷ２における第１パワースイッチＱ１＿ＳＷ２と第２パワースイッチＱ２＿ＳＷ２とが同時に導通する。その一方、（ｉ）パワースイッチグループＳＷ１における第１パワースイッチＱ１＿ＳＷ１および第２パワースイッチＱ２＿ＳＷ１と、（ｉｉ）パワースイッチグループＳＷ３における第１パワースイッチＱ１＿ＳＷ３および第２パワースイッチＱ２＿ＳＷ３と、（ｉｉｉ）パワースイッチグループＳＷ４における第１パワースイッチＱ１＿ＳＷ４および第２パワースイッチＱ２＿ＳＷ４とが、非導通となる。その結果、キャパシタＣ２とパワースイッチグループＳＷ２とエネルギー蓄積素子１３１とは、ループ（太い実線によって示されている）を形成する。充電電流ＩＬ１は、当該ループを通じてエネルギー蓄積素子１３１を充電する。
【0070】
図１３Ｄに示されている通り、第２（ｎ＝２）充放電周期における第２（ｎ＝２）放電インターバルでは、（ｉ）パワースイッチグループＳＷ１における第１パワースイッチＱ１＿ＳＷ１および第２パワースイッチＱ２＿ＳＷ１と、（ｉｉ）パワースイッチグループＳＷ２における第１パワースイッチＱ１＿ＳＷ２と、（ｉｉｉ）パワースイッチグループＳＷ３における第２パワースイッチＱ２＿ＳＷ３と、（ｉｖ）パワースイッチグループＳＷ４における第１パワースイッチＱ１＿ＳＷ４および第２パワースイッチＱ２＿ＳＷ４とは、非導通となる。その一方、パワースイッチグループＳＷ３における第２パワースイッチＱ２＿ＳＷ２と第１パワースイッチＱ１＿ＳＷ３とが導通する。その結果、第２パワースイッチＱ２＿ＳＷ２と第１パワースイッチＱ１＿ＳＷ３とエネルギー蓄積素子１３１とは、ループ（太い実線によって示されている）を形成する。エネルギー蓄積素子１３１は、当該ループを通じて、放電電流ＩＬ２を放出して負荷２０に電力を供給する。また、放電インターバルにおいて、電源１０は、キャパシタＣ１、Ｃ２、Ｃ３、およびＣ４を同時に充電する。
【0071】
別の実施形態では、第２（ｎ＝２）充放電周期における第２（ｎ＝２）放電インターバルにおいて、パワースイッチモジュール１２０は、図１３Ｂまたは図１３Ｆに示されているスイッチングモードを採用して、パワー変換モジュール１３０の放電を制御してもよい。
【0072】
図１３Ｅに示されている通り、第３（ｎ＝３）充放電周期における第３（ｎ＝３）充電インターバルでは、パワースイッチグループＳＷ３における第１パワースイッチＱ１＿ＳＷ３と第２パワースイッチＱ２＿ＳＷ３とが同時に導通する。その一方、（ｉ）パワースイッチグループＳＷ１における第１パワースイッチＱ１＿ＳＷ１および第２パワースイッチＱ２＿ＳＷ１と、（ｉｉ）パワースイッチグループＳＷ２における第１パワースイッチＱ１＿ＳＷ２および第２パワースイッチＱ２＿ＳＷ２と、（ｉｉｉ）パワースイッチグループＳＷ４における第１パワースイッチＱ１＿ＳＷ４および第２パワースイッチＱ２＿ＳＷ４とは、非導通となる。その結果、キャパシタＣ３とパワースイッチグループＳＷ３とエネルギー蓄積素子１３１とは、ループ（太い実線によって示されている）を形成する。充電電流ＩＬ１は、当該ループを通じてエネルギー蓄積素子１３１を充電する。
【0073】
図１３Ｆに示されている通り、第３（ｎ＝３）充放電周期における第３（ｎ＝３）放電インターバルでは、（ｉ）パワースイッチグループＳＷ１における第１パワースイッチＱ１＿ＳＷ１および第２パワースイッチＱ２＿ＳＷ１と、（ｉｉ）パワースイッチグループＳＷ２における第１パワースイッチＱ１＿ＳＷ２および第２パワースイッチＱ２＿ＳＷ２と、（ｉｉｉ）パワースイッチグループＳＷ３における第１パワースイッチＱ１＿ＳＷ３と、（ｉｖ）パワースイッチグループＳＷ４における第２パワースイッチＱ２＿ＳＷ４とは、非導通となる。その一方、パワースイッチグループＳＷ３における第２パワースイッチＱ２＿ＳＷ３とパワースイッチグループＳＷ４における第１パワースイッチＱ１＿ＳＷ４とが導通する。その結果、第２パワースイッチＱ２＿ＳＷ３と第１パワースイッチＱ１＿ＳＷ４とエネルギー蓄積素子１３１とは、ループ（太い実線によって示されている）を形成する。エネルギー蓄積素子１３１は、当該ループを通じて、放電電流ＩＬ２を放出して負荷２０に電力を供給する。また、放電インターバルにおいて、電源１０は、キャパシタＣ１、Ｃ２、Ｃ３、およびＣ４を同時に充電する。
【0074】
別の実施形態では、第３（ｎ＝３）充放電周期における第３（ｎ＝３）放電インターバルにおいて、パワースイッチモジュール１２０は、図１３Ｂまたは図１３Ｄに示されているスイッチングモードを採用して、パワー変換モジュール１３０の放電を制御してもよい。
【0075】
図１３Ｇに示されている通り、第４（ｎ＝４）充放電周期における第４（ｎ＝４）充電インターバルでは、パワースイッチグループＳＷ４における第１パワースイッチＱ１＿ＳＷ４と第２パワースイッチＱ２＿ＳＷ４とが同時に導通する。その一方、（ｉ）パワースイッチグループＳＷ１における第１パワースイッチＱ１＿ＳＷ１および第２パワースイッチＱ２＿ＳＷ１と、（ｉｉ）パワースイッチグループＳＷ２における第１パワースイッチＱ１＿ＳＷ２および第２パワースイッチＱ２＿ＳＷ２と、（ｉｉｉ）パワースイッチグループＳＷ３における第１パワースイッチＱ１＿ＳＷ３および第２パワースイッチＱ２＿ＳＷ３とが、非導通となる。その結果、キャパシタＣ４とパワースイッチグループＳＷ４とエネルギー蓄積素子１３１とは、ループ（太い実線によって示されている）を形成する。充電電流ＩＬ１は、当該ループを通じてエネルギー蓄積素子１３１を充電する。
【0076】
図１３Ｆの動作モードと同様に、第４（ｎ＝４）充放電周期における第４（ｎ＝４）放電インターバルでは、（ｉ）パワースイッチグループＳＷ１における第１パワースイッチＱ１＿ＳＷ１および第２パワースイッチＱ２＿ＳＷ１と、（ｉｉ）パワースイッチグループＳＷ２における第１パワースイッチＱ１＿ＳＷ２および第２パワースイッチＱ２＿ＳＷ２と、（ｉｉｉ）パワースイッチグループＳＷ３における第１パワースイッチＱ１＿ＳＷ３と、（ｉｖ）パワースイッチグループＳＷ４における第２パワースイッチＱ２＿ＳＷ４とが、非導通となる。その一方、パワースイッチグループＳＷ３における第２パワースイッチＱ２＿ＳＷ３とパワースイッチグループＳＷ４における第１パワースイッチＱ１＿ＳＷ４とが導通する。その結果、第２パワースイッチＱ２＿ＳＷ３と第１パワースイッチＱ１＿ＳＷ４とエネルギー蓄積素子１３１とは、ループを形成する。エネルギー蓄積素子１３１は、当該ループを通じて、放電電流ＩＬ２を放出して負荷２０に電力を供給する。
【0077】
別の実施形態では、第４（ｎ＝４）充放電周期における第４（ｎ＝４）放電インターバルにおいて、パワースイッチモジュール１２０は、図１３Ｂまたは図１３Ｄに示されているスイッチングモードを採用して、パワー変換モジュール１３０の放電を制御してもよい。
【0078】
【0079】
マルチステージバックコンバータ３００Ｂは、マルチステージバックコンバータ３００Ａと同一または類似の技術的構成を有する。マルチステージバックコンバータ３００Ｂのパワースイッチモジュール１２０は、少なくとも１つのダイオードを含むことに留意されたい。例えば、パワースイッチグループＳＷ１は、第１パワースイッチＱ１＿ＳＷ１とダイオードＤ＿ＳＷ１とを含む。パワースイッチグループＳＷ２は、第１パワースイッチＱ１＿ＳＷ２とダイオードＤ＿ＳＷ２とを含む。パワースイッチグループＳＷ３は、第１パワースイッチＱ１＿ＳＷ３とダイオードＤ＿ＳＷ３とを含む。マルチステージバックコンバータ３００Ａと比較すると、本実施形態では、マルチステージバックコンバータ３００ＢのパワースイッチグループＳＷ１における第２パワースイッチＱ２＿ＳＷ１が、ダイオードＤ＿ＳＷ１に置き換えられている。そして、パワースイッチグループＳＷ２における第２パワースイッチＱ２＿ＳＷ２が、ダイオードＤ＿ＳＷ２に置き換えられている。また、パワースイッチグループＳＷ３における第２パワースイッチＱ２＿ＳＷ３が、ダイオードＤ＿ＳＷ３に置き換えられている。制御の観点からは、マルチステージバックコンバータ３００ＢのパワースイッチグループＳＷｎにおける一部のパワースイッチが導通または非導通となるように制御しさえすれば、マルチ周波数出力という技術的効果を達成できる。例えば、（ｉ）パワースイッチグループＳＷ１における第１パワースイッチＱ１＿ＳＷ１が導通または非導通となるように制御し、（ｉｉ）パワースイッチグループＳＷ２における第１パワースイッチＱ１＿ＳＷ２が導通または非導通となるように制御し、かつ、（ｉｉｉ）パワースイッチグループＳＷ３における第１パワースイッチＱ１＿ＳＷ３が導通または非導通となるように制御しさえすれば、マルチ周波数出力という技術的効果を達成できる。
【0080】
上述の各実施形態は、上述の原理に従って、例えば、２ステージ（Ｎ＝２）バックコンバータ、３ステージ（Ｎ＝３）バックコンバータ、および４ステージ（Ｎ＝４）バックコンバータを採用している。但し、本開示の実施形態におけるマルチステージバックコンバータは、５ステージ以上に拡張されてよい。以下では、さらなる例を説明する。
【0081】
【0082】
図１５Ａに示されている通り、パワースイッチグループＳＷ１における第１パワースイッチＱ１＿ＳＷ１は、キャパシタＣ１の第１端子Ｃ１ａとエネルギー蓄積素子１３１の第１端子１３１ａとに接続されている。パワースイッチグループＳＷ１における第２パワースイッチＱ２＿ＳＷ１は、キャパシタＣ１の第２端子Ｃ１ｂとエネルギー蓄積素子１３１の第２端子１３１ｂとに接続されている。
【0083】
図１５Ｂに示されている通り、２ステージ（Ｎ＝２）バックコンバータの場合、キャパシタＣ２の第１端子Ｃ２ａは、キャパシタＣ１の第２端子Ｃ１ｂに接続されている。パワースイッチグループＳＷ２におけるパワースイッチＱ１＿ＳＷ２の第１端子Ｑ１ａは、第１パワースイッチＱ１＿ＳＷ１とエネルギー蓄積素子１３１の第１端子１３１ａとの間に位置するトレース（trace）Ｌ１に接続されている（当該トレースＬ１は、図１５Ａにも示されている）。第１パワースイッチＱ１＿ＳＷ２の第２端子Ｑ１ｂは、キャパシタＣ１の第２端子Ｃ１ｂと第２パワースイッチＱ２＿ＳＷ１との間に位置するトレースＬ２に接続されている（当該トレースＬ２は、図１５Ａにも示されている）。パワースイッチグループＳＷ２における第２パワースイッチＱ２＿ＳＷ２は、キャパシタＣ２の第２端子Ｃ２ｂと、シリーズにおけるエネルギー蓄積素子１３１の第２端子１３１ｂとの間に位置するトレースＬ３に直列接続されている。
【0084】
加えて、図１５Ｂに示されている通り、第２パワースイッチグループＳＷ２におけるパワースイッチ（例：第１パワースイッチＱ１＿ＳＷ２）の第１端子Ｑ１ａは、パワー変換モジュール（例：エネルギー蓄積素子１３１）の第１端子１３１ａに接続されている。第２パワースイッチグループＳＷ２におけるパワースイッチ（例：第１パワースイッチＱ１＿ＳＷ２）の第２端子Ｑ１ｂは、第１パワースイッチグループＳＷ１におけるパワースイッチ（例：第２パワースイッチＱ２＿ＳＷ１）の第１端子Ｑ１ａに接続されている。第１パワースイッチグループＳＷ１におけるパワースイッチ（例：第２パワースイッチＱ２＿ＳＷ１）の第２端子Ｑ１ｂは、パワー変換モジュール（例：エネルギー蓄積素子１３１）の第２端子１３１ｂに接続されている。その結果、第２パワースイッチグループＳＷ２における第１パワースイッチＱ１＿ＳＷ２と第１パワースイッチグループＳＷ１における第２パワースイッチＱ２＿ＳＷ１とが導通した場合、第１パワースイッチＱ１＿ＳＷ２と第２パワースイッチＱ２＿ＳＷ１とエネルギー蓄積素子１３１とは、負荷２０に電力を供給するループを形成できる。
【0085】
図１５Ｃに示されている通り、３ステージ（Ｎ＝３）バックコンバータの場合、キャパシタＣ３の第１端子Ｃ３ａは、キャパシタＣ２の第２端子Ｃ２ｂに接続されている。パワースイッチグループＳＷ３におけるパワースイッチＱ１＿ＳＷ３の第１端子Ｑ１ａは、第１パワースイッチＱ１＿ＳＷ１とエネルギー蓄積素子１３１の第１端子１３１ａとの間に位置するトレースＬ１に接続されている。第１パワースイッチＱ１＿ＳＷ３の第２端子Ｑ１ｂは、キャパシタＣ２の第２端子Ｃ２ｂと第２パワースイッチＱ２＿ＳＷ２との間に位置するトレースＬ２に接続されている。パワースイッチグループＳＷ３における第２パワースイッチＱ２＿ＳＷ３は、キャパシタＣ３の第２端子Ｃ３ｂとエネルギー蓄積素子１３１の第２端子１３１ｂとの間に位置するトレースＬ３に接続されている。加えて、第３パワースイッチグループＳＷ３におけるパワースイッチ（例：第１パワースイッチＱ１＿ＳＷ３）の第１端子Ｑ１ａは、パワー変換モジュール（例：エネルギー蓄積素子１３１）の第１端子１３１ａに接続されている。第３パワースイッチグループＳＷ３におけるパワースイッチ（例：第１パワースイッチＱ１＿ＳＷ３）の第２端子Ｑ１ｂは、第２パワースイッチグループＳＷ２におけるパワースイッチ（例：第２パワースイッチＱ２＿ＳＷ２）の第１端子Ｑ１ａに接続されている。第２パワースイッチグループＳＷ２におけるパワースイッチ（例：第２パワースイッチＱ２＿ＳＷ２）の第２端子Ｑ１ｂは、パワー変換モジュール（例：エネルギー蓄積素子１３１）の第２端子１３１ｂに接続されている。その結果、第３パワースイッチグループＳＷ３における第１パワースイッチＱ１＿ＳＷ３と第２パワースイッチグループＳＷ２における第２パワースイッチＱ２＿ＳＷ２とが導通した場合、第１パワースイッチＱ１＿ＳＷ３と第２パワースイッチＱ２＿ＳＷ２とエネルギー蓄積素子１３１とは、負荷２０に電力を供給するループを形成できる。
【0086】
図１５Ｄに示されている通り、この原則に従って、Ｎステージバックコンバータの場合、キャパシタＣｎの第１端子Ｃｎａは、キャパシタＣ（ｎ－１）の第２端子Ｃ（ｎ－１）ｂに接続されている。パワースイッチグループＳＷｎにおける第１パワースイッチＱ１＿ＳＷｎの第１端子Ｑ１ａは、第１パワースイッチＱ１＿ＳＷ１とエネルギー蓄積素子１３１の第１端子１３１ａとの間に位置するトレースＬ１に接続されている。第１パワースイッチＱ１＿ＳＷｎの第２端子Ｑ１ｂは、キャパシタＣ（ｎ－１）の第２端子Ｃ（ｎ－１）ｂと第２パワースイッチＱ２＿ＳＷ（ｎ－１）との間に位置するトレースＬｎに接続されている。パワースイッチグループＳＷｎにおける第２パワースイッチＱ２＿ＳＷｎは、キャパシタＣｎの第２端子Ｃｎｂとエネルギー蓄積素子１３１の第２端子１３１ｂとの間に位置するトレースＬ３に接続されている。第ｎパワースイッチググループＳＷｎにおけるパワースイッチ（例：第１パワースイッチＱ１＿ＳＷｎ）の第１端子Ｑ１ａは、パワー変換モジュール（例：エネルギー蓄積素子１３１）の第１端子１３１ａに接続されている。第ｎパワースイッチググループＳＷｎにおけるパワースイッチ（例：第１パワースイッチＱ１＿ＳＷｎ）の第２端子Ｑ１ｂは、第（ｎ－１）パワースイッチググループＳＷ（ｎ－１）におけるパワースイッチ（例：第２パワースイッチＱ２＿ＳＷ（ｎ－１））の第１端子Ｑ１ａに接続されている。第（ｎ－１）パワースイッチググループＳＷ（ｎ－１）におけるパワースイッチ（例：第２パワースイッチＱ２＿ＳＷ（ｎ－１））の第２端子Ｑ１ｂは、パワー変換モジュール（例：エネルギー蓄積素子１３１）の第２端子１３１ｂに接続されている。その結果、第ｎパワースイッチググループＳＷｎにおける第１パワースイッチＱ１＿ＳＷｎと第（ｎ－１）パワースイッチググループＳＷ（ｎ－１）における第２パワースイッチＱ２＿ＳＷ（ｎ－１）とが導通した場合、パワースイッチＱ１＿ＳＷｎとパワースイッチＱ２＿ＳＷ（ｎ－１）とエネルギー蓄積素子１３１とは、負荷２０に電力を供給するループを形成できる。
【0087】
図１６および図１７を参照する。図１６は、本開示の実施形態に係るマルチステージバックコンバータにおけるインダクタ電流の模擬出力曲線についての概略図である。図１７は、本開示の実施形態に係るマルチステージバックコンバータにおけるキャパシタ電圧の模擬出力曲線についての概略図である。
【0088】
図１６に示されている通り、曲線Ｃ１１は、シングルステージ（Ｎ＝１）バックコンバータにおけるインダクタ（エネルギー蓄積素子）電流の出力曲線を表している。曲線Ｃ１２は、２ステージ（Ｎ＝２）バックコンバータにおけるインダクタ電流の出力曲線を表している。曲線Ｃ１３は、３ステージ（Ｎ＝３）バックコンバータにおけるインダクタ電流の出力曲線を表している。曲線Ｃ１４は、４ステージ（Ｎ＝４）バックコンバータにおけるインダクタ電流の出力曲線を表している。スイッチング周波数ｆｓが１１１ｋＨｚである場合、２ステージバックコンバータにおけるインダクタ電流の動作周波数は、シングルステージバックコンバータにおける動作周波数の２倍である。３ステージバックコンバータにおけるインダクタ電流の動作周波数は、シングルステージバックコンバータにおける動作周波数の３倍である。４ステージバックコンバータにおけるインダクタ電流の動作周波数は、シングルステージバックコンバータにおける動作周波数の４倍である。
【0089】
図１６におけるトレンド変化から理解できる通り、ステージ数が多くなるにつれて（Ｎの値が大きくなるにつれて）、インダクタ電流の動作周波数がより高くなり、かつ、出力電流リップルがより小さくなる。電流リップルが小さくなるにつれて、より小型のインダクタを選択して使用することが可能となり、かつ、より高い電力密度がもたらされる。
【0090】
図１７に示されている通り、曲線Ｃ２１は、シングルステージ（Ｎ＝１）バックコンバータにおけるキャパシタ（エネルギー蓄積素子）電圧の出力曲線を表している。曲線Ｃ２２は、２ステージ（Ｎ＝２）バックコンバータにおけるキャパシタ電圧の出力曲線を表している。曲線Ｃ２３は、３ステージ（Ｎ＝３）バックコンバータにおけるキャパシタ電圧の出力曲線を表している。曲線Ｃ２４は、４ステージ（Ｎ＝４）バックコンバータにおけるキャパシタ電圧の出力曲線を表している。スイッチング周波数ｆｓが１１１ｋＨｚである場合、２ステージバックコンバータにおけるキャパシタ電圧の動作周波数は、シングルステージバックコンバータにおける動作周波数の２倍になる。３ステージバックコンバータにおけるキャパシタ電圧の動作周波数は、シングルステージバックコンバータにおける動作周波数の３倍である。４ステージバックコンバータにおけるキャパシタ電圧の動作周波数は、シングルステージバックコンバータにおける動作周波数の４倍である。
【0091】
図１７におけるトレンド変化から理解できる通り、ステージ数が多くなるにつれて（Ｎの値が大きくなるにつれて）、キャパシタ電圧の動作周波数がより高くなり、かつ、出力電圧リップルがより小さくなる。電圧リップルが小さくなるにつれて、より小型のキャパシタを選択して使用することが可能となり、かつ、より高い電力密度がもたらされる。
【0092】
さらに、開示されている各実施形態におけるマルチステージバックコンバータは、パワースイッチモジュールの損失を効果的に低減できる。シミュレーション実験によると、軽負荷動作モード（light-load working mode）（パワー変換モジュールの出力電流が３～１０アンペアの範囲内にある場合）では、シングルステージバックコンバータに比べて、４ステージバックコンバータの導通損失（パワースイッチが導通すると損失が発生する）が５０％低減し、かつ、４ステージバックコンバータのスイッチング損失（パワースイッチが非導通となると損失が発生する）が２５％低減する。重負荷動作モード（heavy-load working mode）（パワー変換モジュールの出力電流が２０～１００アンペアの範囲内にある場合）では、シングルステージバックコンバータに比べて、４ステージバックコンバータの導通損失が５０％低減し、かつ、４ステージバックコンバータのスイッチング損失が２５％低減する。
【0093】
要するに、本開示の実施形態におけるマルチステージバックコンバータは、高電力密度および低損失という二重の技術的効果を達成できる。
【0094】
開示されている実施形態に対して様々な修正および変形がなされてよいことは、当業者にとって明らかであろう。説明および各例は例示に過ぎないと考慮されており、本開示の真の範囲は以下の特許請求の範囲およびそれらの均等物によって示されていると意図されている。
【図1】
【図2】
【図3A】
【図3B】
【図3C】
【図4】
【図5】
【図6A】
【図6B】
【図6C】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10A】
【図10B】
【図10C】
【図10D】
【図10E】
【図11】
【図12】
【図13A】
【図13B】
【図13C】
【図13D】
【図13E】
【図13F】
【図13G】
【図14】
【図15A】
【図15B】
【図15C】
【図15D】
【図16】
【図17】
