JP2003518898A - ステップ波電力変換装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 単相または多相ステップ波電力変換装置は、１または複数の電源からＤＣ電圧を受けるように構成された多数のトランスを含む。各トランスは、一次巻線と二次巻線を含む。これらのトランスは、それぞれ、ステップ波ＡＣ出力用のステップを供給するように構成されている。これらのトランスの一次巻線へのＤＣ電圧の入力を制御するためにブリッジ回路が与えられる。ステップ波ＡＣ出力用のステップは、前記一次巻線に供給された入力に基づいて前記二次巻線から出力される。ＤＣ電源管理回路は、どのＤＣ電源が前記ブリッジ回路のそれぞれにＤＣ電力入力を供給するかを管理する。この管理回路は、各電源の性能特性に基づいて複数のＤＣ電源の間で継ぎ目のない電力切替を提供する。選択された一次巻線への入力を変調するためにステップ波電力変換装置にパルス幅変調器を設けることもできる。このようにして、ステップ波ＡＣ出力は、理想ＡＣ波形にほぼ合うように微細に調整されることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 発明の背景 本発明は、一般に、ＤＣ電圧入力を供給する電源からの電力をＡＣ電力に変換
するステップ波電力変換装置(step wave power converter)に関する。より詳し
くは、本発明は、多段式ＤＣパワーバスからより大きな入力制御を提供するとと
もに、単相あるいは多相ＡＣ波形をより正確にシミュレーティングするためのス
テップ波電力変換装置に関する。本発明は、特に、ＤＣ電力（電源）からＡＣ電
力への電力変換に関するものとなっているが、整流器を用いることによってＡＣ
電源を容易にＤＣ電源に変換することができることに留意されたい。従って、本
発明の範囲は、ＤＣ−ＡＣ電力変換に厳密に限定されるものではない。

【０００２】 従来の特許および公報は、ＤＣ電圧入力をステップ波ＡＣ出力に変換する種々
の単相ステップ波電力変換装置について記載している。図１は、従来の電力変換
装置の一例を示す概略図である。同図において、従来の一つの単相ステップ波電
力変換装置は、ステップ波出力の各段に一つのトランス２を使用している。この
電力変換装置のそれぞれのトランス２に電力を供給するために単一のＤＣ電源が
用いられている。各トランス２は、二つの一次巻線Ｐ１，Ｐ２と一つの二次巻線
Ｓを含む三つの巻線を有している。これらの二つの一次巻線Ｐ１，Ｐ２は、四つ
のゲートＧ１−Ｇ４を介して前記ＤＣ電源に電気的に接続されている。これらの
ゲートＧ１−Ｇ４は、二次巻線ＳからのＡＣ出力のステップを生成するために、
一次巻線Ｐ１，Ｐ２を介して流れる電流を制御する。各トランス２における二つ
の一次巻線Ｐ１，Ｐ２は、ＤＣ電源に逆に接続されている点を除いて互いに同一
である。それらが逆に接続されていることから、これらの一次巻線は二次巻線Ｓ
に逆の極性の電圧を誘導する。これらのトランスの二次巻線Ｓは、直列に一体に
接続されており、それらの出力が結合されてステップ波のＡＣ出力が生成される
ようになっている。

【０００３】 動作する際は、一次巻線Ｐ１，Ｐ２を介してＤＣ電流が交互にパルス出力され
るように（脈動するように）ゲートＧ１−Ｇ４が制御される。正の極性の一次巻
線Ｐ１を介して流れる電流は、対応する二次巻線Ｓから正のステップ出力を誘導
し、一方、反対に、負の極性の一次巻線Ｐ２を介して流れる電流は負のステップ
を誘導する。すべてのトランス２の二次巻線Ｓからのステップは、加算されて全
体的なＡＣ波形を形成する。その結果、適当な時間間隔で一次巻線Ｐ１，Ｐ２を
通って流れるパルス状のＤＣ電流は、二次巻線Ｓにほぼ正確なＡＣ波形を出力せ
しめる。

【０００４】 Tomasに対して発行された米国特許第5,373,433号（以下、「Tomas」とする）
は、単一のＤＣ電源から動作する単相パワーインバータに関する技術における改
良を提供している。より詳しくは、Tomasは、単一電源から多数のトランスへの
ＤＣ電圧入力を制御するスイッチングブリッジについて開示している。各スイッ
チングブリッジは、二つの平行なラインに沿って配設された４つのスイッチを含
み、各ラインが二つの直列に接続されたスイッチを有している。これらのスイッ
チングブリッジは、所定の時点においてトランスが正（＋）、ゼロまたは負（−
）の出力電圧ステップのいずれかを生成するように制御される。Tomasによれば
、これらのトランスは、好ましくは、良好な分解能とＡＣ出力信号の広いダイナ
ミックレンジの両方を提供するために、互いに倍数となるような巻線比を有する
（第５欄第５８行ないし第６２行）。例えば、Tomasは、二次巻線からそれぞれ
±１５Ｖ、±４５Ｖ、±１３５Ｖの出力電圧を生成できる三つのトランスを有す
る単相電力変換装置について明確に開示している。すべてのトランスの二次巻線
からの出力電圧は、直列に結合される。このTomasの装置は、２７の異なる可能
な全体出力レベルのそれぞれを介して、三つのトランスから遷移(transition)ま
での電圧の寄与(contributions)のタイミングとシーケンスを制御することによ
って、かなり正確なＡＣ波形を生成する。また、直列に接続された対をなす二つ
のスイッチが同時に閉じられたとき起こるであろうＤＣ電圧入力の突発的な短絡
を防止するために、特別な検出回路も設けられている。それらの改良点にもかか
わらず、Tomasは、多数の電源や三相の動作の使用については企図していない。

【０００５】 他の従来の回路構成は、Donnelly et alに対して発行された米国特許第5,631,
820号（以下、Donnellyとする）に記載されている。Donnellyは、一次側のトラ
ンス巻線を介して流れる電流を制御するために、４つのゲートの代わりに３つの
ゲートを用いることによって、当該技術における改良を提供している。Donnelly
のスイッチングの設計は、二つの一次巻線と一つの二次巻線を有するトランスを
使用しているが、各一次巻線が（一方あるいは他方だけというよりはむしろ）正
（＋）かあるいは負（−）のステップのいずれかを生成するために用いられるこ
とができるようになっている。また、Donnellyは、複数の電源の使用を企図する
ことによって当該技術分野における改良も提供しているが、それらの性能特性に
基づいて複数の電源の継ぎ目のない統合(seamless integration)や管理(managem
ent)を提供することを欠いている。さらに、Donnellyは、各段に9個のゲートと
一つの３巻線の三相トランスを有する三相電力変換装置の回路構成をも開示して
いる。

【０００６】 また、その他の従来の特許や公報は、１または複数のＤＣ電源からのＤＣ電圧
をステップ波ＡＣ出力に変換するための三相ステップ波電力変換装置について開
示している。図２に示すように、従来の三相ステップ波電力変換装置の一例は、
多数の三相トランス４を含み、それぞれが各ステップ（段）の各相毎に三つの巻
線（二つの一次巻線Ｐ１，Ｐ２と一つの二次巻線Ｓ）を有している。各相の構成
は、図１に基づいて説明した従来の単相の構成と似ている。各トランスの各相は
、二つの一次巻線Ｐ１，Ｐ２と一つの二次巻線Ｓを有している。各相の二つの一
次巻線Ｐ１，Ｐ２は、ＤＣ電源に対して逆向きに接続されている点を除いて同一
である。各相の一次巻線Ｐ１，Ｐ２を通って流れる電流を制御するために４つの
スイッチＧ１−Ｇ４が用いられている。これらのスイッチは、対応する二次巻線
Ｓから特定の相に対するＡＣ波形のステップを生成するために、一次巻線Ｐ１，
Ｐ２を介してＤＣ電流が交互にパルス出力されるように（脈動するように）用い
られる。特定の相に対するトランスの二次巻線Ｓから出力される寄与は、直列に
一緒に結合されて当該相に対するステップ波ＡＣ波形を生成する。

【０００７】 しかしながら、残念なことに、この従来の回路構成は、各段毎に１２個のゲー
トによって制御される三つの巻線を有する三相トランス４を必須としており、嵩
張るものであった。また、各一次巻線Ｐ１，Ｐ２のそれぞれは、全体的なＡＣ波
形出力に向かう一つの正（＋）のステップあるいは一つの負（−）のステップだ
けに寄与するものであり、ＡＣ出力のステップの合計数は、当該出力を生成する
ために用いられる一次巻線の数に直接的に対応する。従って、この三相ＡＣ波形
出力においてよりよい分解能を得るためには、そのシステムにより多くのトラン
スを加えなければならず、さらに嵩張るものになってしまう。

【０００８】 以上の従来の三相ステップ波電力変換装置のそれぞれにおいて用いられている
三相トランス４は、Ｙ−Ｙ型トランス(wye-wye transformers)であり、それは一
次巻線Ｐ１，Ｐ２と二次巻線SとがＹ型に配列されていることを意味する。この
構造は、おそらく、Δ−ＹトランスにおけるΔ−Ｙdelta結線（接続）の間で生
じる電圧競合(voltage contention)を回避するために用いられているものと推測
される。

【０００９】 上記従来の各電力変換装置のさらなる欠点は、ＡＣ波形出力を形成するために
単に正（＋）および／または負（−）のブロックステップを付加している結果、
ステップ波ＡＣ出力が全体的にブロック的(blocky)であるということである。ブ
ロック的なＡＣ波形は、多くの応用例において受け入れ可能ではあるが、素早く
切り替えられるＡＣ電源装置を用いて電力が供給されるとより良くかつ最後まで
長く動作するコンピュータやテレビなどの多くの現代的な電子装置での使用には
、余り望ましいものではない。

【００１０】 したがって、産業界では従来のステップ波電力変換装置に関していくつかの問
題に直面している。とりわけ、産業界は、多数の電源の性能特性に基づいて多数
の電源から継ぎ目なく電力を統合することができなかった。また、産業界は、理
想的なＡＣ波形により近似したステップ波ＡＣ出力を生成することもできなかっ
た。さらに、産業界は、より効率的な方法で三相ステップ波ＡＣ出力を生成する
こともできなかった。さらにまた、産業界は、一次トランス巻線の数を増やすこ
となく三相ステップ波電力変換装置からのＡＣ波形出力の分解能を高めることも
できなかった。さらにまた、産業界は、他の電源が使用不可能な状態になったり
ＯＦＦになった際に一つの電源が複数のトランスに選択的に電力を供給できるよ
うにすることに成功しなかった。また、産業界は、電力グリッド（パワーグリッ
ド）に対する逆給電（バックフィード／backfeed）を防止することや変換機に接
続されているＤＣ電源に、当該変換機に接続されている他の電源から充電させる
こともできなかった。

【００１１】 従って、産業界は、複数の電源間で継ぎ目のない統合を提供するステップ波変
換方法および装置によって利益を享受できるであろう。また、産業界は、理想Ａ
Ｃ波形により近似したステップ波ＡＣ出力によってもさらに利益を享受できるで
あろう。産業界は、さらに、より効率的なステップ波電力変換装置を必要として
いる。また、産業界は、ＤＣ電圧を簡単な回路構成で高い分解能を有する三相電
力出力に変換する方法によっても利益を享受できるであろう。また、産業界は、
さらに、他の電源が使用不能な状態になった際に一つの電源が多数のトランスに
選択的に電力を供給することを可能にするステップ波電力変換装置をも必要とし
ている。産業界でさらに必要としているのは、電力グリッドに対する逆給電を防
止するとともに、電力変換装置に接続された蓄電能力(storage capability)を有
するＤＣ電源に当該電力変換装置に接続された他の電源から充電されるようにす
ることを可能にすることである。

【００１２】 発明の概要 以上の産業界の必要性に鑑み、本発明の一つの目的は、複数の電源からそれら
の性能特性に基づいて継ぎ目なく電力を統合することにある。

【００１３】 本発明の他の目的は、理想のＡＣ波形により近似したステップ波ＡＣ出力を生
成することにある。

【００１４】 本発明の別の目的は、より効率的な方法で三相ＡＣ電力出力を生成することに
ある。

【００１５】 本発明のさらに別の目的は、トランス部品の数を増やすことなく三相ステップ
波電力変換装置からのステップ波電力出力の分解能を高めることにある。

【００１６】 本発明のさらに別の目的は、１または複数の電源が使用不能になった際に一つ
の電源が多数のトランスに選択的に電力を供給できるようにすることにある。

【００１７】 本発明のさらに別の目的は、ＤＣ電力バスから入力電力グリッドまでの逆給電
を防止するとともに、電力変換装置に接続されたいずれかのＤＣ電源が当該電力
変換装置に接続された他のいずれかの電源から充電されることを可能にすること
にある。

【００１８】

【課題を解決するための手段】

本発明は、ＤＣ電力入力をステップ波ＡＣ出力に変換するための改良されたス
テップ波電力変換装置を可能にすることによって、当該技術分野における重要な
改良を提供する。本発明のこの電力変換装置は、多数の電源からＤＣ電圧が入力
されるように構成された複数のトランスを有している。各トランスは、一次巻線
と二次巻線とを有している。このトランスは、それぞれ、ステップ波に対するス
テップを供給するように構成されている。これらのトランスの一次巻線へのＤＣ
電力の入力を制御するためにブリッジ回路が与えられる。ステップ波ＡＣ出力の
ためのステップは、一次巻線に提供された入力に基づいてトランスの二次巻線か
ら出力される。電源管理回路は、どの電源がブリッジ回路のそれぞれにＤＣ電圧
を供給するかを管理する。この電源管理回路は、各電源の性能特性に基づいて、
複数の電源の間で継ぎ目のない電力切替を提供する。このステップ波ＡＣ出力は
、単相または多相ＡＣ出力とすることができる。選択された一次巻線への入力を
変調するために、ステップ波電力変換装置にパルス幅変調器を設けることもでき
る。このようにして、ステップ波ＡＣ出力がほぼ理想ＡＣ波形に合うように微細
に調整される。

【００１９】 本発明の一実施形態に係る三相ステップ波電力変換装置は、多数の三相トラン
スを含む。各三相トランスは、一次および二次巻線を有する。これらの三相トラ
ンスは、それらの一次巻線に、１または複数の電源からＤＣ電圧を受ける（受電
する）とともに三相ステップ波の各相に対して１または複数のステップを供給す
るように構成される。複数のブリッジ回路も与えられ、該回路のそれぞれは並列
に配設された多数のゲートの対から構成される。各トランスの一次巻線の両端部
は、対応するブリッジの別のゲートの対のゲート間に接続される。各ブリッジ回
路は、それによってその対応するトランスの一次巻線を介して流れる電流を制御
するように構成される。好ましくは、これらのトランスは、一次巻線がΔ型に結
線されるとともに二次巻線がＹ型に配置されるΔ−Ｙ構成を有するように構成さ
れている。このように構成されると、Δ型一次巻線構成とＹ型二次巻線構成との
間の電圧変換の特性を管理することによって、三相ステップ波ＡＣ出力の分解能
を高めることができる。

【００２０】 三相ステップ波電力変換装置からの三相ステップ波ＡＣ出力を高める方法も提
供される。三相ステップ波電力変換装置は、一次および二次巻線を有する多数の
三相トランスを有しており、各トランスはΔ−Ｙ構成で設けられている。この方
法は、ステップ波電力変換装置への１または複数のＤＣ電圧を受けることによっ
て開始する。三相ステップ波ＡＣ出力のステップは、一次巻線へのＤＣ電圧入力
のタイミングとシーケンシングを制御することによって二次巻線から生成される
。このΔ−Ｙ変換の電圧位相特性は、三相ステップ波ＡＣ出力におけるステップ
の数を増やすことで管理することができる。

【００２１】 本発明の他の実施形態は、上述したものと同様のステップ波電力変換装置を提
供するが、当該電力変換装置は、１または複数の他の電源が使用不可能な状態や
動作不能状態やオフライン状態になった際に、電源の一つが２またはそれ以上の
トランスに電力を供給できるようにするクロスタイ回路(cross-tie circuitry)
を含む。このクロスタイ回路は、２またはそれ以上のＤＣバスの間におけるゲー
ト接続を含む。各電源は、さらに、入力システムから直ちに非接続にすることを
可能にするカットオフゲート(cut-off gate)を備えることができる。

【００２２】 本発明のステップ波電力変換装置のさらに別の実施形態は、電源の少なくとも
一つを入力電力グリッドから絶縁して当該グリッドへのバックフィードを防止あ
るいはゲートする絶縁スイッチを含む。この絶縁スイッチは、電源のそれぞれに
設けて、各電源を他の電源と入力パワーグリッドから絶縁することができること
に留意されたい。電源のそれぞれが他の電源から絶縁されると、ＤＣ電源のいず
れかが他の電源から充電されることができるように両方向に導通可能な回路をさ
らに設けることもできる。絶縁された電源を設けることにより、ＤＣ電力が整流
された可変周波数電圧入力によって供給されるようにすることもできる。

【００２３】 最後に、ステップ波電力変換装置からのステップ波ＡＣ出力の特性を高める方
法が提供され、その方法では、ＤＣ電圧がステップ波電力変換装置に供給される
。ＤＣ電圧は、複数のステップ波ＡＣ出力に変換される。重要なことは、ステッ
プ波ＡＣ出力が理想ＡＣ波形により近似するようにＤＣ入力電圧がパルス幅変調
されることである。この方法は、ＤＣ入力電圧が複数のトランスに提供される際
、および一方他の１または複数のトランスの入力を常時ＯＮまたはＯＦＦ状態に
保持しながら選択された１または複数のトランスに対する入力電圧がパルス幅変
調される際に、特によく作動する。これは、理想ＡＣ波形にほぼ合ったステップ
波ＡＣ出力の微細な調整を可能にする。

【００２４】 上述した特徴や効果は種々の方法で組み合わせることができ、以上の明記され
た組み合わせに限定されるものでないことは、当業者であれば、直ちに理解でき
よう。また、本発明の上述したあるいは他の目的、特徴および効果は、添付図面
に基づいた以下の本発明の好適実施形態の説明からより明らかとなるであろう。

【００２５】 好ましい実施の形態の詳細な記述 この発明のステップ波電力変換器（ＳＷＰＣ）は、従来の電力変換器を越える
広範囲の使用を可能とする独特のプラットホームの周りに設計される、革新的な
電力変換器である。これらの使用は、１つのＤＣ電源（DC source）からＡＣ電
力（AC power）に変換する通常のタスク以上に拡大する。そのような使用の一例
は、それぞれが最適効率で作動できるように電源毎に絶縁しているが、１つのＳ
ＷＰＣを通しての多電源の連結、統合および管理制御を含む。ＳＷＰＣに接続さ
れる電源は、ディーゼル発電機やガス発電機、風力タービン、太陽光電池（ＰＶ
）セルアレイ、水力発電機、バッテリ、ガスタービン発電機、燃料電池などを含
み得る。そのような使用の他の例は、バックアップ電源供給システムを備える電
源供給の統合、分離、および管理を含む、バックアップ電力供給システムである
。さらに他の使用例は、分散型発電モードに設置される発電機の電力を管理する
ことである。さらに別の使用例は、グリッド端部と線間電圧および電源の品質規
制における使用である。さらなる使用例は、基準の６０Ｈｚまたは特別の（カス
タマイズされた）周波数規制と、要求次第で負荷されるグリッドまたはオフグリ
ッド（off-grid）に無効電力給電する能力と、各適用例に対して、必要に応じて
、カスタマイズされ、最適化されるプログラム可能なマイクロプロセッサコント
ローラの供給とを含む。

【００２６】 本発明の特定の実施形態が、より詳細に記述される。図３は、本発明の一実施
形態における多電源からＤＣ電圧入力を受電し、管理するための単相ステップ波
電力変換器の概略図である。この実施形態によれば、ＤＣバス５は、複数の電源
から電力を受電し、それをＤＣ電圧入力として１以上のブリッジ回路１０に供給
する。好ましくは、各ブリッジ回路１０は、４つのＩＧＢＴ切換ゲートＧ１〜Ｇ
４を有する絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）モジュールから成る
。それらの切換ゲートは、制御ボードからの信号に応じて駆動（ドライバ）ボー
ドによって制御される。好ましくは、各ＩＧＢＴ切換ゲートＧ１〜Ｇ４は、ショ
ート（短絡）電流が流れ得るように、それぞれ逆並列（アンチパラレル）ダイオ
ードＤ１〜Ｄ４に適合される。ＩＧＢＴ切換ゲートが好ましいけれども、そのゲ
ートは、ＨＥＸＦＥＴ（登録商標）または他の半導体電源切換装置と、対応する
逆並列ダイオードを含むこともできる。この実施形態では、１つの二巻線（１つ
の一次巻線Ｐと１つの二次巻線Ｓ）トランス１５が各ステップのために用いられ
る。

【００２７】 ４つのゲートブリッジ１０を用いる単相短絡は、正の入力（正のトランジスタ
）の２つのゲートＧ１およびＧ２、または負の入力（負のトランジスタ）の２つ
のゲートＧ３およびＧ４を閉じる（接続する）ことを含む。この方法でゲートを
閉じることは、短絡電流が短絡されたトランス１５の１つのダイオードと１つの
ゲートに流れることを可能にし、それによって、短絡されたトランスの一次巻線
Ｐ間にゼロ（０）電位を課す。短絡は、トランスの巻線比条件に影響を与えない
で、電源供給が動的にトランスに加えられ、あるいは取り除かれることを可能に
するために重要である。

【００２８】 図４は、図３を参照して上述したようなステップ波電力変換器からの単相ステ
ップ波ＡＣ出力の生成を示す。図４において、ステップ波ＡＣ出力は、次のよう
に生成される。４つのトランスを有する１つのステップ波電力変換器において、
各トランスは、その一次巻線に入力される電圧とトランス巻線比に従って、その
二次巻線からの出力を生成する。これらの出力のそれぞれは、全ＡＣ出力の基礎
単位、すなわちステップを形成する。すべての二次トランス巻線の出力は、ＡＣ
サイン波をシミュレートするためにともに直列に加えられる。

【００２９】 一般に、ステップ波出力を生成するプロセスは、指定時に連続して各トランス
をオンし、それらを連続的にディアクティブにする前の所定時間そのままオン状
態にしておくことによって進行する。特に、このプロセスは、ゼロ基準時ｔ０に
おいて第１のトランスをオンすることによって開始する。第１のトランスの駆動
は、ステップ波出力のステップ１をアクティブにする。ステップ１は、他のステ
ップが加えられている間アクティブにされたままである。時刻ｔ１の第１のポイ
ントにおいて、第２のトランスがオンされ、その電圧出力は、第１のトランスの
出力と合成され、それによって、ステップ２をアクティブにする。同様に、時刻
ｔ２の第２のポイントにおいて、第３のトランスがオンされ、その電圧出力は、
ステップ波出力のステップ３をアクティブにするために、他のトランスの出力に
加えられる。また同様に、時刻ｔ３の第３のポイントにおいて、第４のトランス
は、ステップ４をアクティブにするために、オンされる。

【００３０】 後の指定時刻において、ステップ波生成プロセスは、ＡＣ波形をステップダウ
ン（後退）するために反転される。これは、時刻ｔ４、ｔ５、ｔ６、およびｔ７
の第４、第５、第６、および第７のポイントにおいてトランスを連続的にオフす
ることによって達成される。好ましくは、トランスをオフすることは、上述のよ
うなトランスの一次巻線間の電圧を短絡することを含む。この反転プロセスが任
意の順序でトランスをオフすることによって進行できるけれども、好ましい方法
は、トランスがアクティブにされた順序でそれらをディアクティブにすることに
よって進行する。従って、第１のトランスがまずディアクティブにされ、第２の
トランスが次にディアクティブにされるというように順次ディアクティブにされ
る。特に、ステップ１は、時刻ｔ４の第４のポイントで第１のトランスをオフす
ることによってディアクティブにされる。ステップ２は、第２のトランスをオフ
することによって、時刻ｔ５の第５のポイントでディアクティブにされる。同様
に、ステップ３は、第３のトランスをオフすることによって、時刻ｔ６の第６の
ポイントでディアクティブにされる。最後に、ステップ４は、第４のトランスを
オフすることによって、時刻ｔ７の第７のポイントでディアクティブにされる。
トランスがアクティブにされた順序でそれらをディアクティブにすることによっ
て、トランスのデューティサイクルのバランスが達成される。

【００３１】 図示されないが、すべてのトランスがオフされた後に、波形構築プロセスは、
ＡＣサイン波の後の１８０°（あるいは負の半波）を構築するために繰り返され
る。負の半波形を生成するプロセスは、電圧の極性を負にすることを除いて、上
述の正の半波形の場合と同様である。

【００３２】 図３において、ＡＣ波形の正のステップは、ブリッジ回路の１つにおける第１
の正のスイッチＧ１と第２の負のスイッチＧ４を閉じることによって生成される
。ＡＣ波形の負のステップは、ブリッジ回路の１つにおける第１の負のスイッチ
Ｇ３と第２の正のスイッチＧ４を閉じることによって生成される。トランス一次
巻線Ｐの分路は、正のスイッチＧ１およびＧ２の両方か、負のスイッチＧ３およ
びＧ４の両方のいずれかを閉じることによって生成される。

【００３３】 要約すれば、図４のシミュレートされたＡＣ波形のステップは、指定時刻にお
いて多数のトランスの一次巻線に入力されるＤＣ電圧を連続的に使用可能または
使用不能にすることによって生成される。いくつかの実施形態では、各ステップ
は、ただ１つのトランスの電圧寄与から形成されてもよい。しかしながら、他の
実施形態では、各ステップは、２以上のトランスの電圧寄与から形成されてもよ
い。

【００３４】 ステップ波ＡＣ出力の電圧制御は、各トランスに関連したデューティサイクル
と同様に、所定の時刻においてアクティブにされるトランスの数を変えることに
よって確立される。また、トランスは、トランスの総数よりも少ない数のトラン
スで定格出力電圧を生成できることを保証するために一定の大きさに作られ得る
。さらに、ステップを加え、あらゆる所定のステップのデューティサイクルを変
えることによって、広範囲の出力電圧を得ることができる。なお、ステップ幅は
、適切な波形とＲＭＳ（２乗平均）電圧を生成するために変更され得る。

【００３５】 多数の電源がステップ波電力変換器に提供されるとき、変換器内のあらゆる数
のトランスに電源のいずれかを相互接続する能力を維持することが、時々望まし
い。従って、本発明の好適実施形態によれば、ＳＷＰＣに接続された各電源は、
バイパススイッチで供給される。バイパススイッチは、ＳＷＰＣが異常な電源の
スイッチを切ることを可能にする。さらに、バイパススイッチは、ＳＷＰＣがグ
リッドへの逆給電を防止するのを可能にする。バイパススイッチは、図５Ａに示
されるような電源入力線にカットオフゲートを供給することによって、あらゆる
ＳＷＰＣ構成に追加され得る。これは、グリッド電源のゲーティング機構が必要
なときにふさがされるのを可能にする。もう一つの保護層は、以下に示されるク
ロスタイ（cross-tie）アプローチを用いて達成され得る。

【００３６】 図５Ａは、多数のトランスを持つ多電源を相互接続するためのクロスタイ回路
構成を含む追加のＤＣ電源管理回路の構成を示す。クロスタイ回路構成では、ス
テップ波電力変換器は、ＤＣバス５間にクロスタイと呼ばれるゲート相互接続を
提供される。相互接続のゲートは、クロスタイゲートとして言及される。上述の
カットオフゲートは、他の電源およびグリッドからその電源を絶縁するために、
各電源の正および負の入力ライン上に含まれる。通常の運転では、クロスタイゲ
ートは、電源カットオフゲートは、ＤＣバス間の絶縁を提供するために開放して
いる間、電力が各電源から供給されるのを可能にするために閉じられる。しかし
ながら、電源の１つが破損し、あるいは接続をたたれるとき、性能が低下したＤ
Ｃバス５が感知される。破損を生じた電源からの電力のさらなる寄与を隔離し、
防ぐために、破損電源に関連するカットオフゲートが開放し、まだ機能する電源
が破損を生じた電源のためにＤＣバス５へ電源を供給するのを可能にするために
、クロスタイゲートが閉じる。この制御モードは、電源間の絶縁を依然として維
持しつつ、電源間の継ぎ目のない転送を保証する。図５Ａではただ２つの電源を
示すだけであるが、この実施形態がかなり多くの電源およびクロスタイ装置を含
むように拡大可能である。それため、３以上の電源がこの図に追加され得る。

【００３７】 本発明のもう一つの実施形態によって実現される技術的改良は、絶縁した電源
間の双方向回路の設置から生じる。絶縁電源間の双方向回路は、本発明のＳＷＰ
Ｃに、ＳＷＰＣに接続されるあらゆる他の電源からＳＷＰＣに接続されるあらゆ
るＤＣ電源を充電する能力を与える。換言すれば、この回路は、いずれのＤＣバ
ス５においても双方向能力を可能にするが、互いからの絶縁を維持する。例えば
、バッテリと光電池（ＰＶ）セルアレイが電源の２つを含むＳＷＰＣでは、バッ
テリは、該バッテリからのアレイの絶縁を未だ維持している間、ＰＶアレイから
充電され得る。これは、重要なイノベーション（革新）である。なぜならば、バ
ッテリは、ＰＶ最大ソケット電圧が変動している間、比較的一定電圧に留まるこ
とができるからである。

【００３８】 絶縁されたＤＣバスの使用によって提供されるさらなる利点は、回転のあらゆ
る組み合わせの可変速度操作、または固定電源生成手段を可能にする本発明のＳ
ＷＰＣの能力である。例えば、可変速度ディーゼル、可変速度風車タービン、お
よびＰＶアレイはすべて、各ＤＣバス間で絶縁が維持されるとき、１つのＳＷＰ
Ｃを通して駆動され得る。換言すれば、ディーゼルの整流されたＤＣバスが風車
タービンおよびＰＶアレイの整流されたＤＣバスから絶縁されるとき、各電源は
、他の電源に干渉することなく、あらゆる望ましい速度または電圧レベルにおい
て作動できる。

【００３９】 図５Ｂは、本発明の他の実施形態を示す。それは、同じく、電源管理回路を通
して多数の電源管理を提供するように構成される。そのような一実施形態は、各
ＤＣバス５に結合される多数の高周波数入力変換器を含み、別の実施形態は、組
み合わされた多数の入力変換器を含む。各ＤＣバス５に結合される２以上の高周
波数入力変換器を用いることによって、各入力は、望まれる全体システムへの電
源と同等に寄与してもよい。図５Ｂに示される上部の回路は、各ＤＣバス５に結
合される多数の高周波数入力変換器を示す。この実施形態では、多数の電源のそ
れぞれからの電源入力は、パルス幅変調回路も含み得る別の絶縁回路を通して駆
動される。入力電源の１つ、すなわち、入力＃１は、入力電力供給網であり得る
。すべての絶縁回路からの出力は、互いに結合され、ＤＣバス５に供給される。
各ＤＣバス５は、トランスに電力を供給するために用いられ得る。トランスは、
ＤＣバスからＤＣ電圧入力を受電する。それは、絶縁回路を通して入力電力供給
網を含む１以上の電源から電力を受電する。それによって、絶縁回路は、ＤＣバ
スからグリッドへの逆給電（backfeed）を妨げるために、入力電力供給網からＤ
Ｃバスを絶縁することができる。

【００４０】 図５Ｂの底部に示される回路は、ＤＣバス５に結合される、連結された多数の
入力変換器を示す。この変換器では、多数の高周波数ＤＣ／ＤＣ、ＰＦＣ、およ
びＡＣ／ＤＣ変換器の多数の電源からの入力は、共通ＤＣバス５に変換されても
よい。適切なフィードバック制御を提供することによって、各入力は、インバー
タにおいて用いられる電力の調整された部分を供給することができる。各入力に
よって供給される電力の一部は、制御ボードによって調整され得る。また、この
特徴は、多数の入力を持つ１つの高周波数変換器回路に組み込婿とができ、それ
は制御を同期させかつ構成部品を減らすことになる。

【００４１】 多数の電源の管理は、電源のいくらかまたはすべてが光電池セル、風車タービ
ンなどのような不均一の電源出力を生成する場合、特に有益である。本発明によ
れば、そのような電源は、その耐力が高いときは多大な電力を供給するために用
いられ得るが、そのような電源が弱くなるときはあまり多くの電力を供給しない
ために用いられ得る。各入力変換器の制御信号は、各電源から伝えられる電力量
を決定する。それによって、この実施形態は、入力電源間の「柔軟な」転送を容
易にする。電源がそのシステムに接続されるか、あるいは切り離される場合の「
激しい」電力転送とは異なり、「柔軟な」電力転送は、各電源が各トランスへの
電力の望ましい割合に寄与することを可能にする。また、本発明は、システムに
接続されあるいはシステムから接続をたたれるときに電源がゆっくりと制御され
る（ramped-in or ramped-out）のを可能にし、それは、電圧ノイズを避け、よ
り均一な電源供給を提供するのを助ける。このタイプの多電源制御は、単相また
は三相電力変換器のいずれかで利用され得る。

【００４２】 本発明のもう一つの実施形態は、特に三相ステップ波電力変換器に関して技術
的改良を提供する。この実施形態は、図６に示される独特のＳＷＰＣ構成である
。図６は、改良ブリッジアーキテクチャ２０とΔ−Ｙトランス２５とを含む三相
ステップ波電力変換器の概略図である。特に、この実施形態は、多数の三相トラ
ンス２５から成る独特のステップ波電力変換器トポロジー（配置）を利用する。
各トランスは、Δ配置の一次巻線ＰＡ、ＰＢおよびＰＣと、Ｙ配置の二次巻線Ｓ
Ａ、ＳＢ、ＳＣで配列される。各トランスの一次巻線ＰＡ、ＰＢ、ＰＣへの電圧
供給（voltage flow）は、ブリッジ回路２０に配列される６つのゲートＧ１〜Ｇ
６によって制御される。１以上の電源が、それぞれのＤＣバス５を通してブリッ
ジ回路２０に電源を供給するために用いられ得る。ブリッジ回路２０の各ゲート
Ｇ１〜Ｇ６は、短絡電流が流れるのを可能にするために、逆並列ダイオードに適
合された１つの絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）を含む。この新
しい配置の主要な利点は、９または１２個のゲートおよび従来技術のより複雑な
トランス配置よりもむしろ、（位相毎に１つの一次巻線と１つの二次巻線のみを
有する）ステップ毎にたった６つのゲートＧ１〜Ｇ６と１つの三相トランス２５
のみを必要とすることである。

【００４３】 上述のように、本実施形態の各三相トランス２５の一次巻線間の接続は、Δ形
状に配列される。各三相トランス２５は、各位相に、１つの一次巻線ＰＡ、ＰＢ
、またはＰＣと、１つの二次巻線ＳＡ、ＳＢ、またはＳＣとを含む。Δ配置では
、１つのトランス２５の、位相Ａの一次巻線ＰＡの第１の端点（端部）と位相Ｃ
の一次巻線ＰＣの第２の端点とが互いに連結され、第１の直列接続ゲート対の２
つのゲートＧ１とＧ４との間のトランスのブリッジ回路２０に接続される。同様
に、位相Ａの一次巻線ＰＡの第２の端点と位相Ｂの一次巻線ＰＢの第１の端点と
が互いに連結され、第２の直列接続ゲート対の２つのゲートＧ２とＧ５との間の
ブリッジ回路２０に接続される。最後に、位相Ｃの一次巻線ＰＣの第１の端点と
位相Ｂの一次巻線ＰＢの第２の端点とが互いに連結され、第３の直列接続ゲート
対の２つのゲートＧ３とＧ６との間のブリッジ回路２０に接続される。各三相ト
ランス２５の二次巻線ＳＡ、ＳＢ、ＳＣは、同位相のすべての二次巻線ＳＡ、Ｓ
Ｂ、またはＳＣ連続して互いに接続されている状態で、Ｙ形状に配列される。

【００４４】 ６つのゲートブリッジ２０を用いる三相トランス２５の動作がより詳細に記述
される。トランスの一次巻線ＰＡ、ＰＢ、ＰＣ間の電圧は、対応する二次巻線Ｓ
Ａ、ＳＢ、ＳＣを通して、各位相Ａ、Ｂ、ＣのためのＡＣ波形出力のステップを
誘発するために制御される。各トランス２５は、各位相のＡＣ出力に１ステップ
を直接的に寄与する。特に、電圧が位相の１つに対応するトランスの一次巻線に
印加されるとき、対応する二次巻線は、ＡＣ出力の位相のための１つのステップ
を生成する。さらに、単相の実施形態と同様に、電圧は、一次巻線を分路するた
めに、三相トランス２５の１以上の一次巻線間で短絡される。６つのゲートブリ
ッジ２０を用いる三相短絡（すなわち、三相すべての短絡）は、３つの正のトラ
ンジスタＧ１〜Ｇ３、あるいは３つの負のトランジスタＧ４〜Ｇ６を閉じること
を含む。３つのゲートのいずれかのセットを閉じることは、０電位が短絡したト
ランスの３つの一次巻線ＰＡ、ＰＢ、ＰＣ間に課されるように、短絡電流がダイ
オードとゲートの組み合わせを通して流れることを可能にする。

【００４５】 さらに、トランス２５の一次巻線ＰＡ、ＰＢ、ＰＣのそれぞれは、電位を有し
、あるいは６つのゲートＧ１〜Ｇ６の動作に基づいて異なる時刻で分路されても
よい。例えば、位相Ａの一次巻線ＰＡは、２セットのゲートＧ１、Ｇ５またはＧ
２、Ｇ４のいずれかが閉じられるときにオンされる。第１の正のゲートＧ１と第
２の負のゲートが閉じられるとき、位相Ａの一次巻線ＰＡに正極電圧が印加され
る。逆に、第２の正のゲートＧ２と第１の負のゲートＧ４が閉じられるとき、位
相Ａの一次巻線ＰＡに逆極電圧が印加される。しかしながら、位相Ａの反対の端
点に接続される２つの正のゲートＧ１、Ｇ２と２つの負のゲートＧ４、Ｇ５のい
ずれかが閉じられるとき、位相Ａは、短絡され、オフされる。同様に、位相Ｂの
一次巻線ＰＢは、ゲートＧ２、Ｇ６とＧ３、Ｇ５の２セットのいずれかがオンの
とき、オンである。第２の正のゲートＧ２と第３の負のゲートＧ６が閉じられる
とき、正極電圧が、位相Ｂの一次巻線ＰＢに印加される。第３の正のゲートＧ３
と第２の負のゲートＧ５が閉じられるとき、逆極電圧が、位相Ｂの一次巻線ＰＢ
に印加される。反対の端点に接続される、２つの正のゲートＧ２、ｇ３と２つの
負のゲートＧ５、Ｇ６のいずれかが閉じられるとき、位相Ｂの一次巻線がオフさ
れる。位相Ｃについても同様である。第３の正のゲートＧ３と第１の負のゲート
Ｇ４が両方閉じられるとき、正極電圧が、位相Ｃの一次巻線ＰＣに印加される。
第１の正のゲートＧ１と第３の負のゲートＧ６が閉じられるとき、逆極電圧が、
位相Ｃの一次巻線ＰＣに印加される。最後に、その端点に接続される、２つの正
のゲートＧ１、Ｇ３と２つの負のゲートＧ４、Ｇ６のいずれかが閉じられるとき
、位相Ｃの一次巻線ＰＣがオフされる。

【００４６】 各位相のための望ましいステップを生成するために、ゲートＧ１〜Ｇ６がかな
り多くの組み合わせで制御されてもよいことを認識されたい。従って、ブリッジ
回路２０の６つのゲートＧ１〜Ｇ６を制御することによって、正または負極の、
あるいは０電位のいずれかの電圧が、各位相のための一次巻線に印加され得る。
この方法では、全体のＡＣ波形への望ましい寄与が、ブリッジ回路２０の制御に
基づいて、位相の対応する二次巻線から出力され得る。

【００４７】 図７Ａは、図６を参照して上述されるような、三相ステップ波電力変換器（Ｓ
ＷＰＣ）の詳細な概略図である。図７Ｂは、図７ＡのＳＷＰＣのトランスの配置
の拡大図である。図７Ａにおいて、ＩＧＢＴモジュールは、三相トランスの一次
トランス巻線へのＤＣ電力の制御のために、ブリッジ回路２０を提供する。電源
からＤＣバス５へ電力が供給される。ＤＣバス５は、各ＩＧＢＴモジュール２０
の端子ＮとＰにＤＣ電圧入力を供給する。ここで、端子Ｎは、ＤＣ負端子であり
、端子Ｐは、ＤＣ正端子である。各ＩＧＢＴモジュール２０は、その３つの出力
端子Ｕ、Ｖ、およびＷから３つの別々の出力Ａ、Ｂ、およびＣを生成する。これ
らの出力は、三相ＡＣ出力のＡ、Ｂ、およびＣのための基礎単位である。

【００４８】 本実施形態では、３つの位相のそれぞれのためのステップ（あるいは基礎単位
）を生成するために、ＤＣ電圧入力が４つの三相トランス２５の一次トランス巻
線に印加されるときを制御するために、４つのＩＧＢＴモジュール２０が用いら
れる。もちろん、４つよりも多くあるいは少ないＩＧＢＴモジュール２０および
トランス２５が用いられてもよい。ＩＧＢＴモジュール２０とトランス２５の割
合は、典型的に、１：１である。各三相トランス２５は、（各位相のために）３
つの一次巻線と３つの二次巻線を含む。同じく、本実施形態では、各ＩＧＢＴモ
ジュール２０は、１つの独立したＤＣ電力バス５から電力を供給される。それら
は、自らの電源（電源１〜４）に接続される。しかしながら、本発明の他の実施
形態に関連して上述されたように、かなり多くの電源が１以上のＤＣバス５に接
続されてもよいことを認識されたい。

【００４９】 ＩＧＢＴモジュール２０は、三相ＡＣ波形のステップを生成するために、対応
するトランス２５の一次巻線間でＤＣバス５からの電流の流れを統制する。４つ
のＩＧＢＴモジュール２０はそれぞれ、制御ボード２４によって順番に制御され
る４つのドライバボード２２の１つによって制御される。より詳細には、制御ボ
ード２４乗に存在する１つの制御アルゴリズムは、適当な時刻に４つのＩＧＢＴ
モジュール２０のそれぞれの内部のゲートをアクティブにするために順番に信号
を送る、４つのドライバボード２２のそれぞれに送られる信号を制御する。それ
によって、制御アルゴリズムは、ステップ波ＡＣ出力を生成するために望ましい
順番でＩＧＢＴの駆動を制御する。

【００５０】 図７Ｂにおいて、ＩＧＢＴモジュール２０からの出力Ａ、Ｂ、およびＣは、そ
の中の電圧を制御するために、対応する三相トランスＴ１〜Ｔ４の一次巻線ＰＡ
、ＰＢ、ＰＣに送られる。各トランスＴ１〜Ｔ４は、対応する一次巻線ＰＡ、Ｐ
Ｂ、ＰＣを通して流れる電流に基づいて、二次巻線ＳＡ、ＳＢ、ＳＣから各位相
用の１つのステップを直接的に生成する。４つのトランスＴ１〜Ｔ４は、連続し
て互いに接続される同位相の二次巻線を有するように構成される。また、３つの
位相は、各二次巻線についてＹ形状に接続される。

【００５１】 上述のように、本実施形態の三相ステップ波電力変換器は、図７Ａに示される
ような３つのタイプのコントローラを含む制御回路を有する。制御ボード２４は
、すべてのプログラムされた情報を有し、制御システム（制御系）の心臓部であ
る。ドライバボード２２は、制御ボード２４とＩＧＢＴモジュール２０との間の
インターフェースである。ＩＧＢＴモジュール２０は、ステップ波電力変換器の
電気的側面が動作するのを可能にするパワーエレクトロニクスである。好ましく
は、ＩＧＢＴモジュール２０は、Powerex Intellimodによって製造された市販の
Powerex６パックモジュールであり、最初の状態から変更されていない。ドライ
バボート２２は、一般に、当業者には周知である。制御ボード２４は、本発明の
単相および三相ステップ波電力変換器での使用のために特別に設計構築されてい
る。その概略は、図７ｃに示される。制御ボード２４のソフトウェアは、本発明
の独特の切換局面を可能にする。

【００５２】 制御ボードソフトウェアは、ＳＷＰＣの全体的動作を管理する。それは、順番
にＡＣ波形を特徴づける各ＩＧＢＴモジュール２０内のすべてのＩＧＢＴスイッ
チの動作を制御する。各ＩＧＢＴモジュール２０のすべての各スイッチを動作す
る適切なタイミングは、許容できるＡＣ電力品質を生成するのに重要である。ま
た、そのソフトウェアは、個別の入力源の負荷を維持する能力、ＡＣ出力電圧お
よび電流の制御、位相調整およびグリッド同期、ゲートおよび／またはゲートド
ライバ論理故障を監視し、隔離する能力、高調波ひずみを減らすステップ波タイ
ミングをゆがめる（skew）能力、ステップ波／パルス幅変調（ＰＷＭ）ハイブリ
ッド制御、異なる電圧と定格を持つ多数の入力を結合する能力、出力負荷の続き
を可能にするために電源へのフィードバックを供給する能力、バッテリのような
、負荷をとらえるより遅い反応時間を持つ電源を考慮に入れる過渡状態中の短い
時間に単一入力の重負荷を可能にする能力のような特徴を提供する。好ましくは
、前述のおよび他の特徴がソフトウェアによって実行されるけれども、本発明の
これらの面のいくつかあるいはすべてがソフトウェアよりむしろアナログ回路で
実行されてもよいことに留意されたい。

【００５３】 基本的な三相ステップ波電力変換器では、ＡＣ波形の各位相は、図４に示され
る三相ステップ波ＡＣ出力に関して前述されたのと同じ方法で構成され得る。し
かしながら、基本的ステッピング手順が単相電力変換器で非常にうまく働くが、
本発明の三相電力変換器に直接それを用いることは、ゲートとトランスのΔ−Ｙ
配置のために、競合を引き起こす。この競合は、ＡＣ電力出力品質には非常に有
害である。しかしながら、特筆すべきは、三相Δ−Ｙ配置において、ＩＧＢＴス
イッチのタイミングは、トランス位相シフトが破壊的な方法よりも建設的な方法
で用いられるようなやり方で（すなわち、ステップ幅の代わりに位相シフトを調
整するために）、実際に制御され得ることである。制御ボード２４のような位相
管理コントローラは、建設的にトランス位相シフトを用いるスイッチを制御する
ために用いられてもよい。

【００５４】 そのため、三相トランスの一次巻線と二次巻線の配列が多くの異なる方法を形
成され得るとしても、Δ配列の一次巻線とＹ配列の二次巻線を形成することが本
発明において有利になる。特に、適切に制御されているとき、このΔ−Ｙ配列は
、結果として生じるステップ波がｎ＋２のステップを含むように作られることを
可能にする。ここで、ｎはＡＣ波形の生成時に含まれるトランスの数である。従
って、生成されるＡＣ波形は、３つの位相シフト一次波形の追加によってもたら
される追加のステップを含む。

【００５５】 図８は、Δ−Ｙトランス巻線配置間の位相シフトを建設的に用いるために、Ｉ
ＧＢＴスイッチを入念に制御することによって生成された、改善されたステップ
波ＡＣ出力を示す電圧−時間のグラフである。図示のように、トランス競合の建
設的使用は、従来の４つのステップ波形よりもむしろ、４つのトランスだけを用
いる６つのステップ波形を提供することができる。

【００５６】 上述の改良結果を得るために、本発明は、三相ステップ波電力変換器がより高
い分解能を持つＡＣ出力電圧を生成するのを可能にするＩＧＢＴスイッチを制御
する独特の方法を提供する。このより高い分解能は、同数のＩＧＢＴスイッチお
よびトランスを用いるが、増加された出力電圧ステップ数を含む。この独特の制
御方法は、高調波を減らすために、高性能のトランス位相シフト制御論理を持つ
Δ−Ｙトランス構成の標準の位相シフトの組み合わせを結合する。換言すれば、
本来のΔ−Ｙ位相応答におけるＩＧＢＴボード上のスイッチを聡明に駆動（アク
ティブに）および非駆動（ディアクティブに）することによって、本実施形態の
ステップ波電力変換器は、改善されたステップ波ＡＣ出力信号を提供する。

【００５７】 前述のように、シミュレートされたＡＣ出力を生成するための従来のステップ
波切換アルゴリズムの使用は周知である。また、サイン波を近似するために、パ
ルス幅変調（ＰＷＭ）切換アルゴリズムを利用することは、従来のインバータに
とって非常に一般的である。ＰＷＭは、平均電圧がピーク電圧時間かける（×）
ディーティ因子であるように、パルスのオンオフ時間（デューティサイクル）の
変化に関連する。そのようなＰＷＭインバータでは、サイン波は、一連の可変幅
パルスを用いて近似される。しかしながら、従来技術の電力変換器には、ＰＷＭ
でステップ波出力を結合したものはなかった。当該技術における重要な改良は、
ステップ波電力変換およびＰＷＭの新規な組み合わせを通して本発明によって提
供される。

【００５８】 幸いにも、ステップ波とＰＷＭプロセスの両方は、個々の入力電源負荷を制御
するとともに、あらゆる順序で電源を循環させることができる。そのため、いく
つかの利点がこれら２つのアプローチの組み合わせの結果として生じる。これら
の利点は、特に、従来技術のアプローチのいずれか１つよりもサイン波により近
い近似と、従来のパルス幅変調アプローチよりもわずかな損失と、全線電圧（fu
ll line voltage）の迅速な切換の必要性の排除と、ＡＣ波出力のより大きな適
応性とを含む。

【００５９】 従って、本発明の別の好適実施形態は、理想的なＡＣサイン波（すなわち、潜
在的に２％以下の合計高調波歪み）に非常に厳密に近づくハイブリッドステップ
波／ＰＷＭＡＣ出力を生成するために、ステップ波とＰＷＭアルゴリズムの独特
の組み合わせを利用する。図９は、ＰＷＭをステップ波電力変換と組み合わせる
好ましいアルゴリズムのフローチャートである。このフローチャートは、理想的
なＡＣ波形に近似するハイブリッドステップ波／ＰＷＭ波形を作り出すプロセス
（処理）を示す。このアルゴリズムが、アナログ回路をサポートしてマイクロコ
ントローラ上にファームウェアとして組み込まれ得、それが完全なアナログベー
スでも完全なマイクロコントローラベースでもできることに留意されたい。

【００６０】 一般に、この新規なアプローチによれば、ＰＷＭは、ステップ波ＡＣ出力の各
ステップの遷移端（transition edges）を改善するために用いられる。ハイブリ
ッドステップ波／ＰＷＭシステムは、ＡＣステップ波形の基本ステップを維持す
るために他のトランスへの入力が不変のオンオフ位置に保持される間、電源入力
をトランスの選択された１つに変調するために、パルス幅変調器を用いる。それ
によって、ＰＷＭ波は、シミュレーションＡＣ波形のエンベロープを改良するた
めに、ステップ波の遷移部分において用いられる。これらのより小さいＰＷＭパ
ルスは、非常に小さい高調波ひずみを有する良く調整されたサイン波を作るのを
助けるために、フィルタにかけることができる。このようにして、ＰＷＭ処理が
サイン波近似により高い改良を提供するが、ステップ波処理は、大きなスケール
でＡＣサイン波を近似するために用いられる。１以上のトランスのためにＰＷＭ
を用いることとその他のためにステップ波電力変換技術を用いることの組み合わ
せが独特である。

【００６１】 図１０は、図９のアルゴリズムを用いて上述のＡＣ波形を作り出すハイブリッ
ド処理をさらに示すグラフである。グラフの縦軸は、理想的なサイン波のピーク
電圧ＶsetpointとＳＷＰＣの直列接続の二次トランス巻線からの全電圧出力Ｖ(o
ut)との比を表す。横軸（水平軸）は時間軸である。下部のグラフは、トランス
の１つの選択された一次巻線に供給されるＰＷＭ出力を表す。一般に、図１０の
グラフで示されるように、ハイブリッドステップ波／ＰＷＭアプローチは、ステ
ップの縁を滑らかにするために遷移中は電圧入力信号をパルス幅変調しつつ、サ
イン波の概算を生成するために、ステップ波を互いに加えることによって働く。

【００６２】 図９および図１０において、ハイブリッドステップ波／ＰＷＭアルゴリズムが
詳細に記述されるであろう。しかしながら、まず、アルゴリズムのパラメータを
定義する必要がある。Ｖ（ｉ）は、一次巻線ｉにおいて供給される電圧を表すた
めに用いられる。ここで、ｉ＝１，２，３，４，・・・，ｋであり、ｋは、ＡＣ
波形を生成するのに用いられるトランス一次巻線の総数を表す。前述のように、
Ｖ(out)は、直列接続の二次トランス巻線からの結合出力電圧を表し、Ｖsetpoin
tは、理想的なＡＣ波形の最大電圧レベルを示す。ＰＷＭエンベロープは、フィ
ルタにかけられないパルスがＰＷＭエンベロープによって拘束されるように、Ｐ
ＷＭ動作が起こる範囲内の限界を表す。

【００６３】 ハイブリッドステップ波／ＰＷＭ処理が開始すると、結合された出力電圧Ｖ(o
ut)は０に位置し、パラメータｉが１に設定される。そのため、第１のトランス
の第１の一次巻線にＤＣ入力電圧Ｖ（１）のＰＷＭが開始する。従って、入力電
圧Ｖ（１）は、第１のトランスがオンされるように、第１の一次巻線に次第に供
給され始める。第１の一次巻線に供給される電圧Ｖ（１）が変調され、フィルタ
にかけられるとき、図１０の底部においてＰＷＭ出力グラフ２６によって示され
るように、それは次第に増加する。第１のトランスの二次巻線からの出力電圧と
、結合出力電圧Ｖ(out)が相応して増加する。この入力電圧Ｖ（１）は、ＰＷＭ
レベルが時刻３０におけるそのステップの１００％に達するまで信号２８によっ
て示されるように連続的に調整される。そのステップのＰＷＭが１００％に達す
ると、第１の一次巻線への入力電圧Ｖ（１）は、線３２によって表されるように
、連続的にオンされ、パラメータｉは１だけ増やされ（インクリメントされ）、
信号３４によって表されるように、第２のトランスの第２の一次巻線に入力電圧
Ｖ（２）が調節され得る。

【００６４】 上述のＰＷＭ処理は、要求された最後の一次巻線ｋに達するまで各一次巻線へ
の電圧入力のために繰り返される。これが起こるとき（すなわち、ｉがｋと等し
くなるとき）、最後の一次巻線への入力電圧Ｖ（ｋ）のパルス幅変調が開始し、
全出力電圧Ｖ(out)が理想的なＡＣ波形の最大電圧Ｖsetpointと等しくなるまで
継続する。出力電圧Ｖ(out)がこのポイントに達すると、それが望ましい最大値
であり、そのため、減少を始めなければならない。出力電圧Ｖ(out)を減らすた
めに、ｉが１にリセット（再設定）され、ＰＷＭ処理が反転される。

【００６５】 各電圧ステップの変調中に、結合出力電圧レベルＶ(out)がその望ましい最大
値Ｖsetpointに達した否かを確認するために連続的にテストされることに留意さ
れたい。しかしながら、出力電圧Ｖ(out)が最大値以下を維持する限り、上述の
ように、出力電圧がそのステップの１００％に達するまで、現在のステップのＰ
ＷＭが継続する。電圧出力レベルＶ(out)がその望ましい最大値に達すると、ｉ
が１にリセットされ、すべての一次巻線が用いられたか否かに関わらず、電圧が
次第に減少され得るように、ＰＷＭ処理が反転される。

【００６６】 ＰＷＭ処理は、信号３６によって表されるように、入力電圧Ｖ（１）のＰＷＭ
を０まで次第に減らすことを継続する。ＰＷＭがそのステップの０％に達すると
、入力電圧Ｖ（１）は、連続的にオフされ、信号３８によって表されるように、
第２の一次巻線への入力電圧Ｖ（２）が調整され得るように、ｉが１だけ増加さ
れる。この処理は、各一次巻線１〜ｋが次第に０に減らされるように、それらの
入力電圧のために継続する。最後の入力電圧Ｖ（ｋ）のＰＷＭ（信号４０）が完
了した後、電圧出力Ｖ(out)が（時刻４４において）０になり、パラメータｉは
再び１にリセットされる。４２に示されるように、負極であること以外、同様の
全処理が繰り返される。

【００６７】 上述のハイブリッドステップ波／ＰＷＭ処理の結果として、全高調波ひずみの
２％以下であるシミュレーションＡＣ波形を作り出すことができると考えられる
。このため、本発明は、理想的なＡＣ波形に非常に近似するシミュレーションＡ
Ｃ波形を生成するＳＷＰＣを可能にすることによって、技術の重要な進歩を提供
する。

【００６８】 さらに、本発明のいくつかの特別な適用例が記述される。多数の制御可能な絶
縁電源入力を有する１つのＳＷＰＣの使用のための一つの特別な適用例は、ハイ
ブリッドの再生可能な電源システムである。本発明のＳＷＰＣは、水力、風力、
および太陽エネルギーのような再生可能エネルギー源を、従来のあるいは再生可
能な発電機ユニットの効率的作動を妥協することなく、オフグリッド、エンドオ
ブグリッド、およびオングリッド適用におけるディーゼルおよびガスタービンの
ような従来の発電機とスムーズにそして効率的に統合することができる。そのよ
うなＳＷＰＣを用いることは、連続運転を依然として確保しつつ、再生可能な電
源が一次電源として用いられることを可能にし、それによって、従来の発電機の
燃料消費を減らす。

【００６９】 本発明のもう一つの使用は、バックアップ電源システムである。バックアップ
電源システムは、ユーティリティグリッド（utility grid）が故障するとき設備
に電源を供給するために用いられる。これらのシステムは、通常、ディーゼル発
電機（オフライン動作中の主用電源）、発電機が運転中一時的電力を供給するバ
ッテリ、ＤＣバッテリまたは発電機出力をＡＣ電力に変換する電力インバータ、
ユーティリティグリッドからの負荷を必要なときにバックアップ電源に移す静止
開閉器（static switch）から成る。この全システムは、伝統的に無停電電源装
置（ＵＰＳ）といわれる。残念ながら、ほとんどのＵＰＳシステムは、主要素の
１つが故障したら全システムが危うくなるという重大な欠点を有する。

【００７０】 より詳細には、図１１Ａに示されるもののような典型的なＵＰＳシステムにお
いて、ユーティリティグリッド５０とバックアップ電源システム（発電機）５２
は同期されない。転送スイッチ５６は、電源５０と５２のいずれが望ましいかに
応じて、２つの電源入力ライン＃１と＃２の間で選択する。ユーティリティグリ
ッド５０が故障のとき、バックアップ電源ライン＃２は、バックアップ電源５２
から電力を供給するために作動される。１以上のバッテリ５４は、ユーザのため
にＡＣ電力に変換される一時的なＤＣ電力を提供する。発電機５２が通常運転速
度に達した後、電力は、発電機５２によって単独で供給される。整流器５７は、
ユーティリティグリッド５０または発電機５２からＤＣ電源に電力を整流するた
めに用いられる。インバータ５８は、入力ＤＣ電力をＡＣ電力に変換する。この
相互依存の素子（構成要素）配置のために、素子のいずれかが故障するならば、
全システムが危うくなる。

【００７１】 従来のシステムとは異なり、本発明のＳＷＰＣは、図１１Ｂに概略的に示され
るＵＰＳアプリケーションで用いられるとき、多数の電源５０、５２、５４を適
応させ、統合することができる。多電源を統合する能力は、ＳＷＰＣ１８に典型
的なＵＰＳシステムを越える重要な利点を与える。第一に、本発明は、多くのＵ
ＰＳシステムで用いられる転送スイッチ５６（図１１Ａを見よ）の必要性を排除
する。そのため、本発明は、本当にスムーズな「無停電」電力を供給する。また
、好ましくは、本発明は、連続的電圧調整を提供するために、システムから各電
源５０、５２、５４を分離する。ユーティリティグリッド５０のような電源の１
つが動作しなくなり、あるいは故意に接続を断たれるならば、本発明のこの実施
形態は、残りの電源５２、５４を用いて電源出力を調整するであろう。この特徴
は、ユーザに影響を与えることなく、電源供給の計画サービスを可能にすること
によって、コスト的な故障時間を排除することができる。ＵＰＳ内にある商用イ
ンバータに比較してＳＷＰＣ１８の頑丈で信頼性のある設計を結合されると、こ
のアーキテクチャは、典型的なＵＰＳシステムよりもずっと信頼性が高く、有用
である。

【００７２】 また、ＳＷＰＣ１８は、感度の良いエレクトロニクス、すなわち、最終消費者
（エンドユーザ）によって提供される追加の装置を従来必要とするプロセスで用
いられるユーティリティグリッドから電力を調節することができる。これは、従
来用いられるように、共振トランスの使用を越えて、改良された効率、調節、お
よび絶縁を提供する。また、ＳＷＰＣ１８の順応性（flexibility）は、エンド
ユーザの部屋に電源の拡張または近代化を与える。例えば、既存のディーゼル発
電機５２またはバッテリバンク５４は、それらが利用可能である燃料電池で置き
換えられ得る。

【００７３】 本発明のさらなる適用例は、光電池（ＰＶ）またはバッテリアレイからの電力
を統合することである。ＰＶセルとバッテリは、本発明のＳＷＰＣが理想的に適
合される電源である。これは、これらのＤＣ電源が典型的に多数の独立した「列
（ストリング）」で構成されるからである。例えば、ＰＶアレイは、典型的にＰ
Ｖセルの多数の列から成る。また、より大きいバッテリバンクは、典型的にバッ
テリの平行な列として配列され、ＳＷＰＣの使用から利益を得るであろう。各列
は、ＤＣ出力電圧として電力を伝える。ＳＷＰＣ１８は、各列を独立した電源と
して扱うことができ、それらの絶縁を維持している間、多数の列を電気的に統合
することができる。これは、ＳＷＰＣ１８のキーとなる（重要な）利点である。
なぜならば、１以上の列がうまく作動しないならば、ＳＷＰＣ１８は、まだ作動
している列からユーティリティグレードのまたは電子グレードのＡＣ電源を配電
し続けることができる。

【００７４】 さらに、本発明のＳＷＰＣ１８は、列間の種々の公称ＤＣ電圧レベルに迎合す
ることができる。既存のインバータシステムは、各列における個々の電圧調節器
を通して、あるいは、１つのＤＣバスにおけるすべてのＤＣ電源を融合し、その
バスからの電源をＡＣ電源に変換することによって、公称ＤＣ電圧レベルを取り
扱う。時には、インバータは、各列に取り付けられ、各インバータからのＡＣ電
源は、負荷に給電するために結合される。ＳＷＰＣ１８は、各入力の最大電力点
追従を可能にするＰＶアレイのための従来のインバータと比較して、電力変換ア
ーキテクチャを急激に単純化し、改善する。

【００７５】 本発明のさらなる適用例は、燃料電池に関して存在する。燃料電池は、電気化
学処理を用いて電気を作り出す。それらは、同じく電気化学処理を用いるバッテ
リとは異なる。そこでは、それらは、水素を消費するので、連続的に供給される
燃料を有しなければならない。水素を生成するために用いられる燃料のタイプは
、各システムが設計されるリフォーミング（改質）プロセスを変え、それらに依
存する。燃料電池は、分散型生成に非常に適しているが、各システムは、それが
供給する適用（アプリケーション）に調整されなければならない。ある適用例は
、他よりも高い電力品質を要求しても良く、またある適用は、ユーティリティグ
リッドと相互に連結される必要があってもよく、互いに並列にされるいくつかの
燃料電池を要求してもよく、一方、ある適用例は、燃料電池の廃熱が電気エネル
ギーとともに用いられるコージェネ発電（熱電併給システム）を実行してもよい
。これらすべての適用例は、電力調節と、エンドユーザの設備でカスタムの電気
接続とを要求する。

【００７６】 また、燃料電池から生成される電気は、ＤＣであり、ユーザが消費するために
ＡＣに調整または変換されなければならない。従来は、これは、しばしば設計に
一体化されない電力変換器を用いることによって達成されていた。本発明のＳＷ
ＰＣ１８は、現在の技術を越える明らかな利点を提供する。ＳＷＰＣ１８によっ
て提供される燃料電池統合の１つの主要な利点は、各ユニットが個別にロードさ
れ得る多数の燃料電池の並列操作である。もう１つの利点は、負荷曲線と限界に
対する燃料電池の電圧を追随する能力である。

【００７７】 一ユーザに供給される多数の燃料電池の電力を統合する従来の方法が２つ存在
する。１つの方法は、各燃料電池の電圧レギュレータ（調節器）を用い、これら
の電圧レギュレータが電源を伝える共通のバスを有することである。共通のバス
からの電力は、１つの電力変換器によって変換され、ユーザに送られる。第２の
方法は、各燃料電池の電圧レギュレータを用い、変換された電力を結合してそれ
をユーザに送ることである。これら両方法は、各燃料電池のシステム構成が重複
するために、高くついている。

【００７８】 図１１Ａおよび１１Ｂにおいて、ＳＷＰＣ１８は、上述の従来技術を越えるは
っきりとした利点を有する。特に、ＳＷＰＣ１８のための１以上の電源、すなわ
ち、５２と５４は、燃料電池であり得る。バッテリバンク５４を燃料電池と取り
換えることによって、ＳＷＰＣ１８は、既に上述した他の電源のように、各燃料
電池５４をその他の燃料電池から絶縁することによって、各燃料電池５４がピー
ク効率で作動することを可能にする。ＳＷＰＣ１８は、その電力をＡＣに変換し
、それをユーザに供給する。これは、アーキテクチャを単純化し、燃料電池５４
の１つ以上が何らの悪影響も受けることなく、オフラインになることを可能にす
る。

【００７９】 本発明のさらなる利点は、グリッドからの１以上の入力を有するグリッド接続
適用に関して存在する。本入力グリッド接続適用では、燃料電池５４は、ユーテ
ィリティグリッド５０に同期する１つのインバータに接続される。それは、転送
スイッチ５６を用いて、グリッド５０（すなわち、サービスのための）から接続
を断たれる。本発明のＳＷＰＣ１８は、転送スイッチ５６を越える明らかな利点
を提供する。ユーティリティグリッド５０と燃料電池５４の両方、または多数の
燃料電池５４は、ＳＷＰＣ１８の電源として用いられる。ＳＷＰＣ１８は、ユー
ザのための電力を調節し、ユーティリティグリッドから各燃料電池５４を絶縁す
る。ＳＷＰＣ１８は、各燃料電池５４が燃料効率またはコージェネ発電のための
好ましい条件下で作動するのを可能にする。それに加えて、すべての電源がＳＷ
ＰＣ１８によって絶縁されるので、電源の１つが故障する場合に高価な転送スイ
ッチ５６を必要としない。ＳＷＰＣ１８は、高品質での電力を作り出すために、
残りの電源５０、５２、５４を単純に用いるであろう。

【００８０】 また、燃料電池５４は、グリッド５０が作動しないか、利用可能なグリッドが
ないとき、電源を供給することができる。ユーティリティグリッド５０からの電
力が失われるとき、燃料電池５４は、ユーザにバックアップ非常電源を提供する
だろう。ＵＰＳシステムのために、燃料電池５４が、今日ではありふれているデ
ィーゼル発電機源５２と効率的に取り換えられ得る。

【００８１】 さらに、多数の電源を統合する本発明の能力は、高価なシステムにアップグレ
ードし、あるいは全体的に新しいシステムを購入することなく、システムの電力
容量を将来拡張する能力をエンドユーザに与える。単純なソフトウェアの改良で
、本発明のＳＷＰＣ１８は、多数の燃料電池を適応させるためにアップグレード
され得、ユーティリティグリッドと、あるいは燃料電池を持つ他のタイプの電源
と並列に相互接続する。

【００８２】 いくつかの好ましい実施形態において本発明の原理を記述し、示してきたが、
本発明がそのような原理から逸脱することなく配置および詳細について変更され
うることは明白である。特に、種々の実施形態のすべての特徴および利点は、単
に望ましい適用に応じて、あらゆる組み合わせで互いに配置され得る。そのため
、我々は、添付の特許請求の範囲の精神および範囲内にあるすべての改良および
変形を要求する。

【図面の簡単な説明】

【図１】 従来の単一電源からのＤＣ電圧をステップ波ＡＣ出力に変換する単相電力変換
装置を示す概略図である。

【図２】 従来の単一電源からのＤＣ電圧をステップ波ＡＣ出力に変換する三相ステップ
波電力変換装置の概略図である。

【図３】 本発明の第１実施形態に係る多数の電源からのＤＣ電圧入力を受けるとともに
管理するように構成された単相ステップ波電力変換装置の概略図である。

【図４】 ４個のトランスを有する図３に示すようなステップ波電力変換装置からの単相
ステップ波ＡＣ出力の生成を図示する複数のグラフを示している。

【図５】 図５Ａは、本発明の他の実施形態を示す概略図であって、図３に示す装置に似
たステップ波電力変換装置に、さらにＤＣ電源の一つから１または複数のトラン
スへの入力を選択的に提供するかあるいは使用不能にするクロスタイ回路とカッ
トオフゲートを備えた装置を示している。また、図５Ｂは、本発明のさらに別の
実施形態を示す概略図であって、多数の電源からの入力を制御する図３に示す装
置に似たステップ波電力変換装置を示している。

【図６】 本発明のさらに別の実施形態に係る三相ステップ波電力変換装置の概略図であ
って、改良されたブリッジ回路の配置とΔ−Ｙ型のトランスの構成を示している
。

【図７】 図７Ａは、図６の三相ステップ波電力変換装置のより詳細な説明図であって、
さらにブリッジ回路と、該ブリッジ回路を駆動するドライバボードと、該ドライ
バボードを制御する制御ボードと、各相のトランスの二次巻き線やその他のもの
の間の直列接続を含む絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）モジュー
ルを示している。また、図７Ｂは、図７Ａの変換装置のトランスの構成を示す拡
大図である。さらに、図７Ｃは、本発明の好適実施形態に係る図７Ａのステップ
波電力変換装置を制御するソフトウェアおよびハードウェアコンポーネントの両
方を含む制御ボードのブロック図である。

【図８】 図６に似たΔ−Ｙ型三相ステップ波電力変換装置からのステップ波ＡＣ出力を
示す電圧−時間のグラフであるが、Δ−Ｙトランスにおける電圧特性を注意深く
制御したことにより高い分解能を示している。

【図９】 本発明のさらに別の実施形態を示すフローチャートであって、ステップ波電力
変換装置とパルス幅変調のハイブリッドを用いて、理想ＡＣ波形により正確に近
似させる方法を示している。

【図１０】 図９のハイブリッドステップ波パルス幅変調電力変換方法の動作を示す電圧比
率−時間のグラフである。

【図１１】 図１１Ａは、従来のパックアップ電力を供給するための無停電システムの概略
図である。図１１Ｂは、本発明のさらに別の実施形態であって、電力バックアッ
プシステムとして本発明のステップ波電力変換装置が用いられた状態を示す概略
図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ， ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ， ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＢＺ，Ｃ Ａ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ ，ＤＺ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ， ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，Ｋ Ｅ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ， ＭＷ，ＭＸ，ＭＺ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，Ｒ Ｕ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ， ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ (72)発明者 シーンベイン、ローレンス、エイ． アメリカ合衆国 99337 ワシントン州、 ケネウィック、サウス モレイン ループ 4006 (72)発明者 ドロッポ、ゲラルド、ダブリュ． アメリカ合衆国 99352 ワシントン州、 リッチランド、ラリアット レーン 2408 (72)発明者 ドネリー、マシュー、ケイ． アメリカ合衆国 99338 ワシントン州、 ケネウィック、トロ ロード 33003 (72)発明者 ハリス、ブレント、アーレ カナダ国 ティー２ティー ０エル４ ア ルバータ州、カルガリー、ロイヤル アベ ニュー サウスウェスト 823 504号室 Ｆターム(参考） 5H007 AA06 AA08 BB07 CA01 CB01 CB05 CC06 DA06 DB13 DC05 EA02

Claims (25)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の電源からＤＣ電圧を受けるように構成された複数のト
   ランスであって、各トランスは、一次巻線と二次巻線とを有し、ステップ波ＡＣ
   出力用のステップを供給するように構成されているものと、 前記二次巻線からステップ波ＡＣ出力用のステップを出力するために、前記一
   次巻線へのＤＣ電圧入力を制御する複数のブリッジ回路と、 各電源の性能特性にしたがって、どのように前記ＤＣ電圧入力を前記ブリッジ
   回路によって切り替えるかを管理するソース管理回路と、 を備えることを特徴とするステップ波電力変換装置。
2. 【請求項２】 前記ステップ波ＡＣ出力が単相ＡＣ出力である請求項１に記
   載のステップ波電力変換装置。
3. 【請求項３】 前記ＡＣ出力が三相ＡＣ出力である請求項１に記載のステッ
   プ波電力変換装置。
4. 【請求項４】 各トランスは、三つの一次巻線と三つの二次巻線とを有する
   三相トランスを備えており、前記ブリッジ回路のそれぞれは、多数のゲートの対
   を有し、各ゲートの対は直列に配置された二つのゲートを有しており、また前記
   三相トランスのそれぞれの一次巻線の両端は、前記ブリッジ回路の対応するブリ
   ッジ回路における別のゲートの対のゲートの間に接続されている請求項３に記載
   のステップ波電力変換装置。
5. 【請求項５】 前記各ブリッジ回路は、さらに、複数の非並列ダイオードを
   備えており、各非並列ダイオードは、前記ゲートの一つに適合され、短絡したト
   ランスの一次巻線の１または複数を通って短絡電流が流れることができるように
   なっている請求項４に記載のステップ波電力変換装置。
6. 【請求項６】 各ブリッジ回路は、二つのゲートが直列に接続して構成され
   た３組の対に設けられた６個のゲートを有する請求項３に記載のステップ波電力
   変換装置。
7. 【請求項７】 前記各ブリッジ回路は、さらに、複数の非並列ダイオードを
   備えており、各非並列ダイオードは、前記ゲートの一つに適合され、短絡したト
   ランスの一次巻線の１または複数を通って短絡電流が流れることができるように
   なっている請求項６に記載のステップ波電力変換装置。
8. 【請求項８】 前記三相トランスのそれぞれはΔ−Ｙ構成になっており、前
   記ステップ波電力変換装置は、さらに、Δ構成の一次巻線とＹ構成の二次巻線と
   の間の位相差を構造的に用いて前記ステップ波ＡＣ出力に追加のステップを生成
   する位相管理コントローラを有する請求項７に記載のステップ波電力変換装置。
9. 【請求項９】 さらに、各トランスの一次巻線のそれぞれに供給されるＤＣ
   電圧の量、期間および極性を制御する制御回路を備える請求項１に記載のステッ
   プ波電力変換装置。
10. 【請求項１０】 さらに、前記ステップ波ＡＣ出力を理想ＡＣ波形にほぼ合
    うように微細に調整するために、前記一次巻線の選択された一つの巻線への入力
    を制御するパルス幅復調器を備える請求項１に記載のステップ波電力変換装置。
11. 【請求項１１】 １または複数の電源からＤＣ電圧を受けるように構成され
    た複数のトランスであって、各トランスは、一次巻線と二次巻線とを有し、ステ
    ップ波ＡＣ出力用のステップを供給するように構成されているものと、 前記二次巻線からステップ波ＡＣ出力用のステップを出力するために、前記一
    次巻線にへのＤＣ電圧入力を制御する複数のブリッジ回路と、 前記一次巻線の１または複数への前記ＤＣ電圧入力をさらに制御するパルス幅
    復調器と、を備えることを特徴とするステップ波電力変換装置。
12. 【請求項１２】 複数の三相トランスであって、各三相トランスは、一次巻
    線と二次巻線とを有し、１または複数の電源からＤＣ電圧を受けるとともに三相
    ステップ波ＡＣ出力の各相に対するステップを供給するように構成されているも
    のと、 各ブリッジ回路が並列に設けられた多数のゲートの対を有する複数のブリッジ
    回路と、を有し、 各ゲートの対は直列に設けられた２またはそれ以上のゲートを有しており、各
    ブリッジ回路は、前記トランスのうちの一つの一次巻線に接続されており、該一
    次巻線の両端は、別のゲートの対のゲートの間に接続されていることを特徴とす
    る三相ステップ波電力変換装置。
13. 【請求項１３】 前記一次巻線は、Δ構成で配置されている請求項１２に記
    載の電力変換装置。
14. 【請求項１４】 第１の一次巻線の第１の端部は前記ゲートの対のうちの第
    １の対のゲート間に接続され、前記第１の一次巻線の第２の端部は前記ゲートの
    対のうちの第３の対のゲート間に接続されており、また第２の一次巻線の第１の
    端部は前記第１の一次巻線の前記第２の端部に電気的に接続され、前記第２の一
    次巻線の第２の端部は前記ゲートの対のうちの第２の対のゲート間に接続されて
    おり、さらに第３の一次巻線の第１の端部は、前記第２の一次巻線の前記第２の
    端部に電気的に接続され、該第３の一次巻線の第２の端部は前記第１の一次巻線
    の前記第１の端部に電気的に接続されている請求項１３に記載の電力変換装置。
15. 【請求項１５】 前記二次巻線は、Ｙ構成で設けられている請求項１３に記
    載の電力変換装置。
16. 【請求項１６】 さらに、前記Δ構成の一次巻線と前記Ｙ構成の二次巻線と
    の間の電圧変換特性を管理することによって、前記三相ステップ波ＡＣ出力の分
    解能を高める位相管理コントローラを有する請求項１５に記載のステップ波電力
    変換装置。
17. 【請求項１７】 Δ−Ｙの一次巻線−二次巻線構成で設けられた複数の三相
    トランスを有する三相ステップ波電力変換装置からの三相ステップ波ＡＣ出力を
    高める方法であって、 前記ステップ波電力変換装置への１または複数のDC電圧入力を受けるステップ
    と、 前記三相トランスの二次巻線から１または複数の前記三相ステップ波ＡＣ出力
    のステップを生成するステップと、 Δ−Ｙ三相トランスの一次巻線へのＤＣ電圧入力のタイミングとシーケンシン
    グを制御することによって前記三相ステップ波ＡＣ出力におけるステップの数を
    増加させ、Δ−Ｙ変換の本来の特性の利点を得るステップと、 を有することを特徴とする前記方法。
18. 【請求項１８】 複数の電源からＤＣ電圧を受けるように構成された複数の
    トランスであって、各トランスは、一次巻線と二次巻線とを有し、ステップ波Ａ
    Ｃ出力用のステップを供給するように構成されているものと、 前記二次巻線からステップ波ＡＣ出力のステップを出力するために、前記一次
    巻線へのＤＣ電圧入力を制御する複数のブリッジ回路と、 前記ブリッジ回路の２またはそれ以上の間に設けられ、前記電源の一つが２ま
    たはそれ以上のトランスに電力を供給することを可能にするクロスタイ回路と、 を備えることを特徴とするステップ波電力変換装置。
19. 【請求項１９】 少なくとも一つの電源がシステムから直ちに非接続となる
    ことを可能にするバイパススイッチを備える請求項１８記載のステップ波電力変
    換装置。
20. 【請求項２０】 ＤＣバスからＤＣ電圧引力を受けるように構成されたトラ
    ンスであって、該ＤＣバスは１または複数の電源から電力を受けるように構成さ
    れており、前記トランスは、一次巻線と二次巻線とを有し、ステップ波ＡＣ出力
    用のステップを供給するように構成されているものと、 前記ＤＣバスを前記電源の少なくとも一つから絶縁するための絶縁回路と、 を備えることを特徴とするステップ波電力変換装置。
21. 【請求項２１】 前記電源の少なくとも一つは、入力電力グリッドであり、
    前記絶縁回路は前記ＤＣバスを前記入力電力グリッドから絶縁し、該ＤＣバスか
    ら前記グリッドへのバックフィードを防止するようになっている請求項２０に記
    載のステップ波電力変換装置。
22. 【請求項２２】 前記電源の少なくとも一つは、前記ＤＣバスに可変周波数
    電力入力を供給する請求項２０記載のステップ波電力変換装置。
23. 【請求項２３】 複数の電源からＤＣ電圧を受けるように構成された複数の
    トランスであって、各トランスは、一次巻線と二次巻線とを有し、ステップ波Ａ
    Ｃ出力用のステップを供給するように構成されているものと、 前記トランスの前記二次巻線からステップ波ＡＣ出力用のステップを出力する
    ために、前記トランスの前記一次巻線へのＤＣ電圧入力を制御する複数のブリッ
    ジ回路と、 前記各トランスの各一次巻線へ供給されるＤＣ電圧の量、期間および極性を制
    御する制御回路と、 を備えることを特徴とするステップ波電力変換装置。
24. 【請求項２４】 ステップ波電力変換装置からのステップ波ＡＣ出力の特性
    を高める方法であって、 前記ステップ波電力変換装置にＤＣ電圧入力を供給するステップと、 前記ＤＣ電圧入力を前記ステップ波ＡＣ波形の複数のステップに変換するステ
    ップと、 前記ＤＣ電圧が前記ＡＣ波形のステップに変換される間に前記ＤＣ電圧入力を
    パルス幅変調するステップと、 を含む前記方法。
25. 【請求項２５】 前記ＤＣ電圧入力を供給するステップは、複数のトランス
    に複数のＤＣ電圧入力を供給することを含み、 前記ＤＣ電圧入力をパルス幅変調するステップは、前記ステップ波ＡＣ出力を
    理想ＡＣ正弦波にほぼ合うように微細に調整するために、前記トランスの選択さ
    れた一つへの電圧入力をパルス幅変調する一方前記トランスの他のものへの電圧
    入力は一定あるいはＯＦＦ状態に保持する請求項２４に記載のステップ波ＡＣ出
    力の特性を高める方法。