JPH02501704A - 直流／直流電力変換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ｉｒｖｗｍ” ｉ朋！」ｌ（九ヱ この発明は、直流／直流電力変換器に関するもので、特に、２つの直流電圧間の 中間のレベルの出力電圧を供給する変換器に関するものである。

１吋玖１１上Ｉ 直流／直流電圧変換器は、直流電源によって供給された第１のレベルの直流入力 電圧を、第２のレベルの直流出力電圧に変換するのに用いられる。

−例は、交流負荷へ中性点レベルの電圧を供給する中性点形成変換器である。

ターンプル（Ｔｕｒｎｂｕ　Ｉ　Ｉ　）の米国特許第３７７５６６３号は、交流 負荷に直接接続している、電子制御された中性点端子をもつインバータを開示す る。入力端子は、直流入力電圧を受電する。ハーフ・ブリッジ・インバータは前 記入力端子間に接続され、直列接続されたソリッド・ステート・スイッチを含む 、一対のコンデンサは前記入力端子間に接続され、インダクタは前記ソリッド・ ステート・スイッチの接続点と前記一対のコンデンサの接続点との間に接続゛さ れている。前記中性点端子は、前記インダクタとコンデンサとの接続点に接続さ れている。前記スイッチは、前記中性点端子の電圧を中性点電圧に保持するクロ ーズド・・ループ回路によって交互に導通状態にされる。

ターンプル特許によれば、前記インダクタはりプル電流を最小にするために比較 的大きくなければならない。

この大きいインダクタのために、前記スイッチの導通時間はクローズド・ループ 回路によって変更され、前記中性点に前記負荷に対して十分低いインピーダンス を提供させて様々な変化をさせなければならない。

ｌ肌Ｌ１力 この発明によれば、中性点形成変換器として使用できる直流／直流電力変換器が 提供される。この変換器は、大きいフィルタ作用のインダクタもクローズド・ル ープ・ゲート回路も必要としない、したがって、応答時間が短くされ、複雑な回 路が除外される。

第１の実施例によれば、前記変換器は、第１及び第２の入力端子と出力端子を有 し、前記第１及び第２の入力端子間の直流電源によって印加された第１及び第２ の直流レベル間の中間のレベルの出力電圧を前記出力端子に供給する。

前記変換器は、前記第１及び第２の入力端子間のスイッチ接続点で直列に接続さ れた第１及び第２のスイッチと、前記第１及び第２の入力端子間の別の接続点で 接続された、例えばダイオードのような、第１及び第２の直列接続された単一方 向性電流導通素子と、第１及び第２の端ている第１及び第２の末端と第３の端子 又は前記出力端子に接続されているセンター・タップを有し、磁気的に結合した ２つの巻線からなる変圧器のようなエネルギー蓄電素子と、そして、前記第１及 び第２の直流レベル閏のほぼ中間の電圧が前記出力端子に生成されるように、前 記第１及び第２のスイッチをほぼ等しいデユーティ。

サイクル又はデユーティ・ファクタで交互に動作する手段とを備えている。

前記変換器は、前記変圧器のセンター・タップに接続されたフィルタ回路をさら に含む、このフィルタ回路は、前記第１の入力端子と出力端子の間に接続された 第１のコンデンサと、前記第２の入力端子と出力端子の間に接続された第２のコ ンデンサとからなる。

第２実施例によれば、前記第１及び第２のダイオードは、リプルを流をさらに減 少させる第３及び第４のスイッチに取って代わられる。

面の。単一；日 この発明の他の特徴と利点は、図面とともに取り上げられた以下の説明から明ら かになるであろう。

第１図は、直流電源に接続された、この発明による変換器の第１の実施例のブロ ック図であり、第２図は、第１図に示された変換器の構成図であり、第３区は、 第２図の変換器におけるスイッチの動作例を説明している波形図であり、 第４区は、この発明の第２実施例による変換器の構成図である。

日　の最　の５゜ 直流電源（１５）に接続された第１及び第２の変換器入力端子（１２）、（１４ ）と、交流負荷（２０）に接続された変換器出力端子（１６）とを有する直流／ 直流変換器（１０）が、第１図に示されている。直流電源（１５）は、第１の電 力供給出力端子（２４）における第１の供給電圧■、と、第２の電力供給出力端 子（２６）における第２の供給電圧■２とからなる直流電力を供給する。直流電 源はさらに直流電力をインバータ（２７）に供給し、このインバータ（２７）は 直流電力を交流負荷（２０）に使用される３相交流電力に変換する。

この発明によれば、変換器出力電圧Ｖ０が変換器（１０）によって変換器出力端 子（１６）に生成される。平均の変換器出力電圧Ｖ０は、第１の供給電圧Ｖ、と 第２の供給電圧ｖ２の間の中間である。

好ましい実施例では、電圧Ｖ１及びＶ２は等しい大きさで反対の極性である。す なわち、変換器（１０）は零ボルトの出力電圧ｖ０を生成する。しかしながら、 この変換器（１０）は、この発明の範囲から逸脱することなしに、どんな２つの 入力電圧レベルの中間のレベルの直流電圧を供給することに利用できる。

変換器（１０）の第１の実施例の構成図が、第２図に示されている。

変換器（１０）は、第１の変換器入力端子（１２）に接続された第１の母線（３ ０）と、第２の変換器入力端子（１４）に接続された第２の母線（３２）とを含 む。

第１及び第２のスイッチ又はトランジスタ（３４）、（３６）好ましくはＭＯＳ ＦＥＴは、第１及び第２の母線（３０）、（３２）間のトランジスタ接続点（３ ７）で直列に接続されている。バイポーラ・トランジスタが第１及び第２のスイ ッチとして用いられる場合には、逆電流による損傷を防ぐために、逆並列ダイオ ードが各バイポーラ。

トランジスタの両端間に接続される。

ダイオード（３８）、（４０）のような、第１及び第２の単一方向性電流導通素 子も、第１及び第２の母線（３０）、（３２）間の別の接続点又はダイオード接 続点（４１）で直列に接続され、直流電源（１５）によって供給された直流電力 に関して逆バイアスの関係になるような極性である。

変圧器（４２）の形態におけるエネルギー蓄電素子は、第１及び第２の磁気結合 された巻Ｉ！（４３）、（４４）からなり、第１及び第２の端子又は末端（４５ ）、（４６）と、第３の端子又はセンター・タップ（４８）とを有する。変圧器 （４２）は１：１の巻数比を有し、例えば単巻変圧器であり得る。第１及び第２ の端子（４５）、（４６）は、トランジスタ接続点（３７）とダイオード接続点 （４１）の間に接続されている。第３の端子又はセンター・タップ（４８）は、 変換器出力端子（１６）に接続されている。第１のコンデンサ（５２）は第３の 出力端子（２０）と第１の母線（３０）の間に接続され、第２のコンデンサ（５ ４）は第３の出力端子（２０）と第２のｆｉ！（３２）の間に接続されている。

第１及び第２のコンデンサ（５２）、（５４）は、出力リアルを減少する出力フ ィルタとして動作する。

トランジスタ・ゲート回路（５６）は、第１及び第２のスイッチ（３４）、（３ ６）を動作させる。

トランジスタ・ゲート回路（５６）の出力を示す波形図が、第３図に示されてい る。動作中、トランジスタ・ゲート回路（５６）は、トランジスタ制御導線（５ ７）、（５８）を介して第１及び第２のスイッチ（３４）、（３６）を、それぞ れ等しい時Ｈ間隔で交互にターン・オンする。短い休止期間が一方のスイッチの ターン・オフと他方のスイッチのターン・オンの間に挿入されるように、各々の スイッチ（３４）、（３６）が５０％より僅かに小さいデユーティ・ファクタで 動作することが望ましい、この休止期間は、シュート・スルー（５ｈｏｏｉｔｈ ｒｏＢｈ　）を防ぐのに十分な間隔である。

再び第２図を参照し、動作中、第１のスイッチ（３４）がオンで第２のスイッチ （３６）がオフのとき、スイッチ（３４）の電圧降下が無視されて、第１の電圧 ■１がトランジスタ接続点（３７）にあられれる０巻線（４３）、（４４）下は 等しい、したがって、ダイオード接続点（４１）の電圧Ｖｄは、■、よりも低い 、１個のダイオードの電圧降下よりも大きければ、Ｖ＋　２　（Ｖ＋−Ｖｃ）に 等しい、ここで、ＶＣは、センター・タップ（４８）の電圧である。

また、第１のスイッチ（３４）がオフで第２のスイッチ（３６）がオンのとき、 第２のスイッチ（３６）の電圧降下が無視されて、第２の電圧■２がトランジス タ接続点（３７）にあられれる、この場合、ダイオード接続点（４１）の電圧Ｖ ｄは、ｖｌよりも高い、１個のダイオードの電圧降下よりも小さければ、Ｖ　ｔ 　＋　２　（Ｖ　ｃ　Ｖ　２　）に等しい。

電圧Ｖｄは、電圧Ｖ、よりも低い、１個のダイオードの電圧降下よりも小さくな れないし、またダイオード（３８）、（４０）の存在の、ために■１よりも高い 、１個のダイオードの電圧降下を越えることもできない。

第１及び第２のスイッチ（３４）、（３６）の高速な交互のスイッチングによっ て、センター・タップ電圧Ｖｃは、第１及び第２の供給；圧■１．７２間の中間 の平均レベルで安定するだろう、すなわち、第１及び第２の供給電圧■１．７２ 間の中間のろ波忠力電圧Ｖｏが、変換器出力端子（１６）に供給される。

大電力用では、第１及び第２のスイッチ（３４）、（３６）は、５〜１０ＫＨｚ のオーダの周波数でスイッチングされる。小電力用では、スイッチング周波数は より高い。

変換器（１０）は、交流負荷〈２０）が不平衡であるときでも、第１及び第２の 供給電圧■１．７２間の中間の出力電圧を受動的に保持するだろう、なぜならば 、交流負荷（２０）の不平衡による変圧器両端間のどんな直流レベルでも、ダイ オード（３８）、（４０）のいずれか一方を通じて電流を流出させるからであろ う、すなわち、直流レベルを放電するからであろう、このことは該当スイッチが オンする度毎に生じ、したがって、フィルタ・コンデンサは１サイクル毎に充電 し放電するだろう、ピークツーピークのりプル電圧は、 Ｖ　＝　（Ｉ−Ｔ　）　／　（Ｃ＋　＋　Ｃ２）によって与えられる。

ただし、工は中性点を流、Ｔはいずれが一方のスイッチのオフ・タイム、ＣＩ及 びＣ２は出力コンデンサ（５２）、（５４）の静電容量である。

リプル電圧は、第４図に示すような、完全ブリッジ回路からなる実施例を用いる ことによって、はとんど完全に取り除くことができる。この実施例によれば、ダ イオード（３８）及び（４０）は第３及び第４のスイッチ又はトランジスタ（７ ０）、（７２）に取って代わられる。

第３及び第４のスイッチ（７０）、（７２）は、好ましくはＭＯＳＦＥＴである 。バイポーラ・トランジスタが第３及び第４のスイッチとして使用される場合に は、逆電流による損傷を防ぐために、逆並列ダイオードが各バイポーラ・トラン ジスタの両端間に接続される。スイッチ（７０）はスイッチ（３６）といっしょ に動作され、スイッチ（７２）はスイッチ（３４）といっしょに動作される。リ プルは、この実施例では唯一コンデンサ充電時間が一対のスイッチのどちらもオ ンしていないオフ期間の間であるので、減少される。この実施例の別の利点は、 スイッチ群が中性点電流を分流し、各スイッチが中性点電流の約半分の電流を流 すことである。

ＦＩＧ、　１ ＦＩＧ、　３ 補正書の翻訳文提出書く特許法第１８４条の７第１項）平成　１年　６月１３日

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. １．第１及び第２の入力端子と出力端子を有し、上記第１及び第２の入力端子間 に直流電源によって印加された直流レベル間の中間のレベルである出力電圧を上 記出力端子に供給する直流／直流電力変換器であって、上記第１及び第２の入力 端子間のスイッチ接続点で直列に接続された第１及び第２のスイッチ、上記第１ 及び第２の入力端子間のダイオード接続点で接続され、上記第１及び第２の入力 端子の間に印加された上記直流レベルに関して逆バイアスの関係にある第１及び 第２の直接接続されたダイオード、誘導結合された２つの巻線からなり、第１及 び第２の末端及びセンター・タッブを有し、上記末端が上記スイッチ接続点と上 記ダイオード接続点の間に接続され、かつ上記センター・タップが上記出力端子 に接続された変圧器、 並びに 上記第１及び第２のスイッチを等しいデューテーイファクタで交互にスイッチイ ングする手段を備えた直流／直流電力変換器。
2. ２．上記第１及び第２のスイッチがトランジスタである請求の範囲第１項記載の 変換器。
3. ３．上記トランジスタがＭＯＳＦＥＴトランジスタである請求の範囲第２項記載 の変換器。
4. ４．上記出力端子に接続されたフィルタ回路を含む請求の範囲第１項記載の電力 変換器。
5. ５．上記フィルタ回路が上記第１の入力端子と上記出力端子の間に接続された第 １のコンデンサと、上記第２の入力端子と上記出力端子の間に接続された第２の コンデンサとからなる請求の範囲第４項記載の電力変換器。
6. ６．直流電源による等しい大きさの正及び負の直流電圧の印加に応じて中性点レ ベルを供給する中性点形成変換器であって、 上記直流電源に接続された正及び負の入力端子、中性点出力端子、 上記正及び負の入力端子間のスイッチ接続点で直列に接続された第１及び第２の スイッチ、上記正及び負の入力端子間のダイオード接続点で直列に接続され、上 記直流電源によって上記正及び負の入力端子に印加された上記直流電圧に関して 逆バイアスの極性である第１及び第２の直列接続されたダイオード、第１及び第 ２の末端及びセンター・タップを有し、上記第１及び第２の末端が上記スイッチ 接続点と上記ダイオード接続点の間に接続され、かつ上記センター・タッブが上 記中性点出力端子に接続された変圧器、並びに 上記中性点出力端子のレベルが零になるように上記第１及び第２のスイッチを等 しいデューテーイ・ファクタで交互にスイッチイングする手段 を備えた中性点形成変換器。
7. ７．上記第１及び第２のスイッチがトランジスタである請求の範囲第６項記載の 変換器。
8. ８．上記トランジスタがＭＯＳＦＥＴトランジスタである請求の範囲第７項記載 の変換器。
9. ９．上記中性点出力端子に接続されたフィルタ回路を含む請求の範囲第６項記載 の変換器。
10. １０．上記フィルタ回路が上記正の電力線路と上記中性点出力端子の間に接続さ れた第１のコンデンサと、上記負の電力線路と上記中性点出力端子の間に接続さ れた第２のコンデンサとからなる請求の範囲第９項記載の変換器。
11. １１．入力端子に供給された第１及び第２の電圧から出力電圧を生成するための 電力変換器であって、上記入力端子間に接続された第１の直列結合体を形成する ように、スイッチ接続点でいっしょに接続された第１及び第２のスイッチ、 上記スイッチ接続点に接続された第１の端子と、第２の端子と、上記電力変換器 の出力端子になる第３の端子を有するエネルギー蓄電素子、 上記入力端子間に接続された第２の直列結合体を形成するように、上記エネルギ ー蓄電素子の第２の端子が転換される別の接続点でいっしょに接続された第３及 び第４のスイッチ、 並びに 上記第１及び第２の電圧間のほぼ中間の電圧が上記出力端子に生成されるように 、上記第１及び第３のスイッチと上記第２及び第４のスイッチとをほぼ等しいデ ューテーイ・サイクルで交互に動作する手段を備えた電力変換器。
12. １２．上記各スイッチがトランジスタである請求の範囲第１１項記載の電力変換 器。
13. １３．上記各スイッチがＭＯＳＦＥＴトランジスタである請求の範囲第１１項記 載の零力変換器。
14. １４．上記エネルギー蓄電素子が、誘導結合されて直列接続された第１及び第２ の巻線を有する変圧器であり、上記第１の端子が上記第１の巻線の第１の末端に 接続され、上記第２の端子が上記第２の巻線の第２の末端に接続され、かつ上記 第３の端子が上記第１の巻線の第２の末端と上記第２の巻線の第１の末端とを接 続している接続点に接続された請求の範囲第１１項記載の電力変換器。