JP2003528562A - 改良された電力サブステーション - Google Patents

改良された電力サブステーション

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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00—Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks

Abstract

(57)【要約】 高電圧のためのコンバータが提供される。この装置は、入力電圧を受け取るための少くとも２つの入力ノード（５０，６０）と、前記出力波形のための取り出しポイントを提供するように構成された２つの出力ノード（７０，８０）とを画定するように接続された１つ又はそれ以上のスイッチング組立体（１，２，３，４）を有するブリッジ回路と、ブリッジ回路の各スイッチング組立体に制御信号を供給するための制御回路と、出力ノード（７０，８０）に跨って接続された共振回路（１００）とから成る。各スイッチングデバイスは、共振回路の共振周波数でオン・オフされる。共振回路の電圧がゼロをよぎるときにスイッチングデバイスをスイッチすることによってスイッチングデバイスの前後間の電圧の急激な上昇を回避することができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、コンバータの改良に関し、特に、直流（ＤＣ）電圧又は交流（ＡＣ
）電圧のような入力電圧をＡＣ出力電圧に変換するための改良された装置に関す
る。本発明は、特に、半導体スイッチングデバイスを用いた非常に高い電圧（こ
こでは単に「高電圧」又は「高圧」と称する）のためのコンバータに関する。
【０００２】
【発明の背景】
高電圧送電及び配電ネットワークにおいては、電圧を１つのタイプ又はレベル
から他のタイプ又はレベルに変換することが必要とされる。例えば、それは、１
つの電圧例えば２００ｋＶの配電電圧から市街地ネットワークのための６６ｋＶ
のような低いレベルに逓降させることであり、あるいは、モータ等の負荷を駆動
するために高圧ＤＣ波形を交流波形に変換することである。そのような電圧は、
工業用電力システムにも、家庭用電力システムにも、更には電気鉄道システムに
も用いられる。
【０００３】 従来、そのような高圧電圧の変換は、回路遮断器（サーキットブレーカ）によ
って保護された変圧器を用いて行われいる。変圧器は、第１の巻き数の一次巻線
と、それとは異なる第２の巻き数の二次巻線から成る。出力電圧は、両巻線の巻
き数比だけ入力電圧と異なるレベルとなる。変圧器は、サイズが大きく、作動の
面で融通性に欠ける。従って、超高電圧のためのコンバータを構成するために半
導体スイッチングデバイスを用いることが提案されている。
【０００４】 供給電圧を出力電圧に変換するためにコンバータに半導体デバイスを使用する
ことは、数百ボルトまでの比較的低い電圧用としては斯界において周知である。
ここで、コンバータとは、第１の入力電圧を第２の電圧の出力に変換するように
なされた装置のことをいう。出力電圧が入力電圧と同じ周波数である場合は、コ
ンバータは、従来の逓降又は逓昇変圧器に代わるものとして用いることができる
。あるいは別法として、コンバータは、交流波形（ＡＣ）を出力ＤＣとして定常
電圧に変換するか、又は、その逆の変換を行うのに用いることもできる。
【０００５】 高電力半導体スイッチングデバイスの開発は、急速に進展しているとはいえ、
現在のところソリッドステートコンバータが取り扱うことができる最大入力電圧
は、コンバータに使用される個々の半導体スイッチングデバイス（以下、単に「
デバイス」とも称する）が安全に取り扱うことができる最大スイッチング（切換
え）電圧が比較的低いために、相当に制限されている。
【０００６】 本発明者は、６．５ｋＶのピーク電圧を取り扱うことができる半導体スイッチ
ングデバイス（以下、「スイッチングデバイス」又は「半導体デバイス」又は単
に「デバイス」とも称する）が存在することを承知している。しかしながら、そ
れらの（６．５ｋＶのピーク電圧を取り扱うことができる）デバイスがスイッチ
された（切り換えられた、即ち開閉された）直後に生じする瞬間ピーク電圧を安
全に取り扱うことができるようにするためには、ピーク入力電圧をそれらのデバ
イスの定格ピーク電圧の半分程度、即ち３．６ｋＶ程度に制限する必要がある。
これは、家庭用電圧レベルのコンバータを製造するには充分であるが、送電及び
配電システムに用いられる４００ｋＶ以上にもなる高電圧を変換するのに要する
電圧取り扱い容量に対して極めて不十分である。
【０００７】 安全に取り扱うことができる電圧容量を高くするために、幾つかの同じコンバ
ータを直列に接続することが提案されている。例えば、２つの同じスイッチ回路
を直列に設け、両回路を通しての電圧降下量が同じで、合わせて電圧取り扱い容
量を２倍にすることができる。しかしながら、実用において、この構成は、配電
ネットワークに使用される高電圧用のコンバータを製造するには実際的ではない
。なぜなら、結果として部位品数が極めて多くなり、スイッチングデバイスのス
イッチ動作を極めて高い精度で同期させる必要があるからである。又、これらの
回路が同一でない場合、それらの回路の間に電圧を等分に分担させることができ
ず、１つの回路に過負荷がかかることになる。その結果、壊滅的な故障を起こす
原因となる。
【０００８】
【発明の概要】
本発明の目的は、選択された特定の入力電圧波形から出力波形を創生するため
の従来技術の電力電子回路の欠点の幾つかを改善することである。
【０００９】 本発明の第１側面によれば、入力電圧から交流電圧出力波形を創生するための
装置であって、 前記入力電圧を受け取るための少くとも２つの入力ノードと、前記出力波形の
ための取り出しポイントを提供するように構成された２つの出力ノードを画定す
るように接続された１つ又はそれ以上のスイッチング組立体を有するブリッジ回
路と、 該ブリッジ回路の各スイッチング組立体にそれぞれの制御信号を供給するため
の制御回路と、 前記出力ノードに跨って接続された共振回路と、 から成り、 前記各スイッチング組立体は、前記ブリッジ回路の１つのアームを画定するよ
うに１つの入力ノードと１つの出力ノードの間に直列に接続された少くとも２つ
の半導体スイッチングデバイスから成り、 前記制御回路は、前記出力端子を介して前記共振回路の共振周波数に実質的に
等しい出力波形を創生するために前記ブリッジ回路の各アームのスイッチング組
立体のスイッチングデバイスを、該共振回路の共振周波数に実質的に等しい周期
を有するパターンでオンオフする制御信号を発生するようになされていることを
特徴とする装置が提供される。
【００１０】 好ましい実施形態では、制御回路は、共振回路の電流の実質的に１つの半サイ
クルにおいてブリッジ回路の１つのアーム中の各スイッチングデバイスをオン状
態からオフ状態にスイッチし、次の半サイクルにオフ状態からオン状態にスイッ
チするように構成され、スイッチング動作は、実質的に共振回路の共振周波数で
実施される。
【００１１】 かくして、本発明は、出力波形の出力周波数が共振回路によって設定されるよ
うにした装置を提供する。共振回路は、ブリッジ内のエネルギーの流れを制御す
る。かくして、共振回路中のスイッチング組立体をスイッチすることによって、
各アームのスイッチング組立体の前後間の電圧の突然の上昇を防止することが可
能であり、直列接続のデバイスの使用を可能にし、従って、より高い圧力の電圧
を変換することができる。
【００１２】 各デバイスに対する制御信号は、すべて異なるものとし、独立して供給するこ
とができるが、幾つかのデバイスに共通の同じ制御信号を共有させることが好ま
しい。
【００１３】 本発明においては、直列に接続するデバイスの数を多くすることにより、入力
ノードと出力ノードの間でどの瞬間時点において降下した電圧も各デバイスの間
で分担されるのでより高い電圧をスイッチすることを可能にする。本発明は、取
り扱うべき電圧の高さに応じて、ブリッジの各アーム中に少くとも１０個、おそ
らく２０又は５０個以上のデバイスを接続することを企図する。
【００１４】 本発明は、少くとも２００ｋＶ、おそらく少くとも４００ｋＶの電圧をスイッ
チすることを可能にするのに充分な数のデバイスを各アームに直列に接続するこ
とを企図する。
【００１５】 一実施形態においては、制御回路は、ブリッジの１つのアーム中のすべてのデ
バイスを実質的に同時にオン状態からオフ状態に、又はその逆に、実質的に共振
回路の共振周波数でスイッチする制御信号を発するように構成することができる
。使用において、共振回路の電流の実質的に半サイクルごとにブリッジの１つ又
は複数のアーム中のデバイスをすべてオフにスイッチし、残りのアーム中のデバ
イスをオフにスイッチすることができる。次いで、次の半サイクルにおいてそれ
らのスイッチングをすべて制御信号の制御により反対にスイッチすることができ
、この制御パターンを繰り返すことができる。この制御パターンは、共振回路を
充電することを可能にし、共振回路の周りを流れる電荷を維持するので、定常Ｄ
Ｃ入力電圧に適用するのに特に適している。
【００１６】 ブリッジの各アームのスイッチングデバイスの各々に並列にキャパシタを接続
することが好ましい。これらのキャパシタは、各スイッチングデバイスに随伴す
る漂遊容量より相当に高い値をもつように選択することができる。かくして、各
スイッチングデバイスの前後間の電圧変化率が、キャパシタの容量値によってほ
とんど完全に決定される。
【００１７】 もちろん、所望ならば、幾つかのスイッチングデバイスに跨って１つのキャパ
シタを設けることができる。その場合、そのキャパシタに関連するデバイスの前
後間の電圧変化を制限することができる。
【００１８】 例えば、各アームにｎ個（ｎは１より大きい整数）のスイッチングデバイスが
直列に接続されている回路の場合、すべてのデバイスに同じ値のキャパシタを設
けたとすると、電圧は、各デバイスに等量に分担される。
【００１９】 実用においては、各デバイスに関連するスイッチング（開閉）時間、浮遊イン
ダクタンス、抵抗及びキャパシタンスの僅かな相異に因り、キャパシタの１つ又
は複数個に残留電荷が蓄積することがある。これを抑制せずに放置しておくと、
最終的に各スイッチングデバイス間で分担する電圧に不均衡を生じることになる
。
【００２０】 制御回路は、出力ノード間の電圧がゼロをよぎるのと実質的に同じ瞬間にブリ
ッジ中のすべてのスイッチングデバイスをオン状態（即ち、導通状態）に保持す
るように構成することができる。これによりブリッジの各アームをショートさせ
、各アームのキャパシタの前後間の電圧を実効上リセットし、それによって時間
の経過とともにキャパシタに電荷が蓄積するのを防止する。
【００２１】 各スイッチングデバイスのオンオフ時間の差によりどれかのデバイスにスイッ
チング動作の遅れがあったとしてもそれに関係なくすべてのスイッチングデバイ
スが同時にオン状態になるようにするために、すべてのスイッチングデバイスを
所定時間の間オン状態に保持することができる。
【００２２】 共振回路の存在が、そうでなければ直列接続のスイッチングデバイスを用いた
ブリッジ型コンバータ回路に随伴する制約を克服する。
【００２３】 スイッチングデバイスは、ブリッジの周波数で周期的に、又は、それより低い
周波数で周期的に、又は、間欠的に、すべて同時にスイッチングオンすることが
できる。
【００２４】 半導体デバイスのスイッチング時間が非常に短い（オン状態からオフ状態への
切換えに要する時間は、通常、２００ナノ秒）ので、オン状態からオフ状態へス
イッチするためであれ、その逆にスイッチするためであれ、制御信号が各デバイ
スに印加される時間のわずかな差が、ブリッジの１つのアーム全電圧を１つのス
イッチングデバイスの前後間に惹起させる原因となる。高速光通信システムにお
いてさえ、４０〜６０ナノ秒程度の遅延が生じることがあり、その結果、各デバ
イスのスイッチング動作の協調関係が不適切になることがある。その場合共振周
波数でスイッチすることにより、ゼロ電圧よこぎり時点でスイッチさせることが
可能になり、従って、スイッチング動作のタイミングが決定的な重要性をそれほ
どもたなくなる。
【００２５】 共振回路は、出力ノード間の容量性素子（キャパシタ）と、それに直列に接続
させた誘導性素子（インダクタ）で構成することができる。もちろん、誘導性素
子、抵抗性素子及び、又は容量性素子の組合せを含む他のいろいろな共振回路が
可能である。
【００２６】 スイッチング組立体のスイッチングデバイスは、半導体スイッチングデバイス
で構成することができる。高速スイッチングを達成するためには、スイッチング
デバイスは、酸化金属半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）、ＩＧＢＴ
、又は、ゲート・ターンオフ・トランジスタ（ＧＴＯ）等の電力半導体デバイス
で構成することが好ましい。
【００２７】 注目すべき実施形態においては、スイッチング組立体の各スイッチングデバイ
スは、共振回路の、従って出力ノード間の電圧がゼロをよぎるのと実質的に同時
に開（オフ）状態から閉（オン）状態にスイッチされるように構成することがで
きる。このことが、やはり、漂遊キャパシタンス及びスイッチング動作の僅かな
誤差がスイッチング組立体の前後間に過度の電圧を惹起させるのを防止する働き
をする。
【００２８】 制御回路は、単一の指令信号を発生し、その信号を改変してブリッジの各アー
ムのすべてのデバイスのスイッチ状態をそれぞれ決定する適正な制御信号を発生
するように構成することができる。
【００２９】 制御回路は、メモリーに保存された参照用テーブル又は１組の規則又は命令か
ら制御信号を発生する中央処理ユニット（ＣＰＵ）を含むものとすることができ
る。
【００３０】 入力ノードの少くとも１つと該ノードに接続された入力電圧との間にインダク
タを直列に接続することができ、それによって、ブリッジ回路への電流給電を保
証する。
【００３１】 本発明の装置には、更に、出力ノードの間に接続された少くとも１つの一次巻
線と、出力波形を取り出すことができる取り出しポイントを構成する二次巻線を
有する絶縁変圧器を設けることができる。
【００３２】 絶縁変圧器を設けることにより、負荷のインダクタンス又はキャパシタンスの
変化が装置の共振周波数を変更させることがないようにすることができる。絶縁
変圧器は、又、出力を入力から隔絶する働きをする。
【００３３】 ブリッジ回路のスイッチング組立体は、一方向スイッチングを実行するように
構成してもよく、あるいは、双方向スイッチングを実行するように構成してもよ
い。
【００３４】 一方向スイッチングの場合、スイッチング組立体の各スイッチングデバイスを
電流を通すことができる第１状態と通電を阻止する第２状態の間で作動すること
ができる単一のスイッチングデバイスで構成することができる。デバイスと並列
にダイオードを接続することができ、先に述べたように、キャパシタをデバイス
と並列に接続することができる。使用において、制御手段は、ブリッジの各アー
ムのすべてのデバイスを、該アームを通して電流を通す第１状態へ、又は、該ア
ームを通しての通電を阻止する第２状態へスイッチする。重要なことは、アーム
のすべてのダイオードを同一方向に接続しなければならないことである。
【００３５】 双方向スイッチングの場合、スイッチング組立体は、背中合わせに接続した２
つのスイッチングデバイス／ダイオード／スナバキャパシタによって構成するこ
とができる。制御手段は、１つのデバイスをその第１状態へ、他のデバイスをそ
の第２状態へ、又はその逆にスイッチする。かくして、１つのデバイスを通し、
他のデバイスのダイオードを通して一方向に電流を流すことができる。該１対の
デバイスの状態を逆転することによって電流を反対方向に流すことができる。こ
のスイッチングは、ブリッジ回路の共振周波数で行われる。
【００３６】 ブリッジ回路は、定常（即ち、ＤＣ）電圧で、あるいは、交流（ＡＣ）電圧で
作動するように構成することができる。
【００３７】 従って、本発明の第２の側面によれば、多相交流電圧波形を単相交流出力電圧
波形に変換するためのコンバータであって、 各々供給電力の１位相から入力電圧を受け取るようになされた少くとも２対の
入力ノードと、前記単相交流出力電圧波形のための取り出しポイントを提供する
ように構成された２つの出力ノードを画定するように接続された１つ又はそれ以
上のスイッチング組立体を有するマトリックスと、 該ブリッジ回路の各スイッチング組立体に制御信号を供給するための制御回路
と、 前記出力ノードを介して接続された共振回路と、 から成り、 前記各スイッチング組立体は、前記マトリックス回路の１つのアームを画定す
るように１つの入力ノードと１つの出力ノードの間に直列に接続された少くとも
２つの半導体スイッチングデバイスから成り、 前記制御回路は、前記出力ノード間に前記共振回路の共振周波数に実質的に等
しい出力波形を創生するために前記マトリックス回路の各アームのスイッチング
組立体のスイッチングデバイスを、該共振回路の共振周波数に実質的に等しい周
期を有するパターンでオンオフする制御信号を発生するようになされており、前
記共振回路は、前記入力波形の周波数より高い周波数を有することを特徴とする
コンバータが提供される。
【００３８】 最も簡単な実施形態においては、コンバータは２対のアームで構成することが
できる。合計４つのアームを、２つの入力ノードを画定するようにブリッジの形
に互いに接続することができる。入力電圧は、これらの２つの入力ノードに接続
することができ、必要ならば、１つの入力ノードを接地することができる。
【００３９】 本発明の第３の側面によれば、多相交流電圧波形を単相交流出力電圧波形に変
換するためのコンバータであって、 本発明の第１の側面による前記装置を含み、各１つの入力位相に対応する１つ
の入力ノードと、２つの出力ノードを有し、前記各スイッチング組立体は、各１
つの入力位相に対して１対のアームを含む複数対のアームを画定し、前記共振回
路は、前記入力波形の周波数より高い周波数を有することを特徴とするコンバー
タが提供される。
【００４０】 入力電圧が交流（通常、正弦波）である場合は、２対以上のアームを設け、そ
れらのアームを、入力波形の各１つの位相に対して１つの入力ノードが画定され
るように接続構成される。例えば、入力電圧が３相である場合、６つのアームを
設けることができ、入力電圧が４相である場合は、８つのアームを設けることが
でき、それらのアームを、４つの入力ノードが画定されるように接続構成するこ
とができる。
【００４１】 共振回路の共振周波数は、入力波形の周波数よりかなり高い値に選定すること
ができ、入力波形の周波数より少くとも１０倍、あるいは１００倍、あるいはお
そらく少くとも１０００倍以上高い値とすることができる。
【００４２】 例えば、入力波形が５０Ｈｚである場合、５０ｋＨｚの共振周波数を用いるこ
とができる。
【００４３】 本発明のコンバータには、出力ノード間に創生される正弦波形から１つ又は複
数の出力波形を構成するための手段を設けることができる。この手段は、所望の
出力波形を構成するためにパルス幅変調（ＰＷＭ）法を用いて駆動される幾つか
の追加のスイッチングデバイスを含むものとすることができる。
【００４４】
【発明の実施の形態】
以下に、添付図を参照して本発明の好ましい実施形態を例として説明する。 図１に示された高電圧変換回路は、ＤＣ入力電圧Ｖｓを単相ＡＣ出力電圧ＶＬ に変換するように構成されている。この回路は、４アームブリッジを画定するよ
うに互いに接続された４つの同一のスイッチング組立体１，２，３，４を有する
ブリッジ回路から成る。各スイッチング組立体は、この装置が取り扱うべき入力
電圧の最大限値に応じて最高８０個までの直列接続のスイッチングデバイスＳＷ Ａ ，ＳＷＢ，ＳＷＣ，ＳＷＤから成る。図には、簡略化のために各アームに２つ
だけのスイッチングデバイス（以下、単に「デバイス」とも称する）が示されて
いる。
【００４５】 これらの４つのアームは、２つの直列接続対として接続され、スイッチング組
立体がループを形成するように一方の対のアームの両端が他方の対の対応する端
部に接続されている。２対のアームが接続されているポイントが、このブリッジ
回路（以下、単に「ブリッジ」とも称する）に入力電圧を印加することができる
入力ノード５０，６０を画定する。各対のアームの中央の２つの中央タップ７０
，８０が、このブリッジ回路から出力電圧取り出すことができる出力ノード７０
，８０を画定する。
【００４６】 図１に示されるように、ブリッジの各スイッチングデバイス（図では各アーム
に２つだけが示されている）は、高電圧半導体スイッチングデバイス（例えば、
ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ又はＧＴＯ）と、該スイッチングデバイスを跨いで並列
に接続されたダイオードと、印加される制御信号によって該スイッチングデバイ
スの状態をスイッチすることができる絶縁（孤立）制御器と、該スイッチングデ
バイスと並列に接続されたキャパシタＣＡ，ＣＢ，ＣＣ，ＣＤとから成る。
【００４７】 各絶縁制御器に印加される制御信号は、各デバイスのスイッチングのタイミン
グを所定のパターンで調整（コオーディネート）する制御手段（図示せず）によ
て供給される。
【００４８】 例えば高電圧送電ネットワークからの直流入力電圧波形Ｖｓは、入力ノード５
０，６０を介してブリッジに接続される。入力インダクタＬｓが、入力ノード５
０，６０の一方（入力ノード５０）を入力波形から隔絶し、他方の入力ノード６
０は、入力信号に共通の適当な接地ポイントに接地される。インダクタＬｓを設
けたことによりこのブリッジ回路への電流給電を保証し、ブリッジ回路への電流
の供給を調整する。
【００４９】 ２つの出力ノード７０と８０の間に（に跨って）共振回路１００が接続される
。この共振回路１００は、並列接続のＬＣ回路から成る。共振回路１００の誘導
性素子（インダクタＬＲ）と容量性素子（キャパシタＣＲ）の値は、ＬＣ回路及
びブリッジ回路の共振周波数がこの装置から得るべき目的出力周波数の値にマッ
チするように選択される。図示の例では、入力電圧は、約１４０ｋＶであり、共
振回路の共振周波数は、５ｋＨｚの出力波形を創生することができるように５ｋ
Ｈｚに設定されている。
【００５０】 絶縁変圧器１１０の一次巻線（入力）側が、出力ノード７０と８０に跨って共
振回路１００と並列に接続され、絶縁変圧器１１０の二次巻線（出力）側は、電
気負荷に接続される。負荷は、共振回路の５ｋＨｚの周波数で電力を引き出す。
【００５１】 制御回路（図示せず）は、例えば、各スイッチングデバイスのためのそれぞれ
の絶縁制御器に供給する個々の制御信号を発生するマイクロプロセッサから成る
。各制御信号は、対応するスイッチングデバイスの状態をオンからオフへ、又は
、その逆に切り換えるための絶縁制御器に対する指令の周期的に反復されるパタ
ーンである。
【００５２】 作動において、スイッチングデバイスは、ブリッジの斜めに対向するアーム１
，３又は２，４のどちらかのスイッチングデバイスをスイッチオンし、残りのス
イッチングデバイスをスイッチオフすることによって交互に開閉される。このス
イッチ動作は、この装置の共振周波数で行われる。従って、電流は、共振回路の
電圧の昇降と共振して、即ち共振周波数で、共振回路へ最初は一方向に、次いで
他方向に供給される。それによって、出力ノード７０，８０間に共振回路の共振
周波数で正弦波の出力電圧が創出される。
【００５３】 制御信号は、正弦波出力電圧がゼロをよぎったとき各スイッチングデバイスが
状態を（開から閉へ又はその逆に）切り換えるように選択される。かくして、ス
イッチングデバイスの前後間に電圧の急激な遷移が生じないので、スイッチング
損失が最少限にされる。又、スイッチ動作のタイミングの僅かな誤差がそれほど
決定的な重要性をもたなくなる。
【００５４】 図１に示されたブリッジ回路は電流給電型であるから、スイッチの制御は、入
力インダクタＬｓがブリッジ回路を通り共振回路を通る電流経路、又は、接地ノ
ード６０へ通じる電流経路に通じるようにすることができなければならない。こ
れは、図示の例では、制御信号が、ブリッジの対応する側をスイッチオフさせる
前にすべてのスイッチングデバイスを一瞬の間又は一時的にスイッチオンさせる
指令を発するようにすることによって達成される。この時点で、共振回路の電流
は、最大になり、従って、スイッチオンの時間が可及的に短くされる。
【００５５】 すべてのスイッチングデバイスを短時間の間スイッチオンさせることによって
ブリッジ回路の各アーム１，２，３，４のキャパシタＣＡ，ＣＢ，ＣＣ，ＣＤの
電荷が放散される。このことは、適正な電圧分担を担うために各キャパシタを適
正に機能させる上で重要である。この放電期間がなければ、個々のキャパシタの
電荷により残留電圧が蓄積することになる。もちろん、すべてのスイッチングデ
バイスを同時にオン状態へスイッチさせることは必須要件ではなく、単にすべて
のスイッチングデバイスを互いにオーバーラップする時間オン状態に保持すれば
よい。
【００５６】 ブリッジ回路及び共振回路の電流及び電圧が定常状態にまで上昇したならば、
制御手段は、各スナバキャパシタの前後間の正味電圧が１サイクル終了時に実質
的にゼロになるように各スイッチングデバイスを操作する構成とされている。こ
れは、共振回路の前後間のピーク電圧を選択し、それを供給電圧の２倍半に設定
することによって達成される。
【００５７】 この実施形態では各スイッチングデバイスを跨ぐスナバキャパシタＣＡ，ＣＢ ，ＣＣ，ＣＤの定格の選択は、入力電圧と選択された特定の出力周波数に応じて
決められるが、スイッチングデバイスの周りのあらゆる漂遊キャパシタンス効果
を無力にするのに充分な大きさでなければならない。ただし、そのような大きさ
のキャパシタンスは、ブリッジ回路及び共振回路の共振周波数に影響するすこと
に留意すべきである。これらのキャパシタは、スイッチ動作の際各アーム１，２
，３，４の電圧をそれぞれのスイッチングデバイスにどのように分担させるかを
決定するので重要である。これらのキャパシタは、電圧ゼロ交差（電圧がゼロを
よぎる）時点でのスイッチングを可能にする共振回路と協同して、各スイッチン
グデバイスのスイッチ動作を完全に同期させることに苦慮する必要なしに、多数
のスイッチングデバイスを使用することを可能にする。
【００５８】 図２は、本発明の第２実施形態を示す。本発明は、この実施形態では、三相Ａ
Ｃ供給（入力）電圧Ｖｓをモータ等のＡＣ負荷に供給するために単相ＡＣ出力電
圧ＶＬに変換するためのコンバータを提供する。
【００５９】 この実施形態の高電圧変換回路も、図１の変換回路の場合と同様に、ブリッジ
回路から成るが、三相入力電圧を変換するものであるため、ブリッジ回路は、２
対のアームではなく、３対の直列接続アーム１，２，３，４，５，６を有する。
これらの３対のアームは、２つの出力ノード７０，８０を画定するように並列に
接続されている。各対のアームの中央に１つづつ合計３つの入力ノード９０が画
定され、２つの出力ノード７０，８０は、３対のアームが接続されているポイン
トによって画定される。
【００６０】 この実施形態においてもやはり、ブリッジの各アームに多数対の同一のスイッ
チング組立体（図には２対だけが示されている）が直列に接続されている。ただ
し、この実施形態では、各スイッチング組立体は、ｎ個の単一のスイッチングデ
バイスではなく、ｎ対の背中合わせに接続されたスイッチングデバイスから成る
。各スイッチングデバイスを跨いでダイオードが並列に接続され、２つのせなか
あわせのデバイスを跨いでキャパシタＣＡ，ＣＢ，ＣＣ，ＣＤ，ＣＥ，ＣＦが並
列に接続されている。
【００６１】 各スイッチング組立体の２つの背中合わせ接続スイッチングデバイスは、入力
波形が第１実施形態の場合のようにＤＣではなくＡＣであるこの第２実施形態に
おいて必要とされる双方向スイッチング組立体を構成する。もちろん、当業者に
は明らかなように、この構成は、適当な制御信号を印加することによって、電流
の流れを単にスイッチオン・オフさせるのではなく、電流の流れを２方向にスイ
ッチすることを可能にする。
【００６２】 やはり、各対のデバイスに跨るキャパシタは、各対のデバイスの前後間の電圧
の変化率を制御し、従って、各アームに分配する（分担させる）電圧を調整する
。高い入力電圧の場合は、これは、各スイッチングデバイスの損傷を防止するた
めに必須の要件である。
【００６３】 図１の実施形態の場合と同様に、電力供給源からこの変換回路への実質的に一
定した電流の供給を保証するために入力インダクタＬｓＡ，ＬＳＢ，ＬＳＣが設
けられている。ただし、この実施形態では、１つの入力ノードに対して１つづつ
、合計３つの入力インダクタが必要とされる。
【００６４】 共振回路１００が、第１実施形態の場合と同様の態様で２つの出力ノード７０
と８０の間に（に跨って）接続されて織り、絶縁変圧器１１０が、出力ノード７
０と８０に跨って接続され、絶縁変圧器１１０の二次巻線（出力）側から負荷に
ＡＣ電圧を供給するようになされている。
【００６５】 各スイッチングデバイスの絶縁制御器に制御信号を送る制御回路（図示せず）
が設けられる。第１実施形態の場合と同様に、各スイッチングデバイスのスイッ
チングは、共振回路の前後間の電圧がゼロをよぎるときに行われるが、図２の実
施形態においては各位相のための入力インダクタＬｓＡ，ＬＳＢ，ＬＳＣ内に電
流の適正な制御を維持する必要があるので、各スイッチングデバイスのスイッチ
ングパターンは、第１実施形態のそれより複雑である。それ（各位相のための入
力インダクタ内に適正な電流を維持するように制御すること）は、共振回路の数
回の半サイクルに亙っての平均電圧が電流をどの瞬間時点においても当該位相の
供給電圧に対して適正であると考えられる値に昇降させるような態様に、共振回
路の両側に跨るインダクタをスイッチすることによって達成される。そのような
制御は、共振回路の共振周波数が入力周波数よりはるかに高いので、容易に達成
することができる。
【００６６】 ここに開示した２つの実施形態は、本発明を限定することを企図したものでは
なく、他のいろいろな変型が可能であることを理解されたい。共振回路を設ける
ことにより、各アームに例えば５０個、６０個又はそれ以上の直列接続のスイッ
チングデバイスから成る数個のスイッチング組立体を設けることを可能にし、し
かも、従来技術にみられた同期の問題を回避することができる。これにより、半
導体スイッチを用いて従来技術では達成するのが容易ではなかった、最高４００
ｋＶ又はそれ以上の入力電圧で作動することが可能なコンバータを提供すること
ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、本発明に従ってＤＣ入力電圧をＡＣ出力電圧に変換するように構成さ
れた高電圧変換回路の概略図である。
【図２】 図２は、本発明に従って３相ＡＣ入力電圧を単相ＡＣ出力電圧に変換するよう
に構成された高電圧変換回路の概略図である。
【符号の説明】
１，２，３，４ スイッチング組立体、アーム １，２，３，４，５，６ 直列接続アーム ５０，６０ 入力ノード ７０，８０ 中央タップ、出力ノード ９０ 入力ノード １００ 共振回路 １１０ 絶縁変圧器 ＣＡ，ＣＢ，ＣＣ，ＣＤ キャパシタ、スナバキャパシタ ＣＡ，ＣＢ，ＣＣ，ＣＤ，ＣＥ，ＣＦ キャパシタ ＣＲ キャパシタ ＬＲ インダクタ Ｌｓ インダクタ、入力インダクタ ＬｓＡ，ＬｓＢ，ＬｓＣ インダクタ、入力インダクタ ＶＬ 出力電圧 Ｖｓ 直流入力電圧波形、入力電圧
───────────────────────────────────────────────────── 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，ＴＲ)，ＯＡ(ＢＦ ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ， ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，Ｇ Ｍ，ＫＥ，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，Ｂ Ｚ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＯ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ ，ＤＫ，ＤＭ，ＤＺ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ， ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，Ｉ Ｓ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ， ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＭＺ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，Ｐ Ｔ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ， ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ Ｆターム(参考） 5H007 AA03 BB02 CA00 CA01 CA02 CA05 CB05 CB09 CC06 CC32 DB12 FA20 5H750 BA01 BA05 CC02 CC04 CC06 CC07 CC11 CC14 CC16 DD14 DD17 DD25

Claims (16)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 入力電圧から交流電圧出力波形を創生するための装置であっ
    て、 前記入力電圧を受け取るための少くとも２つの入力ノードと、前記出力波形の
    ための取り出しポイントを提供するように構成された２つの出力ノードとを画定
    するように接続された１つ又はそれ以上のスイッチング組立体を有するブリッジ
    回路と、 該ブリッジ回路の各スイッチング組立体に制御信号を供給するための制御回路
    と、 前記出力ノードに跨って接続された共振回路と、 から成り、 前記各スイッチング組立体は、前記ブリッジ回路の１つのアームを画定するよ
    うに１つの入力ノードと１つの出力ノードの間に直列に接続された少くとも２つ
    の半導体スイッチングデバイスと、該ブリッジ回路のアームのスイッチングデバ
    イスの少くとも１つと並列に接続されたキャパシタとから成り、 前記制御回路は、前記出力ノードを介して前記共振回路の共振周波数に実質的
    に等しい出力波形を創生するために、前記ブリッジ回路の各アームのスイッチン
    グ組立体のスイッチングデバイスを、該共振回路の共振周波数に実質的に等しい
    周期を有するパターンでオン・オフする制御信号を発生するようになされている
    ことを特徴とする装置。
  2. 【請求項２】 前記ブリッジの各アーム中に少くとも１０個又は２０個又は
    ５０個又はそれ以上のスイッチデバイスが接続されていることを特徴とする請求
    項１に記載の装置。
  3. 【請求項３】 前記制御回路は、前記共振回路の電流の１つの半サイクルに
    おいて前記ブリッジ回路の１つのアーム中の各スイッチングデバイスをオン状態
    からオフ状態にスイッチし、次の半サイクルにオフ状態からオン状態にスイッチ
    するように構成されており、該スイッチング動作は、実質的に該共振回路の共振
    周波数で実施されるることを特徴とする請求項１又は２に記載の装置。
  4. 【請求項４】 前記ブリッジ回路の各アームのスイッチングデバイスの各々
    に並列にキャパシタが接続されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか
    １項に記載の装置。
  5. 【請求項５】 前記少くとも１つのスイッチングデバイス又は各スイッチン
    グデバイスに並列に接続されたキャパシタの容量値は、オン状態からオフ状態に
    、又はその逆にスイッチされるとき対応するスイッチングデバイスの前後間の電
    圧変化率を決定するように選択されていることを特徴とする請求項１〜４のいず
    れか１項に記載の装置。
  6. 【請求項６】 前記ブリッジ回路の各アームのスイッチングデバイスに跨る
    すべてのキャパシタが実質的に同じ要領地を有していることを特徴とする請求項
    ４又は５に記載の装置。
  7. 【請求項７】 前記制御回路は、前記スイッチングデバイスの１つ又はそれ
    以上がスイッチオフされる前に、スイッチングデバイスに並列に接続された前記
    キャパシタを放電させるように前記出力ノード間の電圧がゼロをよぎるのと実質
    的に同時に前記ブリッジ回路のすべてのスイッチングデバイスをオン状態に保持
    するように制御する構成とされていることを特徴とする請求項４、５又は６に記
    載の装置。
  8. 【請求項８】 前記制御回路は、前記共振回路の前後間の電圧がゼロをよぎ
    るたびに前記スイッチングデバイスをそれらがすべて所定時間の間スイッチオン
    されるように制御する構成とされていることを特徴とする請求項７に記載の装置
    。
  9. 【請求項９】 前記制御回路は、単一の指令信号を発生し、その信号を改変
    して前記ブリッジ回路の各アームのすべてのデバイスのスイッチ状態をそれぞれ
    決定する適正な制御信号を発生するように構成されていることを特徴とする請求
    項８に記載の装置。
  10. 【請求項１０】 前記共振回路は、前記出力ノード間の容量性素子と、該容
    量性素子に直列に接続させた誘導性素子から成ることを特徴とする請求項１〜９
    のいずれか１項に記載の装置。
  11. 【請求項１１】 前記スイッチング組立体のスイッチングデバイスは、半導
    体スイッチングデバイスから成ることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１
    項に記載の装置。
  12. 【請求項１２】 前記制御回路は、前記スイッチング組立体のスイッチング
    デバイスを、その各々が前記共振回路の前後間の電圧、従って前記出力ノード間
    の電圧がゼロをよぎるのと実質的に同時にオン状態からオフ状態又はその逆にス
    イッチされるように制御する構成とされていることを特徴とする請求項１〜１１
    のいずれか１項に記載の装置。
  13. 【請求項１３】 前記入力ノードの少くとも１つと該入力ノードに接続され
    たスイッチングデバイスとの間に直列にインダクタが接続されていることを特徴
    とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載の装置。
  14. 【請求項１４】 前記出力ノードの間に接続された少くとも１つの一次巻線
    と、出力波形を取り出すことができる出力端を構成する二次巻線を有する絶縁変
    圧器を含むことを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１項に記載の装置。
  15. 【請求項１５】 定常ＤＣ入力電圧を交流出力電圧波形に変換するためのコ
    ンバータであって、少くとも２対のアームを有する請求項１〜１４のいずれか１
    項に記載の装置から成り、該４つのアームは、２つの入力ノードを画定するよう
    にブリッジ回路の形に互いに接続されており、前記入力電圧が該２つの入力ノー
    ドの間に接続されることを特徴とするコンバータ。
  16. 【請求項１６】 多相交流電圧波形を単相交流出力電圧波形に変換するため
    のコンバータであって、 各々供給電力の１位相から入力電圧を受け取るようになされた少くとも２対の
    入力ノードと、前記単相交流出力電圧波形のための取り出しポイントを提供する
    ように構成された２つの出力ノードを画定するように接続された１つ又はそれ以
    上のスイッチング組立体を有するマトリックスと、 該ブリッジ回路の各スイッチング組立体に制御信号を供給するための制御回路
    と、 前記出力ノードに跨って接続された共振回路と、 から成り、 前記各スイッチング組立体は、前記マトリックス回路の１つのアームを画定す
    るように１つの入力ノードと１つの出力ノードの間に直列に接続された少くとも
    ２つの半導体スイッチングデバイスから成り、 前記制御回路は、前記出力ノード間に前記共振回路の共振周波数に実質的に等
    しい出力波形を創生するために前記マトリックス回路の各アームのスイッチング
    組立体のスイッチングデバイスを、該共振回路の共振周波数に実質的に等しい周
    期を有するパターンでオンオフする制御信号を発生するようになされており、前
    記共振回路は、前記入力波形の周波数より高い周波数を有することを特徴とする
    コンバータ。
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