JP2005528872A - 切換モード電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、複数の切換モード電源変圧器（Ｔ１乃至ＴＮ）を有する切換モード電源装置に関する。
【解決手段】切換モード電源変圧器（Ｔ１乃至ＴＮ）の一次巻線（Ｐ１乃至ＰＮ）は電気的に直列接続されており、切換モード電源変圧器（Ｔ１乃至ＴＮ）の各々の二次巻線（Ｓ１乃至ＳＮ）には、出力電圧調整器（ＡＲ１乃至ＡＲＮ）が接続されており、一次巻線（Ｐ１乃至ＰＮ）の直列接続は交流電源（ＷＱ）の出力端に接続されている。

Description

本発明は、いわゆるゲートユニット、すなわち、高電圧用スイッチ又は変換器に設けられており、複数の半導体スイッチが直列されており、パワー半導体スイッチを制御するための起動ユニットに、そこに電力供給するために特に適切である切換モード電源装置に関する。静止形変換器の技術の他に、例えば、煙道ガスを掃除するための集塵器又は食品技術及び医療技術における高電圧パルス利用が、可能な利用分野である。この場合、かような高電圧装置では、ＩＧＣＴ，ＧＴＯ，サイリスタ、ＭＯＳＦＥＴ及びＩＧＢＴが、典型的に用いられかつ電気的に直列接続された半導体スイッチである。電圧差が大きい場合には、電位分離が、起動ユニットへの電力供給のために必要とされる。

従来の技術は、
ａ）大抵は５０Ｈｚの技術を用いた、低電圧ＡＣバスに並列接続された高絶縁変圧器によって、あるいは、
ｂ）直流電圧供給装置に接続された、入力電圧側で並列接続された個々の高絶縁ＤＣ／ＤＣ変換器によって実現される高い電位分離機能を有する各々の電源装置によって起動ユニットに電力供給することである。

既知の装置の欠点は、変形ａ）の場合には、典型的な５０Ｈｚの技術を用いた変圧器が嵩張り、重量がありかつ高価であり、組込み労力が莫大であることである。

変形ａ）及びｂ）では、絶縁／浴面距離に関する問題が生じる。何故ならば、ＡＣ又はＤＣ供給バスが各々のスイッチ段まで延びており、そこで、分岐されねばならないからである。

高出力静止形変換器技術では、特に、ラインスイッチング素子の直列接続が用いられるとき、各々の起動装置内の用いられる変圧器の絶縁への及び、特に、一次回路と二次回路との間の、起動装置の寄生的な容量性の結合への要求の増大がある。この結合が絶対に非常に低くなければならないのは、寄生的な結合キャパシタンスの充電電流／放電電流によるゲートユニットへの影響から電子機器を守るためである。従来の技術では、従って、絶縁への要求に応えるためには、封入された変圧器が用いられる。しかし、このような変圧器は、特に、該変圧器が５０Ｈｚ技術を基にした変圧器であるとき、通常、望ましくないほどに高い寄生的な結合キャパシタンスを有する。

従って、種々の高電圧電位にあるロードへの電力供給に適切であり、電位分離への及び小さな結合キャパシタンスへの高い要求に応じることができる装置を提供するという課題が、本発明の基礎になっている。

この課題は、請求項１の記載の特徴を有する切換モード電源装置によって解決される。好都合な実施の形態は他の請求項に記載されている。

従って、本発明によって、複数の切換モード電源変圧器を有する切換モード電源装置が提案される。切換モード電源変圧器の一次巻線は電気的に直列接続されている。切換モード電源変圧器の各々の二次巻線には、出力電圧調整器が接続されている。一次巻線の直列接続は交流電源の出力端に接続されている。

各々の切換モード電源変圧器が、各々の二次巻線を担うフェライト環状コアを有することは好都合である。一次巻線の直列接続は、すべてのフェライト環状コアの中を通る高電圧絶縁コンダクタループとして、デザインされている。

切換モード電源装置の実現に必要な僅かな労力は好都合である。このことにより、切換モード電源装置は、多数の直列接続された個別素子を有する高電圧用静止形変換器のために、特にそのために適切である。何故ならば、切換モード電源装置の、個々のゲートユニットに割り当てられた素子の、その数が最小限だからである。変圧器は嵩が小さく、ゲートユニットの通常のプリント回路に直接取り付けられることができる。

更に、複数の利点のうちの１は、一次回路が遮断及び分岐される必要がないので、浴面距離に関する問題が生じないことにある。一次回路及び変圧器の特に好都合な実施の形態によって、非常に僅かな寄生的な結合キャパシタンスも達成される。

起動回路への電力供給のためには、通常は安定化されたプラスの及びマイナスの電圧が必要となる。提案された装置によって、このような供給用電圧の発生が、特に容易な方法で可能である。原理的には無損失の所定の調整によって、１つの変圧器につき数１００Ｗの比較的高い出力の変圧も、問題なく可能である。巻数又は追加巻線が二次側で異なることによって、高さの異なった出力電圧を発生させることができる。

以下、図面に示した実施の形態を参照して本発明を更に説明する。図１は提案された切換モード電源装置の略図を示している。この装置は、各々が一次巻線Ｐ１，Ｐ２乃至ＰＮと、二次巻線Ｓ１，Ｓ２乃至ＳＮと、変圧器コアＵｅＫ１，ＵｅＫ２乃至ＵｅＫＮとを有する複数の切換モード電源変圧器Ｔ１，Ｔ２乃至ＴＮを具備する。一次巻線Ｐ１，Ｐ２乃至ＰＮの直列回路は一次回路を形成する。この一次回路には一次電流ｉｐｒｉが流れており、この一次電流を、交流電圧Ｖ_ＡＣを印加する交流電源ＷＱが供給する。供給された電流は、例えば矩形であってもよいが、他の好都合な電流波形、特に正弦状の波形を有してもよい。

二次巻線Ｓ１，Ｓ２乃至ＳＮの各々には、整流器Ｇ１，Ｇ２乃至ＧＮが接続されている。各整流器には単極の電子式の切換スイッチＵ１，Ｕ２乃至ＵＮが続くように接続されている。各々の調整器Ｒ１，Ｒ２乃至ＲＮによって制御される切換スイッチＵ１，Ｕ２乃至ＵＮによって、整流器出力端は、切換位置Ａでは、常に、各々の出力コンデンサＣ１，Ｃ２乃至ＣＮに接続されているか、切換位置Ｋで短絡されている。二次側の装置は、各々の出力電圧調整器ＡＲ１，ＡＲ２乃至ＡＲＮを形成する。

図示した装置を用いて、複数の段１乃至Ｎの各々で、すなわち出力電圧調整器ＡＲ１，ＡＲ２乃至ＡＲＮによって、その時々に必要な出力を分岐することができる。例えば、このことに関して、種々の出力電力の極端な場合を記述する。この場合、只１つの段、例えば段１でのみ全出力が必要とされ、他のすべての段は無負荷にあると仮定しよう。このとき、段２乃至Ｎにおける切換スイッチＵ２乃至ＵＮが、大部分の時間の間、位置「Ｋ」にあるが、高い電力要求事項を有する、段１における切換スイッチは、位置「Ａ」にある。この場合、交流電源ＷＱの両端の電圧の増幅は、
Ｖ_ＡＣ＝（１／ｕｅ）・Ｖｏｕｔ，１
に適合する。このことは、複数の素子が無損失と見なされるとき、電源ＷＱによって供給される出力が、段１の出力端で発せられる出力とまさしく同じ大きさであることを意味する。ｕｅは変圧器の巻数比を示し、Ｖｏｕｔ，１は出力電圧調整器ＡＲ１の出力電圧である。

上で既述した利点の他に、提案された装置は、非常に高い固有の頑丈さを特徴としている。
−変圧器コアＵｅＫ１，ＵｅＫ２乃至ＵｅＫＮの、場合によってはあり得る磁気飽和は、装置の機能又は信頼性への影響を有しない。飽和が生じるのは、交流電源ＷＱ又は整流器Ｇ１，Ｇ２乃至ＧＮ及び切換スイッチＵ１，Ｕ２乃至ＵＮが、理想的でない性能を有する場合である。このことは、実際には、通常該当する。変圧器Ｔ１，Ｔ２乃至ＴＮのうちの１又は複数が、一次電流ｉｐｒｉのプラスの半波の間に、万一飽和するとき、これらの変圧器の間の電圧は弱まる。従って、作用は、スイッチＳ１乃至ＳＮが位置「Ｋ」にあるときと同じ作用である。このことは通常の作動状態に対応する。
−二次側のうちの１又は複数で万一エラーが発生するときは、残りの段は、問題なく続けて電力供給されて、完全に機能している。この場合、エラーが短絡をもたらすか、無負荷又は任意の負荷状態をもたらすかは、重要ではない。
ａ）あり得る極端なケース「短絡」は、切換スイッチＳｘが位置「Ｋ」にあるとき、通常の作動状態に対応する。
ｂ）他のあり得る極端なケースは、エラーが変圧器出力端で負荷をもたらすとき、生じる。このことも問題ではない。何故ならば、当該の段の変圧器コアが、ｉｐｒｉの各半波の際にのみ、飽和するからである。他の複数の段への電力供給は損なわれていない。このことが機能するのは、無負荷の変圧器が、一次側で、高いインピーダンスを示すからである。従って、電源ＷＱの両端の電圧は短時間非常に高くなる。その結果、当該のコアは、非常に短い時間後に飽和する。大部分の切換時間の間、通常の作動は、かくて、残りの、損なわれていない段のために保証されている。

複数のプラスの又はマイナスの出力電圧の発生は、追加の巻線を個々の変圧器に設けることによって、特に容易に可能である。出力コンデンサＣｘが、切換スイッチＳｘの位置「Ａ」で、変圧器Ｔｘに直接接続されていることによって、出力コンデンサは効果的に並列接続されている。この場合、１つの変圧器Ｔｘにつき、只１つの巻線においてのみ、１つの電圧調整器Ｒｘ及び１つの切換スイッチＵｘが必要である。

複数の変圧器Ｔｘが、図２に略示すように、スタックとしてデザインされていてもよいことは特に好都合である。この場合、変圧器コアＵｅＫ１，ＵｅＫ２乃至ＵｅＫＮは、夫々二次巻線Ｓ１乃至ＳＮを担うフェライト環状コアＲＫ１乃至ＲＫＮとしてデザインされている。一次巻線の必要な直列接続は、コアのすべての開口部の中を通って、図２に示さない交流電源によって接続されているコンダクタループＳＬとしてデザインされている。必要な電位分離を、環状コアの内径によって調整することができ、絶縁特性を、例えば、材料・厚みの選択によって、及び一次巻線の形成のためにコンダクタループＳＬとして用いられるケーブルを半導体的に被覆することによって調整することができる。

切換モード電源装置のあり得る好都合な実施の形態は、例えば図３に示されている。この場合、交流電源ＷＱは、電流安定形の逓降変換器としてデザインされている。例えば、共振-切換モード電源としてのデザインも可能だろう。直流電源ＧＱからは、図示された交流電源ＷＱに、直流電圧Ｖ_ＤＣが供給される。交流電源ＷＱは電子式のスイッチＱを有する。このスイッチは、装置の他のすべてのスイッチのように、例えばＭＯＳＦＥＴとしてデザインされている。逓降変換器の複数の他の要素は、ダイオードＤと、インダクタンスコイルＬと、ここでは例えばポテンショメータＰによって電流目標値が事前設定された、スイッチＱをパルス幅変調で起動するためのＰＷＭ調整器とである。かくて、まず、入力直流電圧から、僅かなＡＣ成分を有する直流電流が発生される。複数のスイッチＱａ…Ｑｄを有する後置のＨ字形ブリッジ（H-bruecke）は、この直流電流から、一次回路への電力供給のために必要な交流電流ｉｐｒｉを発生させる。Ｈ字形ブリッジは、インダクタンスコイルＬの中を流れる電流のための電流回路が常に与えられており、従って、いわゆる「重なり制御」が達成されるように、制御される。

図１に示した、各々の、二次側の、単極の切換スイッチＵ１乃至ＵＮは、図３の装置では、半導体スイッチＱ１乃至ＱＮとして、例えばＭＯＳＦＥＴとして及びダイオードＤ１乃至ＤＮとして実現されている。各々の整流器Ｇ１乃至ＧＮはブリッジ回路としてデザインされている。必要条件に応じて、星形回路網を用いてもよい。二次側の電圧調整器Ｒ１乃至ＲＮは、スイッチＱ１乃至ＱＮを、パルス幅変調ＰＷＭによって起動する。例えば、このＰＷＭを、二位置調節器（ヒステリシス調節器）によって達成することができる。

切換モード電源装置の略図を示している。 環状コア及び一次側のコンダクタループを有する切換モード電源変圧器の好ましい装置を示している。 切換モード電源装置の詳細回路図を示している。

Claims (5)

1. 複数の切換モード電源変圧器（Ｔ１乃至ＴＮ）を有する切換モード電源装置であって、前記複数の切換モード電源変圧器（Ｔ１乃至ＴＮ）の一次巻線（Ｐ１乃至ＰＮ）は、互いに電気的に直列接続されており、前記切換モード電源変圧器（Ｔ１乃至ＴＮ）の各々の二次巻線（Ｓ１乃至ＳＮ）には、出力電圧調整器（ＡＲ１乃至ＡＲＮ）が夫々接続されており、前記一次巻線（Ｐ１乃至ＰＮ）の直列接続は、交流電源（ＷＱ）の出力端に接続されている。
2. 前記各々の切換モード電源変圧器（Ｔ１乃至ＴＮ）は、前記各々の二次巻線（Ｓ１乃至ＳＮ）を担うフェライト環状コア（ＲＫ１乃至ＲＫＮ）を有し、前記一次巻線（Ｐ１乃至ＰＮ）の直列接続は、すべてのフェライト環状コア（ＲＫ１乃至ＲＫＮ）の中を通る高電圧絶縁コンダクタループ（ＳＬ）として、デザインされていることを特徴とする請求項１に記載の切換モード電源装置。
3. 前記複数のフェライト環状コア（ＲＫ１乃至ＲＫＮ）のうちの少なくとも１が、少なくとも１つの追加巻線を担うことを特徴とする請求項２に記載の切換モード電源装置。
4. 前記装置は、直列接続されたパワー半導体素子の起動装置に電位分離で電力供給するために用いられていることを特徴とする前記すべての請求項のいずれか１に記載の切換モード電源装置。
5. 前記交流電源（ＷＱ）は、逓降変換器を有することを特徴とする前記すべての請求項のいずれか１に記載の切換モード電源装置。

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