JPH09510078A - 電気エネルギーを変換する電子回路およびそれを使用する電源装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 特にその各セルごとにコンデンサ（Ｃ１、Ｃ２、．．．、Ｃｎ）を含む多段変換器。コンデンサは、変換器内のそのそれぞれの階数に比例する公称充電電圧を有する。また、変換器は、電圧源の前記電圧（ＶＥＣｎ）を評価し、それが不十分な場合はいつでも、変換器の前記公称動作を一時停止（ｓｄ）し、電圧源の前記電圧が確立される間に、変換器のすべてのコンデンサ（Ｃ１、Ｃ２、．．．、Ｃｎ）を充電することによって始動するように前記スイッチ（Ｔ１、Ｔ’１；Ｔ２、Ｔ’２；．．．；Ｔｎ、Ｔ’ｎ）に対して作用するように編成された制御手段（ＢＴ、ＤＡ１、．．．、ＤＡｎ、ｐ ｅ２、．．．、ｐｅｎ）をも含み、その後前記制御手段が変換器の前記公称動作を確立する。

Description

【発明の詳細な説明】 電気エネルギーを変換する電子回路および それを使用する電源装置 本発明は、フランス特許出願ＦＲ２６７９７１５Ａ１号に記載されている形式 の電気エネルギーを変換する電子回路、およびそれを使用する電源装置に関する 。 例としてその特許出願に記載されている変換器(converter)を添付の第１図に 示す。変換器は本質的に、電圧源ＳＥと電流源Ｃの間に、それぞれ二つのスイッ チＴ１、Ｔ’１；Ｔ２、Ｔ’２；．．．；Ｔｎ、Ｔ’ｎを有する連続する制御可 能なスイッチイングセル(cell)ＣＬ１、ＣＬ２、．．．、ＣＬｎを含む。二つの スイッチの各スイッチの一方の電極は一対の上流電極(upstream pole)の一部を なし、各スイッチの他方の電極は一対の下流電極(downstream pole)の一部をな す。上流セルの下流電極の対は下流セルの上流電極の対に接続される。第一のセ ルＣＬ１の上流電極の対は前記電流源Ｃに接続され、一方、最後のセルＣＬｎの 下流電極の対は前記電圧源ＳＥに接続される。変換器はまた、各セルごとにそれ ぞれのコンデンサＣ１、Ｃ２、．．．、Ｃｎを含む。ただし、最後のセルのコン デンサ は、前記電圧源ＳＥが同じ役目を果たすのに適する場合は省くことができる。各 コンデンサは、そのセルの下流電極の対を構成する二つの電極の間に接続される 。変換器はさらに、変換器の公称動作(nominal operation)を制御し、任意のあ るセルの二つのスイッチが常にそれぞれ反対の導電状態（ｌｃ１などの制御リン ク(link)によって表される）になるように連続するセルのスイッチに対して作用 する制御手段（図示せず）を有する。したがって、前記制御手段によって供給さ れるセル制御信号に応答して、所与のセル内の二つのスイッチの一方が次々に第 一の導電状態になり、次いで周期的に繰り返される変換周期中に第二の導電状態 になり、かつ同じであるが前記変換周期の何分の一か（a fraction）だけ時間が ずれたセル制御信号に応答して、連続するセルのスイッチがそれぞれ同様にただ し前記周期の何分の一かだけ時間がずれて機能する。 前記周期の何分の一かは、出力に発生する調波(harmonic)に対して最適であり かつ変換器のコンデンサに充電される電圧が自然に平衡するセルの数ｎの逆数、 すなわち２π／ｎに等しいことが好ましい。ただし、その他の何らかのオフセッ ト(offset)も考えられる。 そのような変換器では、連続するコンデンサＣ１、Ｃ２、．．．、Ｃｎはそれ ぞれ増大する平均充電電圧を有する。前記各セルと関連したコンデンサの平均充 電電圧は、前記電圧源ＳＥによって供給される電圧ＶＥと変換器内のセルの数の 逆数とセルの階数(rank)との積に等しい。すなわちｎ＝３の場合、すなわち変換 器が三つのセルしか有しない場合、ＶＥ／３、２ＶＥ／３、ＶＥとなる。 以下で使用する「多段変換器(multilevel converter)」という用語は上記の説 明を満足する変換器を指す。 そのような変換器の利点は、正常動作時に、前記各スイッチに、変換器にかか る最大電圧の何分の一かしか、すなわち二つの隣接するセルの二つのコンデンサ の充電電圧間の差に対応する電圧しかかからないことである。したがって、前記 断続器(interrupter)をより安価なまたはより高速な部品によって実施すること ができる。部品が高速であれば、その動作周波数がより高く、実際最も有利であ る変換器を作成することができる。 本発明の目的は、前記電圧源が変換器に電力投入するとすぐに、前記コンデン サが迅速にそのそれぞれの前記公称充電電圧になるようにすることである。 変換器は、コンデンサの公称充電電圧が適当な値よりも大きい場合に、電流源 に余分な電流を供給し、それによってその充電電圧が公称値に戻るように動作す る。とはいえ、特に電流源を流れる電流が小さい場合、そのプロセスは比較的遅 くなる。前記電圧源が最初非活動状態(inactive)にあり、その後急に変換器の供 給電圧が確立される状態に適用した場合、スイッチは比較的長い時間異常に高い 電圧を受けることになる。 それにもかかわらず、そのような条件下でも正常動作時でも、スイッチが過度 の電圧を受けるとスイッチが破損する恐れがあるので、過度の電圧がかかるのを 一時的にでも回避することが重要である。 本発明によれば、上記の目的は以下のようにして達成される。変換器は、変換 器の電圧源の前記電圧を評価し、それが所定のしきい値よりも小さくなるとすぐ に、変換器の前記公称動作を一時停止し、電圧源の前記電圧が零と前記公称充電 電圧のうちの最低公称充電電圧との間にある値を有する間に、変換器のすべての コンデンサが充電されるように前記スイッチに対して作用するように編成された 制御手段を含む。電圧源の前記電圧が前記最低公称充電電圧を超えると、前記電 圧に公称上充電され たコンデンサが回路から除外され、電圧源の前記電圧がより高い公称充電電圧を 必要とするコンデンサを引き続き充電する。電圧源の前記電圧が隣接する高い公 称充電電圧を超えると、前記電圧に公称上充電されたコンデンサは回路から除外 され、電圧源の電圧がその他のコンデンサを引き続き充電する。これは、変換器 のすべてのコンデンサがそのそれぞれの公称充電電圧に充電されるまで繰り返さ れる。その後前記制御手段は、変換器の前記公称動作を確立する。 変換器の一実施形態では、前記制御手段は、電圧源の電圧が零から増加する場 合、前記負荷に供給される電圧が零である他の状態にある第一のセルのスイッチ を除いて、両方のスイッチが最初すべてのセル内で同時に閉じ、その後電圧源の 前記電圧が上昇すると、次の連続するセルのスイッチの対が次々に前記他の状態 になるように前記スイッチに対して作用する。 本発明はまた、そのような変換器を使用する装置、および変換器が、必要に応 じて、電圧源の電圧の前記確立が使用する変換器に適切な形で徐々に起こるよう に編成された装置を提供する。 本発明の様々な目的および特性は、非限定的な例を挙げ、添 付の図面を参照ながら行った以下の本発明の実施形態の説明からより明らかにな ろう。 上述の第１図は、周知の多段変換器の回路図である。 第２図は、本発明を実施できるように編成された、第１図の形式の多段変換器 用の制御手段の回路図である。 第３図は、第２図の回路内で使用可能な、コンデンサ充電電圧を評価する手段 の回路図である。 多段変換器については再度説明はしない。第１図の回路図は、特許文献ＦＲ２ ６９７７１５Ａ１号に記載されている形式の変換器に対応する。詳細については 同明細書を参照のこと。 第２図には、第１図の変換器のコンデンサＣ１、Ｃ２、．．、Ｃｎだけが示さ れている。 本発明によれば、これらの各コンデンサは、各コンデンサの端子の両端間の電 圧を評価することができるそれぞれの評価回路ＶＭＯ１、ＶＭＯ２、．．．、Ｖ ＭＯｎと関連している。このために、そのような各回路は、それぞれのコンデン サの二つの端子に接続され、コンデンサの端子の両端間の電圧を表わす評価信号 ＶＯ１、ＶＯ２、．．．、ＶＯｎを提供する。 第３図を参照すると、評価回路の実施形態は、コンデン サＣｋの端子の両端間に直列に接続されたインピーダンスｐｔｋ１およびｐｔｋ ２を含んでおり、コンデンサの端子の両端間の電圧の所定の何分の一かがアナロ グデジタル変換器ＡＤＣに供給され、これが各パルスｆｋに応答してデジタル電 圧値を供給し、これが信号ｇｋによってトリガされたゲート回路ＰＶｋによって 読み取られることが理解できよう。信号ｆｋおよびｇｋは、タイムベースＢＴに よって生成されることが有利である（第２図）。 本発明によれば、各コンデンサは、対応する評価回路によって受け取られたこ とが観測された充電電圧とコンデンサの公称充電電圧との電位差（もしあれば） を測定する電位差測定(defference-measuring)回路ＶＥ１、ＶＥ２、．．．、Ｖ Ｅｎともそれぞれ関連している。電位差測定回路自体はコンデンサの公称充電電 圧を計算する。この公称充電電圧は、電圧源ＳＥの電圧ＶＥと段(stage)の階数 Ｒとの積の１／ｎである。ｎは変換器内の段の数である。したがってこの回路は 値ＶＥおよび値Ｒを受け取るが、値ｎは全体として変換器について一定であり、 各回路内にハード的に設定（hard-wired）される（値Ｒも各段について一定であ り、同様にハード的に設定される）。 回路は、そこから公称充電電圧ＶＥ×Ｒｎを引き出し、それを評価した充電電 圧と比較して、前記二つの電圧間の電位差を表わす電位差信号ＶＥＣ１、ＶＥＣ ２、．．．、ＶＥＣｎを提供する。電位差信号は、電位差の有無およびその符号 だけを表わす簡単な（２ビット）論理信号である。以下に説明する理由から、コ ンデンサの充電電位差が電位差測定回路内にハード的に設定された所定のしきい 値を超えた場合に電位差信号を供給するのが有利である。 第２図の制御手段はまた、トリガ信号ｓｄ１、ｓｄ２、．．．、ｓｄｎに応答 して動作する制御モジュールＭＣ１、ＭＣ２、．．．、ＭＣｎをも含む。変換器 の各周期ごとに、タイムベースＢＴは、信号ｓｄ１を直接構成する信号ｓｄを生 成し、これはまた遅延ユニット(delay unit)Ｒ２、．．．、Ｒｎによってタイム オフセット（time-offset）信号ｓｄ２、．．．、ｓｄｎを生成する。制御モジ ュールＭＣ１、ＭＣ２、．．．、ＭＣｎの機能は本質的に、変換器のスイッチを 制御する信号ＣＴ１、ＣＴ２、．．．、ＣＴｎを活動化させるために各変換周期 中に制御パルスを生成することである。各場合ごとに、そのような各パルスの公 称持続時間は、主として電圧源に よって提供される電圧の値ＶＥと、電流源へ供給すべき電圧レベルとによって決 定される。この変換器の動作の様態については、本発明の分野外であるので詳細 には説明しない。 これらの活動レベル制御パルスはそれぞれ、スイッチＴ’１、Ｔ’２、．．． 、Ｔ’ｎのそれぞれのスイッチに直接印加されてそれを非導電性にする。各パル スはまた、それぞれのＮＯＲゲートｐｅ１、ｐｅ２、．．．、ｐｅｎへ供給され 、次いでこれが反対のレベルまたは「非活動」レベルを供給して、ＮＯＲゲート の他方の入力上のレベルと無関係に、それぞれのスイッチＴ１、Ｔ２、．．．、 Ｔｎを導電性にする。 したがって、上述のように、変換器の正常動作時、各対のＴ１、Ｔ’１；Ｔ２ 、Ｔ’２；．．．；Ｔｎ、Ｔ’ｎの二つのスイッチの状態は常に反対になる。 さらに、本発明によれば、変換器は、本質的に第２図の実施形態のタイムベー スＢＴ内にあり、変換器の電圧源の前記電圧の評価を電位差信号ＶＥＣｎの形で 連続的に受け取り、この電圧が所与のしきい値よりも小さくなるとすぐに、変換 器の前記公称動作を一時停止する制御手段を含む。 信号ＶＥＣｎは、コンデンサＣｎの充電電圧に関係するので、 同時に電圧源の電圧にも関係する。実際、この電圧は、公称値で存在し、変換器 の公称動作が実施できるか、あるいは、この電圧がその公称値では存在せず、正 常状態に復帰した際に、本発明がなければスイッチの動作電圧を超える恐れがあ るような値になる。その場合、変換器の正常動作は継続されない。このことは以 下でより明らかに理解できよう。 したがって、タイムベースＢＴは、電圧源の電圧が不十分であることを観測し た場合、信号ｓｄを発生するのを止め、代わりに直流信号ａｔを供給する。 信号ｓｄが存在しないので、信号ＣＴ１、ＣＴ２、．．．、ＣＴｎは、非活動 状態のままであり、したがってスイッチＴ’１、Ｔ’２、．．．、Ｔ’ｎが導電 性になる。 信号ａｔは、待機回路(waiting circuit)ＤＡ１、ＤＡ２、．．．、ＤＡｎ− １（図示せず）を使用可能にする。それらはそれぞれ対応する電位差信号ＶＥＣ １、ＶＥＣ２、．．．、を観測し、対応するコンデンサの平均充電電圧が電位差 信号をオフにするほどの電圧でない限り、遅延回路(delay circuit)は、隣接す る大きい階のスイッチングセルの充電制御信号ＤＲ１’、ＤＲ２’、．．．、を 対応するゲートｐｅ２、．．．、ｐｅｎ へ供給する。 したがって、各セルごとに、十分に充電されたコンデンサが一つもない限り、 スイッチＴ’２、．．．、Ｔ’ｎはすでに導電状態であり、スイッチＴ２、．． ．、Ｔｎも同様である。第１図を参照すれば、すべてのコンデンサはしたがって 電圧源の端子に並列に接続されていることが理解できよう。電圧源の電圧が確立 されるとすぐに、すべてのコンデンサはしたがって並列に充電される。 その後、コンデンサＣ１がその公称充電電圧に達すると、電位差信号ＶＥＣ１ が消失し、待機回路ＤＡ１が充電制御信号ＤＲ’１をオフにし、スイッチＴ２が 非導電性になり、したがってコンデンサＣ１の充電が阻止されるが、他のコンデ ンサについては充電が継続される。 コンデンサＣ２が十分に充電されると、対応する電位差信号ＶＥＣ２がオフに なり、待機回路ＤＡ２は信号ＤＲ２’をオフにし、したがってスイッチＴ３（図 示せず）が導通しなくなる。これは、コンデンサＣｎ−１（図示せず）が充填さ れるまで繰り返され、したがってスイッチＴｎが導通しなくなる。 最後に、コンデンサＣｎが完全に充電されると、タイムベー スが電位差信号ＶＥＣｎの消失を観測し、直流信号ａｔをオフにし、同時にまた 周期信号ｓｄを生成することによって変換器の公称動作を確立する。 上記の変形例は、コンデンサ上で個々に観測した充電電圧をそれぞれコンデン サのそれぞれの公称充電電圧と比較するのではなく、電圧源の電圧を様々な公称 充電電圧と比較することである。この変形例はより安価になる。 当然、上記のことは、電圧源の電圧が上述の動作が行われるのに十分に連続的 に確立されるという仮定に基づいている。 電源はほとんど常に電流がそれにより確立される傾斜を制限するフィルタを含 むので、この仮定は通常真である。また、電源は交流電源本線(AC power supply main)でよく、遭遇する時定数は一般に周期の１／４の程度であるすなわち、５ ０Ｈｚで５ｍｓである。これは変換器の動作周期よりもはるかに大きい値である 。 最後に、本発明によれば、電圧源の電圧が実際使用する変換器に適した形で連 続的に確立されるように、必要に応じて時定数手段を追加することが可能である 。 また、変換器内のコンデンサの充電電圧をできるだけ迅速に 評価することが望ましい。第３図を参照しながら説明した解決策は、処理をデジ タル式に行える利点を有するが、あまり速くない。分圧器ブリッジからの電圧を 基準電圧と比較して双安定電子回路を作動させるアナログの変形例を使用するこ とが好ましい。 また、回路要素の様々なパラメータのドリフトを仮定すれば、観測したコンデ ンサ充電電圧と対応する基準電圧との比較がしきい値の形で誤差のマージン(mar gin)を含むことが望ましい。この値よりも小さいと、前記電位差信号が発生しな い。 上記の説明は、純粋に非限定的な例を挙げて行ったものであり、特に数値は応 用例ごとに異なる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 メナール，テイエリー フランス国、31500・トウールーズ、リ ユ・ラバ・ドウ・サビニヤツク・57

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．特に、電圧源（ＳＥ）と電流源（Ｃ）の間に、それぞれ二つのスイッチ（Ｔ １、Ｔ’１；Ｔ２、Ｔ’２；．．．；Ｔｎ、Ｔ’ｎ）を有する連続する制御可能 なスイッチイングセル（ＣＬ１、ＣＬ２、．．．、ＣＬｎ）を含み、二つのスイ ッチの各スイッチの一方の電極が一対の上流電極の一部をなし、各スイッチの他 方の電極が一対の下流電極の一部をなし、上流セルの下流電極の対が下流セルの 上流電極の対に接続され、第一のセル（ＣＬ１）の上流電極の対が前記電流源（ Ｃ）に接続され、一方、最後のセル（ＣＬｎ）の下流電極の対が前記電圧源（Ｓ Ｅ）に接続された多段変換器であって、さらに、各セルごとにそれぞれコンデン サ（Ｃ１、Ｃ２、．．．、Ｃｎ）を含み、ただし、最後のセルのコンデンサは、 前記電圧源（ＳＥ）が同じ役目を果たすのに適する場合には省くことができ、各 コンデンサが、対応するセルの下流電極の対を構成する二つの電極の間に接続さ れ、また、任意の所与のセルの二つのスイッチが常にそれぞれ反対の導電状態に なるように連続するセルのスイッチに対して作用することによって変換器の公称 動作を制御する 制御手段を含み、したがって、前記制御手段によって供給されるセル制御信号（ ＣＴ１、ＣＴ２、．．．、ＣＴｎ）に応答して、所与のセル内の二つのスイッチ の一方が次々に第一の導電状態になり、次いで周期的に繰り返される周期中に第 二の導電状態になり、かつ同じであるが前記周期の何分の一かだけ時間がずれた セル制御信号に応答して、連続するセルのスイッチがそれぞれ同様にただし前記 周期の何分の一かだけ時間がずれて動作し、連続するコンデンサ（Ｃ１、Ｃ２、 ．．．、Ｃｎ）がそれぞれ増大する公称充電電圧を有し、前記各セル内のコンデ ンサの公称充電電圧が、前記電圧源（ＳＥ）からの電圧（ＶＥ）とセルの数の逆 数とセルの階数との積に等しい多段変換器において、変換器の電圧源の前記電圧 （ＶＥＣｎ）を評価し、それが所定のしきい値よりも小さくなるとすぐに、変換 器の前記公称動作を一時停止し（ｓｄ）、電圧源（ＳＥ）の前記電圧（ＶＥ）が 零と前記公称充電電圧のうちの最低公称充電電圧との間にある値を有する間に、 変換器のすべてのコンデンサが充電されるように前記スイッチ（Ｔ１、Ｔ’１； Ｔ２、Ｔ’２；．．．；Ｔｎ、Ｔ’ｎ）に対して作用するように編成された制御 手段（ＢＴ、ＤＡ１、．．．、ＤＡｎ、ｐｅ２、．．．、ｐｅ ｎ）を含み、電圧源の前記電圧が前記最低公称充電電圧を超えると、前記電 圧に公称上充電されたコンデンサ（Ｃ１）が回路から除外され、電圧源の前記電 圧がより高い公称充電電圧を必要とするコンデンサ（Ｃ２、．．．、Ｃｎ）を引 き続き充電し、電圧源の電圧が隣接する高い公称充電電圧を超えると、前記電圧 に公称上充電されたコンデンサ（Ｃ２）が回路から除外され、電圧源の電圧がそ の他のコンデンサを引き続き充電し、これが、変換器のすべてのコンデンサがそ のそれぞれの公称充電電圧に充電されるまで繰り返され、その後前記制御手段が 変換器の前記公称動作を確立することを特徴とする変換器。 ２．前記制御手段（ＢＴ、ＤＡ２、．．．、ＤＡｎ、ｐｅ２、．．．、ｐｅｎ） が、電圧源の電圧が零から増加する場合、前記負荷に供給される電圧が零である 他の状態にある第一のセル（Ｔ１、Ｔ’１）のスイッチを除いて、両方のスイッ チが最初すべてのセル（Ｔ１、Ｔ’１；Ｔ２、Ｔ’２；．．．；Ｔｎ、Ｔ’ｎ） 内で同時に閉じ、その後電圧源の前記電圧が上昇すると、次の連続するセル（Ｔ ２、Ｔ’２；．．．；Ｔｎ、Ｔ’ｎ）のスイッチの対が次々に前記他の状態にな るように前記スイッチに対して作用することを特徴とする請求の範囲第１項に記 載 の変換器。 ３．必要に応じて、電圧源の電圧の前記の確立が、使用される変換器に適切な形 で連続的に起こるように編成されていることを特徴とする請求の範囲第１項また は第２項に記載の変換器を使用する装置。