JP2006149184A - 双方向昇降圧型電力コンバータ、双方向昇降圧型電力コンバータを使用する電気始動発電機、およびそれらの方法 - Google Patents

双方向昇降圧型電力コンバータ、双方向昇降圧型電力コンバータを使用する電気始動発電機、およびそれらの方法 Download PDF

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Abstract

【課題】双方向昇降圧型電力コンバータ、双方向昇降圧型電力コンバータを使用する電気
始動発電機、およびそれらの方法を提供すること
【解決手段】双方向昇降圧型電力コンバータ（１３）は、機器（１０）の出力に配置され
た一対のインバータモジュール（１４、１５）と、この一対のインバータモジュール（１
４、１５）の間に接続されたインダクタＬ０とを含む。インバータ／整流器（１１）およ
び双方向昇降圧型コンバータ（１３）を有する機器始動器発電機（１０）の電圧出力を制
御する方法は、この始動器発電機（１０）が発電機モードにあるとき、双方向昇降圧型パ
ルス幅変調（ＰＷＭ）スイッチング制御によって制御される直流電圧を出力することを含
む。
【選択図】図１

Description

本発明は、交流機の出力を制御することに関し、より詳細には、電気始動発電機（ｅｌ
ｅｃｔｒｉｃ ｓｔａｒｔｅｒ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）の出力を制御する昇降圧型電力コ
ンバータに関する。
小さなサイズに最適化された高速交流機は、大きな交流インピーダンスを有するときが
ある。整流器を通して直流負荷のために電力を生成している定常状態動作中には、大きな
交流インピーダンスは重要な問題ではない。しかし、負荷が突然加えられるか、または取
り除かれるときには、大きな交流インピーダンスは問題となる。負荷が印加され、または
除去されたことの結果として整流器から負荷に供給される直流電圧の変化は許容できない
ほどに大きくなるので、そうである。
この問題に対処した１つの方法は、整流器の出力に大きなコンデンサバンクを使用して
過渡エネルギーを供給するか、または吸収することである。しかし、大きなコンデンサバ
ンクは、サイズおよび重さをかなり増し、このことは、サイズおよび重さをできるだけ制
限しなければならないシステムでは問題である。したがって、依然として改善の必要があ
る。
Kheraluwala, M. N. ; Gascoigne, R. W.; Divan, D. M.; Baumann, E. D. 「Performance characterization of a high-power dual active bridge DC-to-DC converter」, IEEE Transactions on, Volume: 28, Issue: 6, Nov. -Dec. 1992, Pages 1294-1301
本発明の例示の実施形態は、機器の出力に配置された一対のハーフブリッジインバータ
モジュールと、この一対のハーフブリッジインバータモジュールの間に接続されたインダ
クタとを含んだ双方向昇降圧型電力コンバータを含む。
本発明の他の例示の実施形態では、双方向昇降圧型電力コンバータは、機器の出力に配
置された一対のフルブリッジインバータモジュールと、この一対のフルブリッジインバー
タモジュールの間に接続された変圧器とを含む。
本発明の追加の例示の実施形態では、電気始動発電機（ＥＳＧ）システムは、始動時に
は機械的な動力を航空機エンジンまたはタービンに供給するように構成され、かつ発電動
作中にはタービンからの機械的な動力を電力に変換するように構成されている。ＥＳＧシ
ステムは、主負荷に機械的に結合され、かつ交流（ＡＣ）電圧を供給するように構成され
た同期始動発電機、この同期始動発電機に電気的に接続され、かつ交流電圧を直流電圧に
変換するように構成されたインバータ／整流器、および、過渡動作中に出力電圧を逓増し
、過渡動作中に出力電圧を逓減し、定常状態動作中に出力電圧を逓増し、さらに定常状態
動作中に出力電圧を逓減するという複数の動作の各々を行なうように構成された双方向昇
降圧型電力コンバータを含む。
本発明の方法の実施形態では、インバータ整流器および昇降圧型コンバータを有する交
流機始動発電機の電圧出力を制御する方法は、この始動発電機が発電機モードにあるとき
、双方向昇降圧型パルス幅変調（ＰＷＭ）スイッチング制御によって制御された直流電圧
を出力することを含む。
本発明の有利点、本質および様々な追加の特徴は、図で模式図的に明らかにされる本発
明の実例の実施形態を考察するときより完全に明らかになるだろう。
本発明は添付の図面を参照してさらに詳細に説明するが、この図面はどんな方法ででも
本発明の範囲を制限しない。
本発明の実施形態では、2個の双方向昇降圧型コンバータが交流機／インバータ／整流
器システムの出力に構成されて、突然の負荷変化に対して高速過渡応答を可能にしながら
、始動かまたは発電のために、どちらでも任意の方向に、制御された電力流れを可能にす
る。どちらでも任意の方向に電圧を下げるかまたは上げることができるので、昇降圧型コ
ンバータの制御によって突然の負荷印加または負荷除去時に出力電圧を維持することがで
きる。
双方向昇降圧型電力コンバータの実施形態を、図１を参照して説明する。直流機と交流
機の両方に適応できるが、図１を参照して述べる例示の双方向昇降圧型電力コンバータ回
路１３は、交流機用に構成されている。図１は、３相インバータ／整流器１１を出力に有
する交流機１０を示す。インバータ／整流器１１の出力の両端間に、直流リンクフィルタ
コンデンサＣ１があり、出力直流（ｄｃ）バスの両端間にコンデンサＣ２がある。コンデ
ンサＣ１とＣ２の間に、昇降圧型コンバータ回路１３があり、このコンバータ回路１３は
、2個のハーフブリッジインバータモジュール１４および１５と、インダクタＬ０とを含
む。ハーフブリッジインバータモジュール１４に、トランジスタＱＡおよびＱＢと、それ
らに関連した逆方向並列ダイオードＤＡおよびＤＢとが含まれている。ハーフブリッジイ
ンバータモジュール１５は、トランジスタＱＣおよびＱＤと、それらに関連した逆方向並
列ダイオードＤＣおよびＤＤとを含む。
昇降圧型コンバータ回路１３への入力はインバータ／整流器１１によって供給され、こ
のインバータ／整流器１１は交流機１０の出力電力を変換する。図１には巻線界磁型同期
機を示すが、多くの他の型の交流機、例えば永久磁石型または誘導型を使用することもで
きる。
下に示す表は、定常状態において直流（ｄｃ）出力（図１に２７０Ｖ直流（ｄｃ）とし
て示す）を調整するために界磁制御を使用する巻線界磁型機器を想定して、システムの動
作中に、昇降圧型コンバータ回路１３のどのデバイスが、どのモードで動作しているかを
示す。
Figure 2006149184
ここで、表に示すように、定常状態出力電圧調整のために界磁制御を使用する巻線界磁
型同期機を想定して、図１に示す昇降圧型コンバータ回路１３の動作について述べる。表
において、「導通」はデバイスが完全にオンであることを意味し、「チョッピング」はデ
バイスが能動的にオンまたはオフになることを意味し、そして「スイッチング」はダイオ
ードがスイッチングモードで動作していることを意味する。本発明の実施形態においては
、電力はどちらでも任意の方向に、すなわち始動かまたは発電かで処理することができ、
また電圧はどちらでも任意の方向で下げる（減少される）かまたは上げることができる。
例えば、電気始動発電機は、始動モードでは航空機のエンジンを始動するように、また定
常状態動作（発電モード）中には補助システムに電力を供給するように構成される。例示
の電気始動発電機では、電力は、始動動作において第1の方向でタービン（例えば、航空
機エンジン）に供給され、そして、発電モードにおいて逆方向で補助システムに供給され
る。有利なことには、双方向昇降圧型コンバータ１３は、両方向で（始動動作中にタービ
ンに、そして発電機動作中に補助システムに）、電気始動発電機で供給される電圧を下げ
たり（逓減したり）上げたり（逓増したり）するように構成されている。
発電モード中に、トランジスタＱＡおよびダイオードＤＣは導通であり、昇降圧型コン
バータ回路の出力から負荷に整流器出力を供給する。発電モード中に、同期機の直流（ｄ
ｃ）界磁を制御して出力電圧が調整される。負荷印加モード中に、トランジスタＱＡは導
通であり、トランジスタＱＤはチョッピングであり、ダイオードＤＣはスイッチングであ
り、そして主整流器出力は、出力直流（ｄｃ）電圧を過渡時に許容される範囲内に保つた
めに昇圧される（すなわち、出力電圧のアンダシュートが制限される）。負荷阻止モード
中に、トランジスタＱＡはチョッピングであり、ダイオードＤＢはスイッチングであり、
ダイオードＤＣは導通であり、そして主整流器出力は、過渡中に出力直流（ｄｃ）電圧を
許容可能な範囲内に保つために再び下げられる（すなわち、出力電圧オーバシュートが制
限される）。始動モード中に、トランジスタＱＣはチョッピングであり、ダイオードＤＡ
は導通であり、ダイオードＤＤはスイッチングであり、主インバータは６ステップモード
で動作し、２７０Ｖ直流が下げられる。
電圧はどちらでも任意の方向で下げるかまたは上げることができるので、昇降圧型コン
バータは負荷の印加中または除去中に出力電圧を維持することができる。
さらに、昇降圧型コンバータ回路によって電圧暴走（オーバシュートおよびアンダシュ
ート）が制御されるので、関連技術に関して上で説明した方法に比べて直流リンクフィル
タコンデンサの大きさを減少させることができる。さらに、関連技術のシステムでは、コ
ンデンサはエネルギー蓄積のために使用されるが、本発明の実施形態では、コンデンサＣ
１およびＣ２は、基本的に、出力のリップルを無くするために使用される高周波バイパス
コンデンサである。
主インバータ整流器コンバータ回路は、「６ステップ」モードで動作することができ、
そして、双方向昇降圧回路はパルス幅変調（ＰＷＭ）モードで動作して、始動中に、すな
わちモータとして交流機を駆動するときに、機器周波数に比例した直流リンク電圧を出力
することができ、このことによって、従来システムで必要とされる完全直流バス電圧によ
るインバータの正弦波ＰＷＭ動作に比べて、インバータのスイッチング損失が大いに減少
する。始動中に直流リンク電圧を生成するように昇降圧型コンバータ回路をＰＷＭモード
で動作させることで、電流リップルがより小さくなり、電力損失がより小さくなる。
振幅が可変であるように直流リンクバスを制御する場合、機器に接続されたコンバータ
は、スイッチング損失を減少させるために「パルス振幅モード」で動作させてもよい。こ
のために、コンバータは標準ＰＷＭコンバータとして、または一定のデューティサイクル
で切り換えられるが、直流バスは機器速度に比例して変化する。電流調整器の帯域幅は、
昇降圧型コンバータが電圧を変えることができる速度に依存する。また、誘導発電機の場
合には、インバータは「６ステップ」モード（方形波）で動作することができ、前に説明
したように電流調整で昇降圧型コンバータ回路の出力電圧が変調される。
出力を調整するために界磁制御を使用する巻線界磁型同期機では、昇降圧回路のＰＷＭ
チョッピング動作は出力を制御するために必要でない。言い換えれば、トランジスタＱＡ
は完全オンにゲート制御され、ダイオードＤＣは直流（ｄｃ）電流を通す。したがって、
定常状態動作中に、スイッチング損失は減少する。
関連技術に関連して上で説明したシステムと違って、昇降圧型コンバータ回路を使用す
るために、負荷阻止中に交流機の出力で電力を損失するために電力抵抗器は必要でない。
負荷印加および負荷除去中に電圧を制御して、昇降圧型コンバータ回路はシステムの出力
電圧を維持することができ、それによって、電力抵抗器の必要が無くなる。
従来システムに優る本発明の上述の実施形態の有利点は、より優れた故障処理能力であ
る。というのは、出力でショート回路があった場合、大きなコンデンサが必要でなく、大
きな出力コンデンサバンクで供給されるかもしれないともすると破壊的な電流が避けられ
るからである。
また、「昇降圧」機能は、どちらでも任意の方向で電力を処理することができる変圧器
分離回路を使用して実現することもできる。１つのそのような実施形態を図２に示す。こ
の図では、2個のフルブリッジインバータ２４、２５は、この2個のインバータの間に分離
変圧器２６がある状態で示されている。各フルブリッジを全方形波モード（すなわち、向
き合っているトランジスタ各々は、ほぼ５０％の時間の間、導通する）で駆動し、変圧器
で方形波を生成することで、電力はどちらでも任意の方向で処理される。電圧変換および
電力流れの方向は、一方のブリッジを他方に対して位相シフトさせることで制御される。
また、この型の動作はトランジスタの「ソフトスイッチング」をもたらすことができる。
Kheraluwala, M. N.; Gascoigne, R. W.; Divan, D. M.; Baumann, E. D. 「Performance
characterization of a high-power dual active bridge DC-to-DC converter」, Indus
try Applications, IEEE Transactions on, Volume: 28, Issue: 6, Nov. -Dec. 1992, P
ages 1294-1301に記載されているように、このソフトスイッチングは、低スイッチングス
トレスおよび損失をもたらす。図２に示すように変圧器を使用することによって、大きな
電圧変換比をより容易に扱える。例えば、機器電圧が高く、直流（ｄｃ）バス電圧が低い
場合（図２に示す４８ボルト直流のように）、この電圧変換の大部分を生じるように変圧
器の巻数比を調整することができる。また、変圧器の直流電気分離（ｇａｌｖａｎｉｃ
ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）のために、機器および出力電圧接地のより多くのオプションを使用
することができるようになる。また、留意されたいことであるが、図2に示すフルブリッ
ジインバータの代わりに、ハーフブリッジインバータを使用することができる。
本発明は特定の実施形態の点から説明したが、当業者は認めるであろうが、本発明は特
許請求の範囲の精神および範囲内で修正して実施することができる。すなわち、本発明は
電気始動発電機の用途の背景で述べたが、交流機の出力を制御する全ての用途で本発明を
使用できることは考えられる。
本発明の実施形態に従った昇降圧型電力コンバータを示す説明図である。 本発明の他の実施形態に従った昇降圧型電力コンバータを示す説明図である。
符号の説明
１０ 交流機
１１ インバータ／整流器
１３ 昇降圧型コンバータ回路
１４、１５ ハーフブリッジインバータモジュール
２４、２５ フルブリッジインバータ
２６ 分離変圧器
ＱＡ、ＱＢ、ＱＣ、ＱＤ トランジスタ
ＤＡ、ＤＢ、ＤＣ、ＤＤ ダイオード

Claims (10)

  1. 機器（１０）の出力に配置された一対のハーフブリッジインバータモジュール（１４、１
    ５）と、
    前記一対のハーフブリッジインバータモジュールの間に接続されたインダクタＬ０と、
    を備えることを特徴とする双方向昇降圧型電力コンバータ（１３）。
  2. 前記一対のハーフブリッジインバータモジュール（１４、１５）の各々が、互いに直列に
    接続された一対のトランジスタＱＡ、ＱＢを備え、前記トランジスタの各々がそれと並列
    に接続されたダイオードＤＡ、ＤＢを有することを特徴とする請求項１記載の双方向昇降
    圧型電力コンバータ（１３）。
  3. 前記機器が交流機（１０）であり、インバータ／整流器（１１）が、前記交流機の出力と
    前記一対のハーフブリッジインバータモジュール（１４、１５）との間に接続されている
    ことを特徴とする請求項１記載の双方向昇降圧型電力コンバータ（１３）。
  4. 前記機器が、定常状態出力電圧調整のために界磁制御を使用するように構成された巻線界
    磁型同期機（１０）である、請求項１記載の双方向昇降圧型電力コンバータ（１３）。
  5. 前記機器が、電気始動発電機（１０）を備えることを特徴とする請求項１記載の双方向昇
    降圧型電力コンバータ（１３）。
  6. 機器（１０）の出力に配置された一対のフルブリッジインバータモジュール（２４、２５
    ）と、
    前記一対のフルブリッジインバータモジュールの間に接続された変圧器（２６）と、を
    備える双方向昇降圧型電力コンバータ（１３）。
  7. 前記一対のフルブリッジインバータモジュール（２４、２５）の各々が、互いに直列に接
    続された第1の対のトランジスタおよび互いに直列に接続された第2の対のトランジスタを
    備え、前記トランジスタの各々がそれと並列に接続されたダイオードを有し、さらに前記
    第1の対のトランジスタが前記第2の対のトランジスタと並列に接続されていることを特徴
    とする請求項６記載の双方向昇降圧型電力コンバータ（１３）。
  8. 始動動作中に機械的な動力をタービンに供給するように構成され、かつ発電動作中にター
    ビンからの機械的な動力を電力に変換するように構成された電気始動発電機（ＥＳＧ）シ
    ステムであって、
    前記タービンに機械的に結合され、かつ交流（ＡＣ）電圧を供給するように構成された
    同期始動発電機（１０）と、
    前記同期始動発電機に電気的に接続され、かつ前記交流電圧を直流電圧に変換するよう
    に構成されたインバータ／整流器（１１）と、
    過渡動作中に出力電圧を逓増し、過渡動作中に出力電圧を逓減し、定常状態動作中に出
    力電圧を逓増し、さらに定常状態動作中に出力電圧を逓減するという複数の動作の各々を
    行なうように構成された双方向昇降圧型電力コンバータ（１３）とを備えることを特徴と
    するＥＳＧシステム。
  9. 前記双方向昇降圧型電力コンバータ（１３）が、
    前記インバータ／整流器（１１）の出力に配置された一対のハーフブリッジインバータ
    モジュール（１４、１５）と、
    前記一対のハーフブリッジインバータモジュールの間に接続されたインダクタＬ０と、
    を備えることを特徴とする請求項８記載のＥＳＧシステム。
  10. 前記双方向昇降圧型電力コンバータ（１３）が、
    前記インバータ／整流器（１１）の出力に配置された一対のフルブリッジインバータモ
    ジュール（２４、２５）と、
    前記一対のフルブリッジインバータモジュールの間に接続された変圧器（２６）と、を
    備えることを特徴とする請求項８記載のＥＳＧシステム。
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