JP4995640B2 - 昇圧チョッパ装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数の昇圧チョッパ回路を並列に接続してなる昇圧チョッパ装置に関し、特に、昇圧チョッパ動作に悪影響を与えることなく、複数の昇圧チョッパ回路の直流リアクトルの部分を小型、軽量化して全体的に小型化、軽量化、低コスト化が可能な昇圧チョッパ装置に関する。

従来、負荷に供給する電圧を昇圧させるための昇圧手段として、昇圧チョッパ回路が使用されている。そして、この昇圧チョッパ回路の出力電圧を大きくしたときに出力電圧を安定させるために、複数の昇圧チョッパ回路を並列接続することが行われている。

例えば、特開平１１-２０６１１２号公報には、並列接続された４個の昇圧チョッパ回路を有するスイッチングレギュレータが記載されている。図１８は、このスイッチングレギュレータの具体構成を示す回路図である。

このスイッチングレギュレータ１００は、直流電源１０１が接続される入力端ａと負荷１１６が接続される出力端ｂの間に直流リアクトル１０２〜１０５と転流用のダイオード１０６〜１０９とがこの順に直列に接続された直列回路が４個並列に接続されている。出力端ｂと接地点ｃとの間に平滑用のコンデンサ１１４が接続され、各直列回路の直流リアクトルとダイオードの各接続点ｄ〜接続点ｇと接地点ｃとの間に４個の電界効果トランジスタ（以下ＦＥＴと称する）１１０〜１１３がそれぞれ接続されている。４個のＦＥＴ１１０〜１１３の各ゲートには、オン・オフ動作を制御するためのＰＷＭ制御回路１１５が接続されている。ＰＷＭ制御回路１１５には出力端ｂの電圧Ｖoが入力されている。

４個の直流リアクトル１０２〜１０５及び４個のダイオード１０６〜１０９からなる４個の直列回路と４個のＦＥＴ１１０〜１１３と平滑用のコンデンサ１１４とによって、直流電源１０１の電圧を昇圧する昇圧チョッパ回路Ａが構成されている。１個の直列回路と、その直列回路内の接続点に並列接続されたＦＥＴと、その直列回路の出力側（ダイオードのカソード）に接続されたコンデンサ１１４とによって昇圧動作が行われるから、昇圧チョッパ回路Ａは、等価的に４個の昇圧チョッパ回路が並列に接続された構成となっている。

昇圧チョッパ回路Ａ内の１個の昇圧チョッパ回路、例えば、直流リアクトル１０２、ダイオード１０６、ＦＥＴ１１０及びコンデンサ１１４で構成される昇圧チョッパ回路は、ＦＥＴ１１０のオン期間に直流電源１０１から出力される直流エネルギーを一旦、直流リアクトル１０２に蓄積し、そのオン期間に続くオフ期間に直流リアクトル１０２に蓄積された直流エネルギーをコンデンサ１１４及び負荷１１６に放出する。他の３個の昇圧チョッパ回路も同様の動作を行う。

ＰＷＭ制御回路１１５は、昇圧チョッパ回路Ａから出力される電圧が所定の昇圧電圧となるように、所定の駆動パルスを生成して４個のＦＥＴ１１０〜１１３の各ゲートに入力する。具体的には、ＰＷＭ制御回路１１５は、所定のデューティ比（オン期間／（オン期間＋オフ期間））（例では７５％）の駆動パルスを１／４周期ずつずらせて４個のＦＥＴ１１０〜１１３の各ゲートに順次入力する動作を繰返す。

上記のＰＷＭ制御回路１１５のＦＥＴ１１０〜１１３に対する駆動パルスの制御により、ＦＥＴ１１０〜１１３は、デューティ比７５％場合、１／４周期ずつずれて順番に１／４周期分だけオフ期間となる。この結果、ＦＥＴ１１０〜１１３のオン期間に直流リアクトル１０２〜１０５にそれぞれ蓄積された直流エネルギーは、順番にコンデンサ１１４に放出されて負荷１１６に供給される。

上記のスイッチングレギュレータ１００は、ＦＥＴ１１０〜１１３のオン期間に直流リアクトル１０２〜１０５にそれぞれ蓄積された直流エネルギーを順番にコンデンサ１１４に放出しながら負荷１１６に供給する構成であるので、実質的に昇圧チョッパ回路Ａ内に並列に接続された４個の昇圧チョッパ回路を時分割で動作させる構成となっている。

特開平１１-２０６１１２号公報

上記のスイッチングレギュレータ１００の昇圧チョッパ回路Ａは、４個の昇圧チョッパ回路を単純に並列接続したものと考えられるので、同一性能を１個の昇圧チョッパ回路で構成する場合よりもその大きさや重量が増大するという問題がある。この問題は、比較的容量の大きい昇圧チョッパ装置を複数台並列に接続して更なる大容量の昇圧チョッパ装置を構成する場合には、装置全体の大きさや重量の増大だけでなく、製造コストも増大させるので重要である。

なお、特許文献１には、ＰＷＭ制御回路１１５によるＦＥＴ１１０〜１１３の駆動制御によりコンデンサ１１４に流れる電流を均等化し、コンデンサ１１４に係る負担を軽減して低寿命を回避することしか記載されておらず、上記の問題については全く言及されていない。

本発明は上記した事情のもとで考え出されたものであって、複数の昇圧チョッパ回路を並列接続してなる昇圧チョッパ装置であって、昇圧チョッパ動作に悪影響を与えることなく、小型化、軽量化、低コスト化が可能な昇圧チョッパ装置を提供するものである。

本発明は、等価的に、直流電源が接続される入力端と負荷が接続される出力端の間に直流リアクトルとダイオードとがこの順に直列に接続された複数の直列回路が並列に接続され、前記出力端と接地点との間にコンデンサが接続されるとともに、各直列回路の直流リアクトルとダイオードの接続点と前記接地点との間にそれぞれスイッチ素子が接続された昇圧チョッパ回路と、前記複数のスイッチ素子のオン・オフ動作をそれぞれ集中制御する制御回路とで構成される昇圧チョッパ装置において、各昇圧チョッパ回路の直流リアクトルは、リアクトル数分の棒状の磁性部材の両端を相互に接続してなる１個の鉄心で構成した共通のコアに減極性で各直流リアクトルの巻き線をそれぞれ巻いて構成され、前記制御回路は、前記複数のスイッチ素子に対し、所定のデューティ比の同一波形のパルス信号を同位相、若しくは所定の位相ずつずらせて出力することを特徴とする（請求項１）。

なお、請求項１に記載の昇圧チョッパ装置において、前記制御回路は、前記複数のスイッチ素子に対し、所定のデューティ比の同一波形のパルス信号を同位相で出力するようにするとよい（請求項２）。ここに、デューティ比は、オン時間／（オン時間＋オフ時間)で表されるように、オン・オフの１周期に占めるオン時間の割合である。

また、請求項１に記載の昇圧チョッパ装置において、前記制御回路は、前記複数のスイッチ素子に対し、所定のデューティ比の同一波形のパルス信号を前記所定の位相ずつずらせて出力して各スイッチ素子を異なる期間にオン動作させるようにするとよい（請求項３）。

また、等価的に、直流電源が接続される入力端と負荷が接続される出力端の間に直流リアクトルとダイオードとがこの順に直列に接続された複数の直列回路が並列に接続され、前記出力端と接地点との間にコンデンサが接続されるとともに、各直列回路の直流リアクトルとダイオードの接続点と前記接地点との間にそれぞれスイッチ素子が接続された昇圧チョッパ回路と、前記複数のスイッチ素子のオン・オフ動作をそれぞれ集中制御する制御回路とで構成される昇圧チョッパ装置において、各昇圧チョッパ回路の直流リアクトルは、２本の棒状の磁性部材の両端を相互に接続してなる１個の鉄心で構成した共通のコアに加極性で各直流リアクトルの巻き線をそれぞれ巻いて構成され、前記制御回路は、所定のデューティ比のパルス信号を一方のスイッチ素子に出力し、そのパルス信号のレベルを反転したパルス信号を他方のスイッチ素子に出力して各スイッチ素子を互いにオン・オフ動作が逆になるように動作させるようにするとよい（請求項４）。

また、請求項１乃至４のいずれかに記載の昇圧チョッパ装置において、各昇圧チョッパ回路の直流リアクトルは、共通のコアに代えて、リアクトル数分の棒状の第１の磁性部材が中央に配置された棒状の第２の磁性部材の周囲に配置され、かつ、それらの両端部が当該第２の磁性部材の両端部にそれぞれ接続された構造を有する１個の鉄心からなる共通のコアに、各直流リアクトルの巻き線をそれぞれ巻いて構成してもよい（請求項５）。

本発明によれば、各昇圧チョッパ回路の直流リアクトルは、リアクトル数分の棒状の磁性部材の両端を相互に接続してなる１個の鉄心で構成した共通のコア、又は、リアクトル数分の棒状の第１の磁性部材が中央に配置された棒状の第２の磁性部材の周囲に配置され、かつ、それらの両端部が当該第２の磁性部材の両端部にそれぞれ接続された構造を有する１個の鉄心からなる共通のコアに、減極性で各直流リアクトルの巻き線をそれぞれ巻いて構成されているので、各昇圧チョッパ回路の直流リアクトルを、別々のコアに巻き線を巻いた単独の直流リアクトルで構成した場合に比べて、小型化、軽量化が可能になる。

更に、請求項２に記載の発明によれば、制御回路は、複数のスイッチ素子に対し所定のデューティ比の同一波形のパルス信号を同位相で出力するので、各スイッチ素子を同時にオン動作し、複数の昇圧チョッパ回路は、実質的に互いに干渉することなく同時に直流リアクトルへの直流エネルギーの蓄積動作及びその蓄積エネルギーのコンデンサへの放出動作を行うことになり、装置全体の昇圧性能を著しく損なうことがない。

また、請求項３に記載の発明によれば、制御回路は、複数のスイッチ素子に対し所定のデューティ比の同一波形のパルス信号を所定の位相ずつずらせて出力して各スイッチ素子を異なる期間にオン動作させるので、複数の昇圧チョッパ回路は、実質的に互いに干渉することなく時分割で直流リアクトルへの直流エネルギーの蓄積動作及びその蓄積エネルギーのコンデンサへの放出動作を行うことになり、装置全体の昇圧性能を著しく損なうことがない。

また、請求項４に記載の発明によれば、制御回路は、所定のデューティ比のパルス信号を一方のスイッチ素子に出力し、そのパルス信号のレベルを反転したパルス信号を他方のスイッチ素子に出力して各スイッチ素子を互いにオン・オフ動作が逆になるように動作させるので、２つの昇圧チョッパ回路は、実質的に互いに干渉することなく、一方の昇圧チョッパ回路が直流リアクトルへの直流エネルギーの蓄積動作をすると、他方の昇圧チョッパ回路は直流リアクトルに蓄積した直流エネルギーのコンデンサへの放出動作を行う関係で同時に昇圧チョッパ動作を行うことになり、装置全体の昇圧性能を著しく損なうことがない。

また、直流電源から入力される直流電流は、２つの昇圧チョッパ回路の各直流リアクトルに流れる電流を加算したものであるが、一方の昇圧チョッパ回路のスイッチ素子がオンのときには当該昇圧チョッパ回路の直流リアクトルに単調増加する電流が流れ、他方の昇圧チョッパ回路のスイッチ素子はオフであるので、当該直流リアクトルには単調減少する電流が流れるので、入力電流はほぼ平坦になり、その変動量を抑制することができる。

また、請求項５に記載の発明によれば、各巻き線に電流が流れた際に当該巻き線が巻回された第１の磁性部材に生じる磁束が主として当該第１の磁性部材と第２の磁性部材とで構成される磁路を通るので、巻き線同士の相互インダクタンスを小さくすることができる。これにより、相互インダクタンスによる装置全体の昇圧性能への悪影響を低減することができる。

本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行う詳細な説明によって、より明らかとなろう。

以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照して具体的に説明する。

図１は、本発明に係る昇圧チョッパ装置の第１実施形態の等価的な電気回路の構成を示す図である。

図１に示す昇圧チョッパ装置２は、直流電源１の電圧Ｖinを電圧Ｖo（≧Ｖin）に昇圧して負荷３に供給するものである。この昇圧チョッパ回路２は、直流電源１が接続される入力端ａと負荷３が接続される出力端ｂの間に直流リアクトルＬ１，Ｌ２と転流用のダイオードＤ１，Ｄ２とがこの順に直列に接続された直列回路が２個並列に接続されている。出力端ｂと接地ラインｃとの間に平滑用のコンデンサＣが接続され、各直列回路の直流リアクトルとダイオードの各接続点ｄ，ｅと接地ラインｃとの間に２個のスイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２がそれぞれ接続されている。

図１ではスイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２としてＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）を用いているが、電界効果トランジスタであっても良い。スイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２の各制御端子（図１では、ゲート端子）には、オン・オフ動作を制御するための制御回路２２が接続されている。制御回路２２にはコンデンサＣの両端電圧、すなわち、出力端ｂの電圧Ｖoが入力されている。

昇圧チョッパ回路の基本的な回路構成は、周知のように、直流リアクトルとダイオードの直列回路と、その直列回路内の接続点と接地ラインに接続されたスイッチ素子と、その直列回路の出力側（ダイオードのカソード）と接地ラインに接続された平滑用のコンデンサとによって構成される。従って、昇圧チョッパ装置２は、等価的に２個の昇圧チョッパ回路が並列に接続された構成となっている。

すなわち、昇圧チョッパ装置２は、直流リアクトルＬ１とダイオードＤ１の直列回路とスイッチ素子ＳＷ１とコンデンサＣ１によって第１の昇圧チョッパ回路が構成され、直流リアクトルＬ２とダイオードＤ２の直列回路とスイッチ素子ＳＷ２とコンデンサＣ２によって第２の昇圧チョッパ回路が構成されている。なお、コンデンサＣ１とコンデンサＣ２は、出力端ｂと接地ラインｃに並列接続されるから、図１では両コンデンサＣ１，Ｃ２を合成したコンデンサＣを１個だけ記載している。

また、直流リアクトルＬ１，Ｌ２は、図２に示すように、共通のコア２１１に一方の直流リアクトルＬ１（以下、「第１の直流リアクトルＬ１」という。）の巻き線２１２と他方の直流リアクトルＬ２（以下、「第２の直流リアクトルＬ２」という。）の巻き線２１３を巻回して構成されている。コア２１１は、２つの棒状部材の両端をそれぞれ接続した縦長のロの字型の形状を有している。コア２１１は、例えば、アモルファス合金からなる磁性部材で構成されている。長手の相対向する２つの棒状部分２１１ａ，２１１ｂは脚部であり、脚部２１１ａ，２１１ｂの両端を接続している部分２１１ｃは継鉄部である。

各脚部２１１ａ，２１１ｂにそれぞれ第１の直流リアクトルＬ１の巻き線２１２と第２の直流リアクトルＬ２の巻き線２１３が巻回されている。巻き線２１２，２１３は、図３に示すように、互いに逆方向に巻回されている。すなわち、第１の直流リアクトルＬ１及び第２の直流リアクトルＬ２は、減極性の変圧器と同様の構造となっている。また、第１，第２の直流リアクトルＬ１，Ｌ２の巻き線の径及び長さは略同じで、第１，第２の直流リアクトルＬ１，Ｌ２の自己インダクタンスＬ_L1，Ｌ_L2は略同じ値としている。

なお、第１の直流リアクトルＬ１及び第２の直流リアクトルＬ２は、共通のコア２１１に一体的に構成され、昇圧チョッパ装置２の製作上、１個の部品として扱われるので、図１では、第１，第２の直流リアクトルＬ１，Ｌ２全体を直流リアクトル２１としている。また、直流リアクトル２１内の第１の直流リアクトルＬ１と第２の直流リアクトルＬ２の左側の黒丸は、直流リアクトル２１が減極性の変圧器と同様の構造であることを示している。

制御回路２２は、２個のスイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２のオン・オフ動作をそれぞれ集中制御する。制御回路２２は、周波数及びデューティ比が同一の２つの駆動パルスＳ１，Ｓ２を生成し、各駆動パルスＳ１，Ｓ２を相互にハイレベル期間（スイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２をオンにする期間。以下、「オン期間」という。）が重複するようにスイッチ素子ＳＷ１（以下、「第１のスイッチ素子ＳＷ１」という。）とスイッチ素子ＳＷ２（以下、「第２のスイッチ素子ＳＷ２」という。）の各ゲート端子に供給する。以下、第１のスイッチ素子ＳＷ１に対する駆動パルスＳ１を「第１の駆動パルスＳ１」といい、第２のスイッチ素子ＳＷ２に対する駆動パルスＳ２を「第２の駆動パルスＳ２」という。

なお、周知のように、昇圧チョッパ回路においては、駆動パルスの周期をＴ、スイッチ素子のオン期間をＴ_ON、オフ期間をＴ_OFF、入力電圧をＥin、出力電圧をＥoutとすると、昇圧率β=Ｅout／Ｅinは、β=Ｔ／Ｔ_OFFで表される。そして、デューティ比ＤはＴ_ON／Ｔであるから、昇圧率β=Ｔ／Ｔ_OFF＝１／（１−Ｄ）＞１で表され、出力電圧ＥoutはＥin／（１−Ｄ）で表される。

制御回路２２は、周波数は固定し（例えば、約５ｋＨｚに固定）、第１，第２の駆動パルスＳ１，Ｓ２のデューティ比Ｄを変化させて出力電圧Ｖoを制御する。例えば、デューティ比Ｄ［％］が２５％のとき、出力電圧Ｖoはおよそ１．３Ｖinになり、デューティ比Ｄ［％］が５０％のとき、出力電圧Ｖoは２Ｖinになり、デューティ比Ｄ［％］が７５％のとき、出力電圧Ｖoは４Ｖinになる。なお、デューティ比Ｄ［％］は、デューティ比Ｄの％表示である。

次に、第１実施形態の昇圧チョッパ装置２の動作について説明する。

第１実施形態の昇圧チョッパ装置２は、第１，第２の直流リアクトルＬ１，Ｌ２を図２に示す直流リアクトル２１で構成しているので、第１，第２の直流リアクトルＬ１，Ｌ２にそれぞれ電流が流れると、自己インダクタンスだけでなく相互インダクタンスが生じる。このため、巻き線２１２と巻き線２１３にそれぞれ電流Ｉ_L1と電流Ｉ_L2が流れると、第１の直流リアクトルＬ１のリアクトル電圧Ｖ_L1（以下、「第１のリアクトル電圧Ｖ_L1」という。）と第２の直流リアクトルＬ２のリアクトル電圧Ｖ_L2（以下、「第２のリアクトル電圧Ｖ_L2」という。）は、下記（１），（２）式で表される。なお、（１），（２）式において、Ｌ_L1，Ｌ_L2は自己インダクタンス、Ｍは相互インダクタンスである。また、巻き線２１２，２１３の抵抗分は無視している。

第１のスイッチ素子ＳＷ１がオンになると、第１の直流リアクトルＬ１の電源側のＰ１端子の電位はＶin、負荷側のＰ２端子はほぼ接地レベル（０ｖ）になるから、第１の直流リアクトルＬ１には、第１のリアクトル電圧Ｖ_L1が電源電圧Ｖinとバランスするように電流Ｉ_L1が流れる。第２のスイッチ素子ＳＷ２がオンになったときの第２の直流リアクトルＬ２に流れる電流Ｉ_L2についても同様である。

そして、第１の直流リアクトルＬ１の自己インダクタンスＬ_L1と第２の直流リアクトルＬ２の自己インダクタンスＬ_L2は略同じであるので、第１，第２のスイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２が同時にオンになるときは、過渡的な電流Ｉ_L1と電流Ｉ_L2の流れ方は略同じになり、Ｌ_L1＝Ｌ_L2＝Ｌ、ｄＩ_L1／ｄｔ＝ｄＩ_L2／ｄｔ＝ｄＩ_L／ｄｔとすると、第１，第２の直流リアクトルＬ１，Ｌ２には、下記（３）式を満たすように電流Ｉ_Lが流れる。

上記（３）式は、第１，第２の直流リアクトルＬ１，Ｌ２の各自己インダクタンスＬ _L1 ，Ｌ _L2 を（Ｌ＋Ｍ）とし、第１の直流リアクトルＬ１と第２の直流リアクトルＬ２の間で相互誘導が生じないように第１の昇圧チョッパ回路と第２の昇圧チョッパ回路を同時に動作させたときの関係式と等価である。

従って、第１実施形態は、自己インダクタンスＬ _L1 の第１の直流リアクトルＬ１を有する第１の昇圧チョッパ回路と自己インダクタンスＬ _L2 の第２の直流リアクトルＬ２を有する第２の昇圧チョッパ回路を並列接続した回路を動作させているが、実質的に自己インダクタンス（Ｌ＋Ｍ）の第１の直流リアクトルＬ１を有する第１の昇圧チョッパ回路と自己インダクタンス（Ｌ＋Ｍ）の第２の直流リアクトルＬ２を有する第２の昇圧チョッパ回路とを互いに独立して動作させる構成となっている。

一方、第１のスイッチ素子ＳＷ１がオフになると、そのオフ・タイミングにおける第１のリアクトル電圧Ｖ_L1の極性が反転するので、第１の直流リアクトルＬ１の負荷側のＰ２端子の電圧は、（Ｖin＋Ｖ_L1）となり、この電圧（Ｖin＋Ｖ_L1）がダイオードＤ１を介してコンデンサＣに印加される。第２のスイッチ素子ＳＷ２がオフになった場合も同様で、第２のスイッチ素子ＳＷ２がオフになると、第２の直流リアクトルＬ２の負荷側のＰ４端子の電圧は、（Ｖin＋Ｖ_L2）となり、この電圧（Ｖin＋Ｖ_L2）がダイオードＤ２を介してコンデンサＣに印加される。

従って、第１の直流リアクトルＬ１に流れる電流Ｉ_L1は、第１のスイッチ素子ＳＷ１のオン期間でＩ_ONからＩ_OFFまで単調増加し、第１のスイッチ素子ＳＷ１のオフ期間でＩ_OFFからＩ_ONまで単調減少する三角波状の波形となる。第２の直流リアクトルＬ２に流れる電流Ｉ_L2も電流Ｉ_L1と同様の三角波状の波形となり、しかも電流Ｉ_L1と同位相となる。

図４〜図６は、第１実施形態の昇圧チョッパ装置２の電源供給動作を示す波形図で、第１，第２の駆動パルスＳ１，Ｓ２、第１，第２の直流リアクトルＬ１，Ｌ２に流れる電流Ｉ_L1，Ｉ_L2、入力電流Ｉin、接続点ｄ，ｅの電圧Ｖd，Ｖe及び出力電圧Ｖoの各波形を示したものである。図４は、第１，第２の駆動パルスＳ１，Ｓ２のデューティ比Ｄ［％］を３３％としたときのもの、図５は、第１，第２の駆動パルスＳ１，Ｓ２のデューティ比Ｄ［％］を５０％としたときのもの、図６は、第１，第２の駆動パルスＳ１，Ｓ２のデューティ比Ｄ［％］を７５％としたときのものである。

図４〜図６に示すように、第１実施形態では、第１の直流リアクトルＬ１の電流Ｉ_L1と第２の直流リアクトルＬ２の電流Ｉ_L2は同一の波形を示し、自己インダクタンス（Ｌ＋Ｍ）の第１の直流リアクトルＬ１を有する第１の昇圧チョッパ回路と自己インダクタンス（Ｌ＋Ｍ）の第２の直流リアクトルＬ２を有する第２の昇圧チョッパ回路とが互いに独立して動作していることが分かる。

また、第１実施形態では、直流電源１からの入力電流Ｉinが均等に二分されてそれぞれ第１の昇圧チョッパ回路と第２の昇圧チョッパ回路でそれぞれ独立して昇圧チョッパ動作に利用されるので、入力電流Ｉinの波形は、第１の直流リアクトルＬ１の電流Ｉ_L1の三角波状の波形と第２の直流リアクトルＬ２の電流Ｉ_L2の三角波状の波形を加算したものとなる。

第１，第２のスイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２のオン期間における第１，第２の直流リアクトルＬ１，Ｌ２の電流Ｉ_L1，Ｉ_L2の傾斜角は、デューティ比Ｄに関係なく略同一であるから、オン期間が長いほど、電流Ｉ_L1，Ｉ_L2の変化幅（図４〜図６において、Ｉ_ONとＩ_OFFの差）は大きくなる。従って、入力電流Ｉinの変化幅も、オン期間が長いほど、すなわち、昇圧率βが大きいほど、大きくなる。

接続点ｄ，ｅの電圧Ｖd，Ｖeは、第１，第２のスイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２がオンになると、接地レベル（接地ラインｃのレベル）になるが、正確には第１，第２のスイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２のコレクタ−エミッタ間の電圧Ｖceとなる。一方、第１，第２のスイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２がオフになると、電圧Ｖd，Ｖeは、入力電圧Ｖinにそのオフ・タイミングのときの第１，第２のリアクトル電圧Ｖ_L1，Ｖ_L2を加算した電圧となる。この電圧は、β・Ｖinで、電圧Ｖd，Ｖeは、第１，第２のスイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２のオフ期間中、略β・Ｖinになっている。

また、コンデンサＣは大容量であるから、出力電圧Ｖoはβ×Ｖinに保持される。なお
、デューティ比３３％，５０％，７５％のとき、昇圧率βはそれぞれ１.５、２．０、４．０であるので、図４〜図６では、出力電圧Ｖoはそれぞれ１.５×Ｖin、２×Ｖin、４
×Ｖinとなっている。

第１実施形態を、第１の直流リアクトルＬ１と第２の直流リアクトルＬ２とを独立して製作し、第１の昇圧チョッパ回路と第２の昇圧チョッパ回路とを完全に独立して並列接続した構造で第１のスイッチ素子ＳＷ１と第２のスイッチ素子ＳＷ２を同時にオン・オフ動作させる構成（以下、この構成を「標準構成」という。）と対比すると、第１実施形態は標準構成に対して、第１，第２の直流リアクトルＬ１，Ｌ２の自己インダクタンスがＬ _L1 ，Ｌ _L2 から（Ｌ＋Ｍ）に増加する点が相違すると考えられる。

上記（３）式から明らかなように、自己インダクタンスが（Ｌ＋Ｍ）のときのｄＩ_L／ｄｔは、自己インダクタンスがＬのときよりも小さくなる（すなわち、電流Ｉ_Lの傾斜はより緩やかになる）から、第１実施形態は、標準構成よりも第１，第２の直流リアクトルＬ１，Ｌ２に流れる電流Ｉ_L1，Ｉ_L2の傾斜を抑制することができるという特徴がある。

２個の昇圧チョッパ回路を並列接続した構成では、入力電流Ｉinの波形が電流Ｉ_L1，Ｉ_L2の三角波状の各波形を加算したものになり、電流Ｉ_L1，Ｉ_L2の各波形の変動幅（Ｉ_OFFとＩ_ONの差）が大きいほど、入力電流Ｉinの変動幅が大きくなるが、第１実施形態では、標準構成に対して入力電流Ｉinの変動幅を抑制できる利点がある。

なお、第１実施形態では、２個の昇圧チョッパ回路を並列接続した構成について説明したが、上記のことは、３個以上の昇圧チョッパ回路を並列接続した場合にも適用できる。

例えば、図７は、３個の昇圧チョッパ回路を並列接続し、デューティ比５０％の駆動パルスで３個のスイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３を同時にオン・オフ動作させた場合の電源供給動作を示す波形図である。なお、この場合の３個の直流リアクトルＬ１，Ｌ２，Ｌ３は、図８に示すように、共通のコア２１１’の各脚部２１１ａ’，２１１ｂ’，２１１ｃ’に互いに減極性となるように直流リアクトルＬ１，Ｌ２，Ｌ３の各巻き線２１２，２１３，２１４をそれぞれ巻回した直流リアクトル２１’として製作される。

図７に示すように、３個の昇圧チョッパ回路を並列接続した構成でも、第１〜第３の直流リアクトルＬ１,Ｌ２,Ｌ３の電流Ｉ_L1，Ｉ_L2，Ｉ_L3は略同一の三角波状の波形となり、各リアクトルＬ１，Ｌ２，Ｌ３の負荷側の電圧も第１〜第３の駆動パルスＳ１，Ｓ２，Ｓ３のオン期間に接地レベルとなり、オフ期間にβ×Ｖinとなるように変化する。従って、３個の昇圧チョッパ回路を並列接続した構成でも実質的に第１〜第３の昇圧チョッパ回路を相互に独立して同時に動作させ、各昇圧チョッパ回路により昇圧電圧で直流エネルギーを負荷３に供給する動作をさせることができる。

次に、本発明に係る昇圧チョッパ装置の第２実施形態について説明する。

第２実施形態は、第１実施形態に対して第１，第２の駆動パルスＳ１，Ｓ２が異なるのみで、等価的な電気回路の構成は図１に示すものと同じである。従って、以下では、第１，第２の駆動パルスＳ１，Ｓ２による昇圧チョッパ装置の電源供給動作について、図９の波形図を用いて説明する。なお、図９は、第２実施形態の昇圧チョッパ装置２の電源供給動作を示す波形図で、第１，第２の駆動パルスＳ１，Ｓ２のデューティ比を２５％としたときのものである。

第２実施形態では、制御回路２２は、固定の周波数で所定のデューティ比の第１，第２の駆動パルスＳ１，Ｓ２を相互にオン期間が重複しないように第１のスイッチ素子ＳＷ１と第２のスイッチ素子ＳＷ２の各ゲート端子に供給する。具体的には、制御回路２２は、同一駆動パルスを位相を１８０°ずつずらせて第１のスイッチ素子ＳＷ１と第２のスイッチ素子ＳＷ２にそれぞれ供給する。

第１実施形態では、第１の直流リアクトルＬ１と第２の直流リアクトルＬ２が同時に直流エネルギーの蓄積とその蓄積エネルギーの放出とを繰り返すように、第１，第２の駆動パルスＳ１と第１，第２のスイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２のオン・オフ動作を制御したので、上記（３）に示されるように、第１の直流リアクトルＬ１と第２の直流リアクトルＬ２との間の相互インダクタンスＭはそれぞれ自己インダクタンスＬ _L1 ，Ｌ _L2 （＝Ｌ）を増加させるように作用した。

第２実施形態では、デューティ比Ｄ［％］が５０％より小さい場合、例えば、図９に示すように、第１のスイッチ素子ＳＷ１と第２のスイッチ素子ＳＷ２は、（ＳＷ１，ＳＷ２）：（オフ，オフ）→（オン，オフ）→（オフ，オフ）→（オフ，オン）→（オフ，オフ）を繰り返し、一方のスイッチ素子がオフのときに他方のスイッチ素子がオンになる。このため、第１，第２のスイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２のオン期間に、上記（３）式を適用することはできない。

第２実施形態では、一方のスイッチ素子がオン・オフ動作をするとき、他方のスイッチ素子は必ずオフ状態になっている。昇圧チョッパ回路は、スイッチ素子のオン期間に直流リアクトルに直流エネルギーを蓄積するように単調増加する電流Ｉ_Lが流れ、スイッチ素子のオフ期間に直流リアクトルに蓄積された直流エネルギーをコンデンサ及び負荷に放出するように単調減少する電流Ｉ_Lが流れる。従って、第２実施形態では、第１のスイッチ素子ＳＷ１がオンになるときは、第２のスイッチ素子ＳＷ２はオフになっているから、第２の直流リアクトルＬ２に蓄積された直流エネルギーをコンデンサＣ及び負荷３に放出するように単調減少する電流Ｉ_L2が流れているときに、第１の直流リアクトルＬ１に直流エネルギーを蓄積するように単調増加する電流Ｉ_L1が流れることになる。逆の場合も同様である。

例えば、第２のスイッチ素子ＳＷ２がオフの状態では、第２の直流リアクトルＬ２の負荷側のＰ４端子の電圧Ｖeは、（Ｖin＋Ｖ_L2）になる。第１のスイッチ素子ＳＷ１がオフ状態で第１の直流リアクトルＬ１に電流Ｉ_L1が流れていなければ、第２の直流リアクトルＬ２の第２のリアクトル電圧Ｖ_L2は、上記（２）式でｄＩ_L1／ｄｔ＝０としたＬ_L2・ｄＩ_L2／ｄｔで表され、しかもｄＩ_L2／ｄｔ＜０であるので、第２の直流リアクトルＬ２の負荷側のＰ４端子が＋極性となっている（例えば、図９の電圧Ｖeの（ａ）の直前のタイミングのレベル参照）。

この状態で、第１のスイッチ素子ＳＷ１がオンになると（例えば、図９の（ａ）のタイミング参照）、第１の直流リアクトルＬ１に直流電源１の電源電圧Ｖinが加わりｄＩ_L1／ｄｔ（＞０）の電流Ｉ_L1が流れるので、これにより第２の直流リアクトルＬ２に電源側のＰ３端子が＋極性となるような電圧を誘起しようとして第２の直流リアクトルＬ２の電流Ｉ_L2をゼロまで急激に低下させる。そして、電流Ｉ_L2がゼロになると（図９の（ｂ）のタイミング参照）、第１の直流リアクトルＬ１の電流Ｉ_L1によりＭ・ｄＩ_L1／ｄｔの電圧が第２の直流リアクトルＬ２の両端に誘起される。

Ｍ・ｄＩ_L1／ｄｔの電圧の極性はＬ_L2・ｄＩ_L2／ｄｔの電圧とは逆極性であるから、第２の直流リアクトルＬ２には、電源側のＰ３端子が＋極性となるようにＭ・ｄＩ_L1／ｄｔの電圧が誘起される。従って、第２の直流リアクトルＬ２の負荷側のＰ４端子の電圧Ｖeは、第１のスイッチ素子ＳＷ１がオンのときには、ほぼゼロ（Ｖin−Ｖ_L2≒０）になる（図９の電圧Ｖeの（ｂ）の直後のタイミングのレベル参照）。

すなわち、第２のスイッチ素子ＳＷ２がオフになり、そのオフ期間に第２の直流リアクトルＬ２に蓄積された直流エネルギーがコンデンサＣ及び負荷３に放出されている状態で第１のスイッチ素子ＳＷ１がオンになると、直ちに蓄積エネルギーのコンデンサＣ及び負荷３への放出が停止され、その後は、第２のスイッチ素子ＳＷ２がオンになるまで第２の直流リアクトルＬ２には直流エネルギーは蓄積されず、コンデンサＣ及び負荷３にも放出されない。

この結果、第２実施形態では、第１のスイッチ素子ＳＷ１のオン動作が、第２の昇圧チョッパ回路によるエネルギー供給動作を第１の昇圧チョッパ回路によるエネルギー供給動作に切り替える機能を果たすことになる。第１のスイッチ素子ＳＷ１がオフ状態で、第２のスイッチ素子ＳＷ２がオンになる場合（例えば、図９の（ｄ）のタイミング参照）も同様である。

すなわち、図９の波形図において、例えば、（ａ）のタイミングで第１のスイッチ素子ＳＷ１がオンになると、第１の直流リアクトルＬ１の電流Ｉ_L1により第２の直流リアクトルＬ２に誘起されるＭ・ｄＩ_L1／ｄｔの電圧で第２の直流リアクトルＬ２からコンデンサＣ及び負荷３に放出されていた電流Ｉ_L2が直ちに停止され、（ｂ）のタイミングから第２のスイッチ素子ＳＷ２がオンになる（ｄ）のタイミングまで第１の昇圧チョッパ回路によるエネルギー供給動作に切り替えられる。

（ｂ）から（ｄ）の期間では、第１のスイッチ素子ＳＷ１がオフになる（ｃ）のタイミングまで第１の直流リアクトルＬ１に直流エネルギーが蓄積され、第１のスイッチ素子ＳＷ１がオフになると、その蓄積エネルギーがコンデンサＣ及び負荷３に放出されるようになる。この蓄積エネルギーのコンデンサＣ及び負荷３への放出は、第２のスイッチ素子ＳＷ２がオンにならなければ、第１のスイッチ素子ＳＷ１が次にオンになる（ｆ）のタイミングまで継続されるが、（ｄ）のタイミングで第２のスイッチ素子ＳＷ２がオンになるので、第１の直流リアクトルＬ１からコンデンサＣ及び負荷３に放出されていた電流Ｉ_L1は直ちに停止され、(ｅ)のタイミングから第１のスイッチ素子ＳＷ１が次にオンになる（ｆ）のタイミングまで第２の昇圧チョッパ回路によるエネルギー供給動作に切り替えられる。

以上のような動作をすることにより、電圧Ｖeは、以下のような波形の変化を繰返す。すなわち、電圧Ｖeは、第１のスイッチ素子ＳＷ１がオンになると、ほぼゼロ（Ｖin−Ｖ_L2≒０）になり、オン期間中、ほぼゼロ（Ｖin−Ｖ_L2≒０）に保持されるが、第１のスイッチ素子ＳＷ１がオフになると、ほぼβ×Ｖin（Ｖin＋Ｖ_L2≒β×Ｖin）に反転し、その後、第２のスイッチ素子ＳＷ２がオンになり、昇圧チョッパ動作が第２のチョッパ回路に切り換えられると、一旦、接地レベルに低下する。そして、第２のスイッチ素子ＳＷ２がオフになると、電圧Ｖeは、β×Ｖinのレベルに復帰し、その後、第１のスイッチ素子ＳＷ１がオンになると、ほぼゼロ（Ｖin−Ｖ_L2≒０）に低下する。

電圧Ｖdも同様の波形の変化を繰返す。すなわち、電圧Ｖdは、第２のスイッチ素子ＳＷ２がオンになると、ほぼゼロ（Ｖin−Ｖ_L1≒０）になり、オン期間中、ほぼゼロ（Ｖin−Ｖ_L1≒０）に保持されるが、第２のスイッチ素子ＳＷ２がオフになると、ほぼβ×Ｖin（Ｖin＋Ｖ_L1≒β×Ｖin）に反転し、その後、第１のスイッチ素子ＳＷ１がオンになり、昇圧チョッパ動作が第１のチョッパ回路に切り換えられると、一旦、接地レベルに低下する。そして、第１のスイッチ素子ＳＷ１がオフになると、電圧Ｖdは、β×Ｖinのレベルに復帰し、その後、第２のスイッチ素子ＳＷ２がオンになると、ほぼゼロ（Ｖin−Ｖ_L1≒０）に低下する。

なお、第２実施形態では、昇圧率βはβ＝１／（１−Ｎ×Ｄ）（Ｎは昇圧チョッパ回路の並列台数）となる。従って、図９では、昇圧率β＝１／（１−２×０．２５）＝２．０となっている。

一方、第１の直流リアクトルＬ１の電流Ｉ_L1は、第１のスイッチ素子ＳＷ１がオンになると、第２の直流リアクトルＬ２の電流Ｉ_L2を急激にゼロにするように急上昇し、当該電流Ｉ_L2がゼロになったタイミングからＶin＝Ｌ１×ｄＩ_L1／ｄｔを満たすように単調増加して第１の直流リアクトルＬ１に直流エネルギーを蓄積する。その後、第１のスイッチ素子ＳＷ１がオフになると、電流Ｉ_L1は単調減少に転じ、蓄積した直流エネルギーをコンデンサＣ及び負荷３に放出する（図９の電流Ｉ_L1の（ａ）〜（ｄ）の期間の波形参照）。そして、第２のスイッチ素子ＳＷ２がオンになると、第２の直流リアクトルＬ２に電流Ｉ_L2が流れ、これにより電流Ｉ_L1は急激にゼロになる。

第１の直流リアクトルＬ１の電流Ｉ_L1は、第２のスイッチ素子ＳＷ２がオンして電流Ｉ_L1がゼロになってから第１のスイッチ素子ＳＷ１がオンするまでは流れず、第１のスイッチ素子ＳＷ１がオンしてから第２のスイッチ素子ＳＷ２がオンするまで上記の変化を行い、以下、そのような変化を繰返す。

第２の直流リアクトルＬ２の電流Ｉ_L2も第１の直流リアクトルＬ１の電流Ｉ_L1と同様の変化を行うが、第１のスイッチ素子ＳＷ１がオンして電流Ｉ_L2がゼロになってから第２のスイッチ素子ＳＷ２がオンするまでは流れず、第２のスイッチ素子ＳＷ２がオンしてから第１のスイッチ素子ＳＷ１がオンするまで上記の変化を行う点が第１の直流リアクトルＬ１の電流Ｉ_L1と異なる。

第２実施形態では、各昇圧チョッパ回路が動作している期間では第１，第２の直流リアクトルＬ１，Ｌ２に流れる電流Ｉ_L1，Ｉ_L2の波形は三角の山形をしているので、電流Ｉ_L1と電流Ｉ_L2を加算した入力電流Ｉinの三角波状の波形の周期は、第１実施形態の入力電流Ｉinの三角波状の波形の周期に対して１/２となる。従って、第２実施形態では、第１実施形態よりも入力電流Ｉinの変動幅を小さくすることができる。その一方、第２実施形態は、各昇圧チョッパ回路が第１，第２の駆動パルスＳ１，Ｓ２の１／２周期毎に交互に間欠動作をするので、各昇圧チョッパ回路の駆動効率は第１実施形態よりも低下する。

なお、デューティ比Ｄ［％］を５０％にした場合は、第１のスイッチ素子ＳＷ１と第２のスイッチ素子ＳＷ２は、（ＳＷ１，ＳＷ２）：（オン，オフ）→（オフ，オン）を繰り返し、両スイッチ素子が同時に（オフ，オフ）となる期間はなくなる。

図９の示す波形図において、デューティ比Ｄ［％］を２５％から徐々に５０％に増加させると、第１，第２のスイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２が同時にオフになる期間（例えば、図９の（ｃ）から（ｄ）期間）が短くなるから、各昇圧チョッパ回路が昇圧チョッパ動作している期間のうち、直流リアクトルに蓄積した直流エネルギーをコンデンサＣ及び負荷３に放出する期間が減少することになる。デューティ比Ｄ［％］を５０％にした場合は、コンデンサＣへの直流エネルギーの放出期間がなくなった場合と考えられる。

図１０は、第２実施形態において、デューティ比Ｄ［％］を５０％にした場合の波形図である。

同図に示すように、第１，第２のスイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２がオンになる毎に、第１，第２の直流リアクトルＬ１，Ｌ２に流れる電流Ｉ_L1，Ｉ_L2が交互に切り換えられ、いずれか一方の電流が流れる。このことは、デューティ比を５０％より小さくした場合も同じであるが、デューティ比を５０％にした場合は、第１，第２のスイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２のオン期間ではそれぞれ第１の直流リアクトルＬ１または第２の直流リアクトルＬ２への直流エネルギーの蓄積動作しか行われず、理論上はコンデンサＣ及び負荷３への直流エネルギーの放出は行われない。しかし、実際は、電流は瞬時に切り替わることはできないので、電流が切り替わるわずかな期間にコンデンサＣ及び負荷３へ直流エネルギーが一気に供給されることになり、そのときの昇圧比は非常に大きなものとなる。デューティ比を５０％より大きくした場合も第１，第２のスイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２が同時にオフになる期間が生じないから、上記の動作は、デューティ比５０％以上で同様に行われると類推することができる。従って、第２実施形態では、デューティ比Ｄ［％］を５０％よりも小さい範囲で昇圧チョッパ動作を行う場合に適する。

上記のように、第２実施形態は、第１実施形態とは異なり、第１の昇圧チョッパ回路と第２の昇圧チョッパ回路が第１の駆動パルスＳ１又は第２の駆動パルスＳ２の１／２周期で交互に動作する構成となっている。

第１実施形態では、第１の昇圧チョッパ回路と第２の昇圧チョッパ回路が同時に昇圧チョッパ動作をするので、コンデンサＣは、第１の昇圧チョッパ回路及び第２の昇圧チョッパ回路で共用できる大容量の素子を選択する必要があるが、第２実施形態では、コンデンサＣが時分割で第１の昇圧チョッパ回路または第２の昇圧チョッパ回路に共用されるので、第１実施形態ほどの大容量の素子は要しない。

なお、第２実施形態では、２個の昇圧チョッパ回路を並列接続した構成について説明したが、上記のことは、３個以上の昇圧チョッパ回路を並列接続した場合にも適用できる。

例えば、図１１は、３個の昇圧チョッパ回路を並列接続し、デューティ比２０％の駆動パルスで３個のスイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３を同時にオンしないようにオン・オフ動作させた場合の電源供給動作を示す波形図である。なお、この場合の３個の直流リアクトルＬ１，Ｌ２，Ｌ３の構成は、図８に示したものと同じである。また、図１１では、昇圧率β＝１／（１−３×０．２０）＝２．５となっている。

図１１に示すように、３個の昇圧チョッパ回路を並列接続した構成でも実質的に第１〜第３の昇圧チョッパ回路をそれぞれ１／３周期ずつ時分割で動作させ、各昇圧チョッパ回路により昇圧電圧で直流エネルギーを負荷３に供給する動作をさせることができることがわかる。

なお、一般に、昇圧チョッパ回路の並列接続数をＮ個とすると、各昇圧チョッパ回路を等間隔で切り換え運転させるため、各昇圧チョッパ回路のスイッチ素子がオンになる期間は相互に３６０°／Ｎずつずらせるようにするとよい。このようにすれば、入力電流Ｉinの変動幅を効果的に抑制することができる。

次に、本発明に係る昇圧チョッパ装置の第３実施形態について説明する。

第３実施形態は、第１実施形態に対して直流リアクトル２１の構造と第１，第２の駆動パルスＳ１，Ｓ２が異なる。直流リアクトル２１の構造の相違点は、第１の直流リアクトルＬ１の巻き線２１２と第２の直流リアクトルＬ２の巻き線２１３が、図１２に示すように、互いに同方向に巻回されている点である。すなわち、第３実施形態の第１の直流リアクトルＬ１及び第２の直流リアクトルＬ２は、加極性の変圧器と同様の構造となっている。

従って、図示はしないが、第３実施形態の等価的な電気回路の構成は、図１において、直流リアクトル２１内の第２の直流リアクトルＬ２の黒丸の位置をＰ４端子側に変更するか、直流リアクトル２１内の第１の直流リアクトルＬ１の黒丸の位置をＰ２端子側に変更したものとなる。

また、第３実施形態では、制御回路２２は、固定の周波数でデューティ比５０％の第１，第２の駆動パルスＳ１，Ｓ２を相互にオン期間が重複しないように第１のスイッチ素子ＳＷ１と第２のスイッチ素子ＳＷ２の各ゲート端子に供給する。なお、デューティ比５０％の場合は、第１の駆動パルスＳ１がオンのときは第２の駆動パルスＳ２がオフになり、第１の駆動パルスＳ１がオフのときは第２の駆動パルスＳ２がオンになるから、同一の駆動パルスを位相を１８０°ずつずらせて第１のスイッチ素子ＳＷ１と第２のスイッチ素子ＳＷ２にそれぞれ供給する、若しくは、第１のスイッチ素子ＳＷ１に供給するデューティ比５０％の駆動パルスのレベルを反転させて第２のスイッチ素子ＳＷ２に供給する構成であると言ってもよい。或いは、第１，第２のスイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２に第１，第２の駆動パルスＳ１，Ｓ２を互いオン・オフが逆になるように供給する構成であると言ってもよい。

第１実施形態の直流リアクトル２１は、減極性の変圧器と同様の構造となっているのに対し、第３実施形態の直流リアクトル２１は、加極性の変圧器と同様の構造となっているので、第１実施形態と同様に第１の駆動パルスＳ１と第２の駆動パルスＳ２を同位相にする（オン期間が重複するようにする）と、第１，第２のスイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２が同時にオンになるときは、ｄＩ_L1／ｄｔ＝ｄＩ_L2／ｄｔ＝ｄＩ_L／ｄｔ＞０であるが、相互誘導により第１の直流リアクトルＬ１の両端に誘起される電圧Ｍ・ｄＩ_L2／ｄｔの極性は、第１実施形態の場合と逆になる。相互誘導により第２の直流リアクトルＬ２の両端に誘起される電圧Ｍ・ｄＩ_L1／ｄｔの極性も同様である。

従って、第１，第２のスイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２に第１，第２の駆動パルスＳ１，Ｓ２を同位相で供給すると、上記（３）式に相当する式は、下記（４）式となる。下記（４）式によれば、自己誘導により生じる電圧（Ｌ×ｄＩ_L／ｄｔ）が相互誘導により生じる電圧（Ｍ×ｄＩ_L／ｄｔ）により相殺されることになるから、実質的に第１の直流リアクトルＬ１の自己インダクタンスがＬから（Ｌ−Ｍ）に減少したのと等価である。第２の直流リアクトルＬ２についても同様である。

第１，第２のスイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２に第１，第２の駆動パルスＳ１，Ｓ２を同位相で供給した場合、例えば、第１，第２のスイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２のオン期間では、上記（４）式を満たすように、非常に大きな変化率で第１，第２の直流リアクトルＬ１，Ｌ２にそれぞれ電流Ｉ_Lを流すことになる。従って、この場合は、この電流に耐え得る直流リアクトル２１及び第１，第２のスイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２及びダイオードＤ１，Ｄ２を設ける必要がある。

一方、第１，第２のスイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２に第１，第２の駆動パルスＳ１，Ｓ２を互いにオン・オフが逆になるように供給すると、第１のスイッチ素子ＳＷ１がオンしている（第１の直流リアクトルＬ１に直流エネルギーを蓄積している）ときには、第２のスイッチ素子ＳＷ２はオフしているので、第２の直流リアクトルＬ２に蓄積された直流エネルギーがコンデンサＣ及び負荷３放出され、第２のスイッチ素子ＳＷ２がオンしている（第２の直流リアクトルＬ２に直流エネルギーを蓄積している）ときには、第１のスイッチ素子ＳＷ１はオフしているので、第１の直流リアクトルＬ１に蓄積された直流エネルギーをコンデンサＣ及び負荷３に放出される。

第１のスイッチ素子ＳＷ１のオン期間では、第１の直流リアクトルＬ１にｄＩ_L1／ｄｔ＞０の電流Ｉ_L1が流れ、第２の直流リアクトルＬ２にｄＩ_L2／ｄｔ＜０の電流Ｉ_L2が流れるが、相互誘導により第１の直流リアクトルＬ１に誘起される電圧（Ｍ・ｄＩ_L2／ｄｔ）は自己誘導により第１の直流リアクトルＬ１に誘起される電圧（Ｌ_L1・ｄＩ_L1／ｄｔ）と同じ極性である。同様に、第２のスイッチ素子ＳＷ２のオン期間でも、第２の直流リアクトルＬ２にｄＩ_L2／ｄｔ＞０の電流Ｉ_L2が流れ、第１の直流リアクトルＬ１にｄＩ_L1／ｄｔ＜０の電流Ｉ_L1が流れるが、相互誘導により第２の直流リアクトルＬ２に誘起される電圧（Ｍ・ｄＩ_L1／ｄｔ）は自己誘導により第２の直流リアクトルＬ２に誘起される電圧（Ｌ_L2・ｄＩ_L2／ｄｔ）と同じ極性である。

従って、第１，第２のスイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２に第１，第２の駆動パルスＳ１，Ｓ２を互いにオン・オフが逆になるように供給した場合、第１，第２のスイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２のオン期間では、上記（３）式を満たすように、第１，第２の直流リアクトルＬ１，Ｌ２にそれぞれ電流Ｉ_Lが流れるから、正常な昇圧チョッパ動作が可能となる。しかも、この場合は、直流リアクトル２１及び第１，第２のスイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２に対して、第１，第２のスイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２に第１，第２の駆動パルスＳ１，Ｓ２を同位相で供給する場合のような電流Ｉ_Lの急激な変化を考慮する必要はない。

このため、第３実施形態では、第１，第２のスイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２に第１，第２の駆動パルスＳ１，Ｓ２を互いにオン・オフが逆になるように供給している。そして、上記のように、第３実施形態でも上記（３）式を満たすように、第１，第２の直流リアクトルＬ１，Ｌ２にそれぞれ電流Ｉ_Lが流れるから、第３実施形態も第１実施形態と同様に、実質的に自己インダクタンス（Ｌ＋Ｍ）の第１の直流リアクトルＬ１を有する第１の昇圧チョッパ回路と自己インダクタンス（Ｌ＋Ｍ）の第２の直流リアクトルＬ２を有する第２の昇圧チョッパ回路とを互いに独立して動作させる構成となっている。

尤も、第３実施形態では、第１のスイッチ素子ＳＷ１がオンのときには第２のスイッチ素子ＳＷ２はオフで、第１のスイッチ素子ＳＷ１がオフのときは第２のスイッチ素子ＳＷ２はオンであるから、第１の直流リアクトルＬ１に直流エネルギーが蓄積されているときは第２の直流リアクトルＬ２から蓄積した直流エネルギーがコンデンサＣ及び負荷３に放出され、第１の直流リアクトルＬ１から蓄積された直流エネルギーがコンデンサＣ及び負荷３に放出されているときには第２の直流リアクトルＬ２に直流エネルギーが蓄積される動作が繰り返される。

すなわち、第３実施形態は、第１実施形態と異なり、一方の昇圧チョッパ回路が直流エネルギーを蓄積しているときには他方の昇圧チョッパ回路が蓄積した直流エネルギーをコンデンサＣ及び負荷３に放出しており、直流エネルギーの蓄積と放出を互いに補完し合う関係で動作する。

従って、第３実施形態の第１，第２の直流リアクトルＬ１，Ｌ２の電流Ｉ_L1，Ｉ_L2及び入力電流Ｉinの波形も第１実施形態と同様に三角波状の波形となるが、第３実施形態では、第１の直流リアクトルＬ１の電流Ｉ_L1が単調増加しているときには第２の直流リアクトルＬ２の電流Ｉ_L2が単調減少し、第１の直流リアクトルＬ１の電流Ｉ_L1が単調減少しているときには第２の直流リアクトルＬ２の電流Ｉ_L2が単調増加する関係となるから、電流Ｉ_L1と電流Ｉ_L2を加算した入力電流Ｉinの変動幅は第１実施形態に比べて小さくなる。

図１３は、第３実施形態の昇圧チョッパ装置２の電源供給動作を示す波形図で、第１，第２の駆動パルスＳ１，Ｓ２のデューティ比を５０％としたときのものである。

図１３の波形図と図５の波形図を対比すれば、明らかなように、図１３の波形図は、図５の波形図において、第２の駆動パルスＳ２、第２の直流リアクトルＬ２の電流Ｉ_L2及び接続点ｅの電圧Ｖeの波形の位相を１８０°遅らせたものとなっている。

第１の直流リアクトルＬ１の電流Ｉ_L1と第２の直流リアクトルＬ２の電流Ｉ_L2の波形は同一の三角波状で、電流Ｉ_L2は電流Ｉ_L1に対して１８０°遅れているから、第３実施形態では、電流Ｉ_L1に電流Ｉ_L2を加算した入力電流Ｉinの変動幅をほぼゼロにすることができる。また、電圧Ｖdが接地レベルのときには電圧Ｖeはβ×Ｖinとなり、電圧Ｖeが接地レベルのときには電圧Ｖdはβ×Ｖinとなるから、電圧Ｖdの波形に電圧Ｖeの波形を重畳した出力電圧Ｖoの波形も変動が殆どなく、安定して昇圧レベルβ×Ｖinに保持することができる。

なお、第３実施形態では、第１のスイッチ素子ＳＷ１及び第２のスイッチ素子ＳＷ２のオン・オフ動作が互い逆になるときに上記の動作を行うので、デューティ比を変化させて昇圧レベルを変化させる場合は、第１の駆動パルスＳ１と第２の駆動パルスＳ２は、第１のスイッチ素子ＳＷ１及び第２のスイッチ素子ＳＷ２のオン・オフ動作が互いに逆になるようにそれぞれ第１のスイッチ素子ＳＷ１と第２のスイッチ素子ＳＷ２に供給するとよい。すなわち、第３実施形態では、所定のデューティ比の駆動パルスが一方のスイッチ素子に供給され、その駆動パルスのレベルを反転して他方のスイッチ素子に供給するとよい。

第３実施形態では、一方の昇圧チョッパ回路のデューティ比をＤ１（％）とすると、他方の昇圧チョッパ回路のデューティ比Ｄ２は（１００−Ｄ１）（％）となる。昇圧チョッパ装置２の出力電圧Ｖoは、デューティ比Ｄ１，Ｄ２の大きい方で決まると考えられるので、第３実施形態では、デューティ比５０％以上で動作する。従って、第３実施形態は、デューティ比を５０％よりも大きい範囲で昇圧チョッパ動作を行う場合に適する。

次に、本発明に係る昇圧チョッパ装置の第４実施形態について説明する。

第４実施形態は、第３実施形態の変形例で、第３実施形態に対して第１，第２の駆動パルスＳ１，Ｓ２が異なる。すなわち、第１，第２の駆動パルスＳ１，Ｓ２を第２実施形態と同様にしたものである。第４実施形態の制御回路２２は、固定の周波数で所定のデューティ比の同一駆動パルスを位相を１８０°ずつずらせて第１のスイッチ素子ＳＷ１と第２のスイッチ素子ＳＷ２にそれぞれ供給する。ゆえに、第４実施形態においては、デューティ比５０％を越える領域では、第１のスイッチ素子ＳＷ１と第２のスイッチ素子ＳＷ２が両方ともオンの期間が存在し、デューティ比５０％未満の領域では、第１のスイッチ素子ＳＷ１と第２のスイッチ素子ＳＷ２が両方ともオフとなる期間が存在することになる。

第１，第２のスイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２のオン・オフ動作が互いに逆の期間の動作は、第３実施形態の場合と同じ動作となるので、ここでは、第１のスイッチ素子ＳＷ１と第２のスイッチ素子ＳＷ２が両方ともオン及びオフとなる期間の動作について説明する。

第１のスイッチ素子ＳＷ１と第２のスイッチ素子ＳＷ２が両方ともオン及びオフとなる期間は、第１，第２のスイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２に第１，第２の駆動パルスＳ１，Ｓ２を同位相で供給したときと同じことになり、上記（４）式が成り立つことになる。すなわち、実質的に第１の直流リアクトルＬ１の自己インダクタンス及び第２の直流リアクトルＬ２の自己インダクタンスがＬから（Ｌ−Ｍ）に減少したのと等価となる。

ゆえに、第１のスイッチ素子ＳＷ１と第２のスイッチ素子ＳＷ２が両方ともオン及びオフとなる期間では、上記（４）式を満たすように、非常に大きな変化率で第１，第２の直流リアクトルＬ１，Ｌ２にそれぞれ電流Ｉ_Lを流すことになる。

以上のようなことから、第４実施形態では、第３実施形態の動作に加えてデューティ比５０％を越える領域では、第１のスイッチ素子ＳＷ１と第２のスイッチ素子ＳＷ２が両方ともオンの期間が存在し、その期間に自己インダクタンス（Ｌ−Ｍ）の第１の直流リアクトルＬ１を有する第１の昇圧チョッパ回路と自己インダクタンス（Ｌ−Ｍ）の第２の直流リアクトルＬ２を有する第２の昇圧チョッパ回路が同時に第１の直流リアクトルＬ１及び第２の直流リアクトルＬ２に直流エネルギーが蓄積される動作が加わることになる。

一方、デューティ比５０％未満の領域では、第１のスイッチ素子ＳＷ１と第２のスイッチ素子ＳＷ２が両方ともオフとなる期間が存在し、その期間に自己インダクタンス（Ｌ−Ｍ）の第１の直流リアクトルＬ１を有する第１の昇圧チョッパ回路と自己インダクタンス（Ｌ−Ｍ）の第２の直流リアクトルＬ２を有する第２の昇圧チョッパ回路が同時にコンデンサＣ及び負荷３に直流エネルギーが放出される動作が加わることになる。

図１４は、第４実施形態のデューティ比５０％を越える領域における昇圧チョッパ装置２の電源供給動作を示す波形図で、第１，第２の駆動パルスＳ１，Ｓ２のデューティ比を７５％としたときのものである。

同図に示すように、第１，第２のスイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２が両方ともオンになる期間が存在し、その期間に第１，第２の直流リアクトルＬ１，Ｌ２に流れる電流Ｉ_L1，Ｉ_L2が大きく跳ね上がるが、その後第１のスイッチ素子ＳＷ１もしくは第２のスイッチ素子ＳＷ２がオフになった際に、第１，第２の直流リアクトルＬ１，Ｌ２に蓄積された直流エネルギーがコンデンサＣ及び負荷３へ放出され、問題なく昇圧チョッパ動作が行われていることがわかる。

図１５は、第４実施形態のデューティ比５０％未満の領域における昇圧チョッパ装置２の電源供給動作を示す波形図で、第１，第２の駆動パルスＳ１，Ｓ２のデューティ比を２５％としたときのものである。

同図に示すように、第１，第２のスイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２が両方ともオフになる期間、すなわち第１，第２の直流リアクトルＬ１，Ｌ２に蓄積された直流エネルギーが一気にコンデンサＣ及び負荷３へ放出される期間が存在するものの、その後第１のスイッチ素子ＳＷ１もしくは第２のスイッチ素子ＳＷ２がオンになった際に、第１の直流リアクトルＬ１もしくは第２の直流リアクトルＬ２への直流エネルギーの蓄積動作が行われ、問題なく昇圧チョッパ動作が行われていることがわかる。

第４実施形態は、第３実施形態のようなデューティ比の制約はないが、第３実施形態よりも入力電流Ｉinの変動幅が大きくなるという特徴がある。

上記実施形態では、直流リアクトル２１を図２や図８のように構成したが、図１６や図１７に示すように、構成してもよい。図１６は、図２の直流リアクトル２１の変形例であって、コア２１１の２つの脚部２１１ａ，２１１ｂの間に巻き線が巻回されない脚部２１５を設けたものである。一方、図１７には、図８の直流リアクトル２１’の変形例であって、コア２１１’の３つの脚部２１１ａ’，２１１ｂ’，２１１ｃ’の中央に巻き線の巻回されない脚部２１５’を設け、脚部２１１ａ’，２１１ｂ’，２１１ｃ’の両端をそれぞれ脚部２１５’の両端に接続したものである。

図１６に示す直流リアクトル２１”では、巻き線２１２，２１３に電流が流れることによってコア２１１内に生じる磁界が主として脚部２１５を通ることになるので、第１の直流リアクトルＬ１と第２の直流リアクトルＬ２との間の相互インダクタンスＭを低減することができる。図１７に示す直流リアクトル２１”も同様で、巻き線２１２，２１３，２１４に電流が流れることによってコア２１１’内に生じる磁界が主として脚部２１５’を通ることになるので、第１の直流リアクトルＬ１、第２の直流リアクトルＬ２及び第３の直流リアクトルＬ３との間の相互インダクタンスＭを低減することができる。

なお、、直流リアクトルの数が４個以上の場合は、図１７において、脚部２１５’の周囲に直流リアクトルの数だけ脚部を配置し、それらの脚部の両端を脚部２１５’の両端に接続したコアを使用し、脚部２１５’の周囲の各脚部に各直流リアクトルの巻き線を巻回して直流リアクトル２１”を製作すればよい。

図１６や図１７に示す直流リアクトル２１”を用いた場合は、各昇圧チョッパ回路の昇圧チョッパ動作における相互インダクタンスＭの影響を低減することができる。

上記のように、第１〜第４実施形態によれば、共通のコアに複数の巻き線を巻回して複数の直流リアクトルを一体的に構成し、その直流リアクトルの巻き線の極性に応じて複数のスイッチ素子のオン・オフ動作を適正に制御するようにしているので、各昇圧チョッパ回路の昇圧チョッパ動作に悪影響を与えることなく、昇圧チョッパ装置２の小型化、軽量化、低コスト化が可能になる。

なお、上記のように、第１〜第４実施形態には昇圧チョッパ動作の特性に各実施形態に特有の特徴があるので、昇圧チョッパ装置２を適用する負荷３に応じて各実施形態を使い分けるようにするとよい。

本発明に係る昇圧チョッパ回路の第１実施形態の等価的な電気回路の構成を示す図である。 コアを共通にした２つの直流リアクトルの構造を示す斜視図である。 ２つの直流リアクトルの巻き線の巻き方を説明するための図である。 第１実施形態の昇圧チョッパ装置をデューティ比３３％の駆動パルスで駆動したときの電源供給動作を示す波形図である。 第１実施形態の昇圧チョッパ装置をデューティ比５０％の駆動パルスで駆動したときの電源供給動作を示す波形図である。 第１実施形態の昇圧チョッパ装置をデューティ比７５％の駆動パルスで駆動したときの電源供給動作を示す波形図である。 昇圧チョッパ装置を３個の昇圧チョッパ回路の並列接続とし、デューティ比５０％の駆動パルスで駆動する第１実施形態の変形例の電源供給動作を示す波形図である。 ３個の昇圧チョッパ回路を並列接続した構成とする場合の３個の直流リアクトルの構造を示す斜視図である。 第２実施形態の昇圧チョッパ装置をデューティ比２５％の駆動パルスで駆動したときの電源供給動作を示す波形図である。 第２実施形態の昇圧チョッパ装置をデューティ比５０％の駆動パルスで駆動したときの電源供給動作を示す波形図である。 昇圧チョッパ装置を３個の昇圧チョッパ回路の並列接続とし、デューティ比２０％の駆動パルスで駆動する第２実施形態の変形例の電源供給動作を示す波形図である。 第３実施形態の２つの直流リアクトルの巻き線の巻き方を説明するための図である。 第３実施形態の昇圧チョッパ装置をデューティ比５０％の駆動パルスで駆動したときの電源供給動作を示す波形図である。 第４実施形態の昇圧チョッパ装置をデューティ比７５％の駆動パルスで駆動したときの電源供給動作を示す波形図である。 第４実施形態の昇圧チョッパ装置をデューティ比２５％の駆動パルスで駆動したときの電源供給動作を示す波形図である。 コアを共通にした２つの直流リアクトルの構造の変形例を示す図である。 コアを共通にした３つの直流リアクトルの構造の変形例を示す図である。 従来の昇圧チョッパ装置の等価的な電気回路の構成を示す図である。

１ 直流電源
２ 昇圧チョッパ装置
２１，２１’，２１” 直流リアクトル
２１１，２１１’ コア
２１２，２１３，２１４ 巻き線
２２ 制御回路
Ｌ１ 第１の直流リアクトル
Ｌ２ 第２の直流リアクトル
Ｄ１、Ｄ２ ダイオード
ＳＷ１ 第１のスイッチ素子
ＳＷ２ 第２のスイッチ素子
Ｃ コンデンサ
３ 負荷

Claims (5)

1. 等価的に、直流電源が接続される入力端と負荷が接続される出力端の間に直流リアクトルとダイオードとがこの順に直列に接続された複数の直列回路が並列に接続され、前記出力端と接地点との間にコンデンサが接続されるとともに、各直列回路の直流リアクトルとダイオードの接続点と前記接地点との間にそれぞれスイッチ素子が接続された昇圧チョッパ回路と、前記複数のスイッチ素子のオン・オフ動作をそれぞれ集中制御する制御回路とで構成される昇圧チョッパ装置において、
   各昇圧チョッパ回路の直流リアクトルは、リアクトル数分の棒状の磁性部材の両端を相互に接続してなる１個の鉄心で構成した共通のコアに減極性で各直流リアクトルの巻き線をそれぞれ巻いて構成され、
   前記制御回路は、前記複数のスイッチ素子に対し、所定のデューティ比の同一波形のパルス信号を同位相、若しくは所定の位相ずつずらせて出力することを特徴とする昇圧チョッパ装置。
2. 前記制御回路は、前記複数のスイッチ素子に対し、所定のデューティ比の同一波形のパルス信号を同位相で出力することを特徴とする請求項１に記載の昇圧チョッパ装置。
3. 前記制御回路は、前記複数のスイッチ素子に対し、所定のデューティ比の同一波形のパルス信号を前記所定の位相ずつずらせて出力して各スイッチ素子を異なる期間にオン動作させることを特徴とする請求項１に記載の昇圧チョッパ装置。
4. 等価的に、直流電源が接続される入力端と負荷が接続される出力端の間に直流リアクトルとダイオードとがこの順に直列に接続された複数の直列回路が並列に接続され、前記出力端と接地点との間にコンデンサが接続されるとともに、各直列回路の直流リアクトルとダイオードの接続点と前記接地点との間にそれぞれスイッチ素子が接続された昇圧チョッパ回路と、前記複数のスイッチ素子のオン・オフ動作をそれぞれ集中制御する制御回路とで構成される昇圧チョッパ装置において、
   各昇圧チョッパ回路の直流リアクトルは、２本の棒状の磁性部材の両端を相互に接続してなる１個の鉄心で構成した共通のコアに加極性で各直流リアクトルの巻き線をそれぞれ巻いて構成され、
   前記制御回路は、所定のデューティ比のパルス信号を一方のスイッチ素子に出力し、そのパルス信号のレベルを反転したパルス信号を他方のスイッチ素子に出力して各スイッチ素子を互いにオン・オフ動作が逆になるように動作させることを特徴とする昇圧チョッパ装置。
5. 各昇圧チョッパ回路の直流リアクトルは、前記共通のコアに代えて、リアクトル数分の棒状の第１の磁性部材が中央に配置された棒状の第２の磁性部材の周囲に配置され、かつ、それらの両端部が当該第２の磁性部材の両端部にそれぞれ接続された構造を有する１個の鉄心からなる共通のコアに、各直流リアクトルの巻き線をそれぞれ巻いて構成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の昇圧チョッパ装置。

Images