JP2008520172A - 低電圧部品を持つプリコンディショナ - Google Patents

Abstract

入力Ｖ_ｉｎ１、Ｖ_ｉｎ２及び出力Ｖ_ｏｕｔ１、Ｖ_ｏｕｔ２を各々持つ第１及び第２のプリコンディショナモジュール１０、１２を有するプリコンディショナ回路であり、前記出力Ｖ_ｏｕｔ１、Ｖ_ｏｕｔ２は夫々の負荷モジュール１４、１６に結合されている。各プリコンディショナモジュール１０、１２の出力Ｖ_ｏｕｔ１、Ｖ_ｏｕｔ２は、前記入力電圧Ｖ_ｉｎに依存して、前記負荷モジュール１４、１６の並列接続の任意の列が達成されるように、他方のプリコンディショナモジュール１２、１０の入力Ｖ_ｉｎ１、Ｖ_ｉｎ２に直列に接続される。

Description

本発明は一般的にアプリケーションが広域の入力電圧で動作することを可能にするプリコンディショナ(pre-conditioner)又はＤＣ−ＤＣ変換器に関する。

電源は、指定要求事項を満たすために、特性のある組の利用可能な電力を、特性の他の組の利用可能な電力に変換するための装置である。標準的な電源のアプリケーションは、生の入力電力を、電子機器を動作させるための制御される安定化電圧及び／又は電流に変換することを含む。

時には、電源は、負荷とは互換性の無い特性を持つ一次電源から、この負荷にとって必要である特性を持つ電力を供給するバッファ回路であり、これにより前記負荷にその電源との互換性を持たせる。このバッファ回路はしばしばラインコンディショナ又はプリコンディショナと呼ばれる。

最も簡単な規制のない電源は３つの部品、つまり変圧器、整流器及びコンデンサからなる。この種類の電源は簡単であるが、結果として生じる出力電圧はあまり安定していない（出力に顕著なリップルがあったり、出力電圧が負荷の変化及び本線の電圧の変化と共に変化したりすることがある）。Ｘ線発生器等のような中電力のアプリケーションは通常、三相ユーティリティネットワークにより、これら位相間において約４００Ｖの標準的な供給電圧を供給される。三相の交流（ＡＣ）線源は、３本のワイヤを介して効果的に供給され、これらワイヤの各々は、図１に概略的に示されるように、残り２つが持つ位相とは１／３周（１２０°）ずれているである単相ＡＣを持つ。三相変圧器、すなわち実際には３つの別々の高電圧の相互接続された変圧器は、３組の一次巻き線及び３組の二次巻き線を持つこの形式のアプリケーションに使用され、整流器ネットワークは、図２に示されるような整流された出力を供給するのに用いられる。平滑回路、例えば負荷と並列に接続されたコンデンサは出力波形を平滑にするのに一般的に用いられる。

位相間において約４００Ｖの標準的な供給電圧を持つ上述した三相ユーティリティネットワークの事例において、且つ全ての可能な電圧変化を考える場合、これは４００−７５０Ｖ_ＤＣ辺りにおよぶ整流された電圧となる。結果として、後続するアプリケーションの電力部品は、これら部品がこの範囲における最大電圧に耐え、依然として最小の電圧で必要とされる電力を出力するように構成される必要がある。しかしながら、これは標準的な５００Ｖの部品の使用を排除し、さらにこの範囲において低電圧で定格電力を供給するために多数の超次元化(over-dimensioning)を必要とする。

通常、これら問題の幾つかを克服するために、幾つかの形式のプリコンディショナは、後続する回路構成において超次元化の必要性を不要にするために、入力電圧を妥当な範囲に制限したり又はこの入力電圧を一定値に上昇させたりするのに使用される。図３を参照すると、古典的なプリコンディショナ構成は、電源Ｖ_ＩＮに接続された、メインアプリケーション１０２において使用するための変更された出力電圧Ｖ_ＯＵＴを生成するためのプリコンディショナ又はＤＣ−ＤＣ変換器モジュール１００を有する。一般的に、このプリコンディショナモジュール１００の電力部品に現れる最大電圧Ｖ_ＩＮは少なくとも、何れかの２つの端子間における最大電圧差である。

プリコンディショナの多くの異なる形式は既知であり、これらは一般的に、入力電圧を上昇させる、入力電圧を低下させる及び／又は前記メインアプリケーションに供給される電圧を略一定のレベルで維持するＤＣ−ＤＣ変換器である。実際に、米国特許番号5,847,949号は、入力部において入力された入力電圧を、第１及び第２の夫々の出力部においてメインアプリケーションの夫々の部分に供給される第１及び第２の出力電圧に変換するブースト変換器を開示している。

従来の解決法の主な欠点の１つは、最大の入力電圧に耐えるようにメインアプリケーション１０２の部品を構成する必要が無くなった一方、依然として前記範囲における最小電圧で所望する電力を送っているけれど、このやり方で設計及び超次元化されるプリコンディショナ１００の部品を未だ必要なことである。言い換えると、プリコンディショナモジュール１００は、広域な入力電圧範囲内において正確に動作するように設計される必要があり、この場合、アプリケーションの回路自身が全入力電圧範囲において耐えるように設計される必要がある場合と同じ部品のサイズ及び費用に関する欠点が生じる。

ここで改良された装置を考案し、本発明の目的はプリコンディショニング装置を電気的応用に供給することであり、これが前記範囲において高い入力電圧に耐えると共に、依然としてこの範囲における低電圧で所望の電力を出力するように特に設計されるべきプリコンディショニング装置又は電気的応用の一方の構成要素の必要が無く、比較的広い入力電圧の範囲内において前記アプリケーションを動作可能にさせる。

本発明によれば、入力電圧を入力する入力端子を持つプリコンディショナ回路を備え、このプリコンディショナは負荷に投与する前記入力電圧を変更するためであり、前記プリコンディショナ回路は少なくとも２つのプリコンディショナモジュールを有し、これら各モジュールは、入力及び夫々の負荷モジュールに接続する出力を持ち、前記プリコンディショナモジュールのそれぞれの出力は、各プリコンディショナモジュールの入力がそれに結合されるプリコンディショナモジュールの出力に依存するように、前記プリコンディショナモジュールの他の入力と直列に結合される。

本発明は、上に規定されたようなプリコンディショナ回路を有する電源モジュールにも適用される。この提案はここでの説明から明らかであるように、制御に依存して、負荷モジュールの直列接続から並列接続への段階的な遷移を効果的に実現することが可能であると理解される。

１つ以上の前記負荷モジュールを直列及び／又は並列に接続することにより、プリコンディショナモジュールのそれぞれの出力を制御し、これにより前記出力が接続されるプレコンディショナモジュールの入力を制御する制御手段が有益に設けられる。言い換えると、プリコンディショナ（及び負荷）モジュールの特定の相互接続により、負荷モジュールの任意の直列接続又は並列接続が達成される。これは、何れかの電力部品に起こる最大電圧が前記負荷モジュールの完全な直列接続を達成することにより、モジュールの最大の１／２に減少することができることを意味している。同時に、入力電圧が低い場合、超次元化が避けられるように負荷モジュールの並列接続がこれに応じて設計されることができる。

本発明のある例示的な実施例において、前記プリコンディショナモジュールの各々は、夫々のプリコンディショナモジュールをオン及びオフに交互に切り替えるスイッチング手段を有し、前記スイッチング手段のデューティーサイクルを制御するための制御回路が設けられる。この制御回路は好ましくは、１８０°（すなわち３６０°／２）だけ位相シフトされる、略同じパターンを持つ各プレコンディショナモジュールのスイッチング手段を切り替えるように配され、これは前記変換器の入力電流におけるリプルを減少させ、高周波部品におけるストレスを低くする。

図４を参照すると、本発明に例示的な実施例による標準的なプリコンディショナ装置は、夫々の入力端子（Ｖ_ＩＮ１、Ｖ_ＩＮ２で夫々示される）及び出力端子（Ｖ_ＯＵＴ１、Ｖ_ＯＵＴ２で夫々示される）を各々持つ第１及び第２のプリコンディショナモジュール（又はＤＣ−ＤＣ変換器）の両端に接続されるＤＣ電源（Ｖ_ＩＮで示される）を有する。これらプリコンディショナモジュール１０、１２の出力端子は、第１及び第２の夫々のメインアプリケーション１４、１６に接続されている。示されるように、第１のプリコンディショナモジュール１０の出力Ｖ_ＯＵＴ１は、第２のプリコンディショナモジュール１２の入力と直列に接続され、第２のプリコンディショナモジュール１２の出力Ｖ_ＯＵＴ２は、第１のプリコンディショナモジュール１０の入力と直列に接続されている。第１のプリコンディショナモジュール１０は、その上方の電圧レールが入力電圧の上方の電圧レールと同じ電位を持つ出力を生成する一方、第２のプリコンディショナモジュール１２は、その下方の電圧レールが前記入力電圧の下方の電圧と同じ電位を持つ出力を生成するとさらに仮定される。

結果として、前記プリコンディショナモジュール１０、１２の各々に対する最大の入力電圧は、電源入力Ｖ_ＩＮに対し減少する。特に、第１のプリコンディショナモジュール１０の入力電圧は、以下の規定
Ｖ_ＩＮ１＝Ｖ_ＩＮ−Ｖ_ＯＵＴ２
に従い、第２のプリコンディショナモジュール１２の入力電圧は、以下の規定
Ｖ_ＩＮ２＝Ｖ_ＩＮ−Ｖ_ＯＵＴ１
に従う。

プリコンディショナモジュール１０、１２の接続形態(topology)に依存して、各プリコンディショナモジュールに対する電圧Ｖ_ＯＵＴの結果として生じる有効範囲を決めることが可能である。例えば、前記プリコンディショナモジュール１０、１２がアップコンバータを有する、すなわち入力電圧が常にその出力電圧よりも低い場合、各プリコンディショナモジュールに対するＶ_ＯＵＴの範囲を、以下のように
０<Ｖ_{ＩＮ１／２}＝Ｖ_ＩＮ−Ｖ_ＯＵＴ＝>Ｖ_ＩＮ／２<Ｖ_ＯＵＴ<Ｖ_ＩＮ
得ることが可能である。

言い換えると、各アップコンバータの夫々のＶ_ＩＮが高すぎである場合、制御により各アップコンバータのＶ_ＯＵＴを減少させることができるが、少なくともＶ_ＩＮ／２である。

図５を参照すると、図４に説明されるアーキテクチャの実際の回路実装を説明している。図５の回路の場合、メインアプリケーション１４、１６（すなわち負荷）は、簡単な抵抗器と考えられ、プリコンディショナモジュール１０、１２は、上述したような出力電圧を供給するためのアップコンバータ形式である。

このアップコンバータ（又はステップアップコンバータ）の主要部品は、インダクタ、トランジスタ（すなわちスイッチ）及びダイオードからなる。これにより、図５の回路において、プリコンディショナモジュール１は、トランジスタ１４と並列に接続されるコンデンサＣ１を有する。スイッチは、ｎチャンネルの絶縁ゲート電界効果トランジスタ(IGFET: Insulated Gate Field Effect Transistor)Ｑ１により設けられ、これに関してダイオードＤ１が設けられる。同様に、プリコンディショナモジュール２は、コンデンサＣ２、抵抗器１６、スイッチＱ２及びダイオードＤ２を有する。Ｖ_ＩＮはノードＡ−Ｘ間に発生し、Ｃ_ＩＮ２はノードＢ−Ｙ間に発生し、Ｖ_ＯＵＴ１及びＶ_ＯＵＴ２は示されるようにそれぞれ負荷１４、１６にわたり降下する。

トランジスタＱ１、Ｑ２の切り替えを制御するために制御回路（図示せず）が設けられ、これによりプリコンディショナモジュールの制御は、電力トランジスタＱ１、Ｑ１のデューティーサイクルにより達成される。好ましい実施例において、両方のトランジスタＱ１、Ｑ２は、１８０°位相がシフトしたパターンで切り替えられ、これは、各変換器の入力電流に関して減少したリプルとなり、フィルタコンデンサへの負担を少なくする。

回路の機能の理解は、最初に２つの極端な事例を見ることにより得られる。最初の極端な事例は、両方の電力トランジスタＱ１、Ｑ２が常にオフになっている事例を考える。この場合、供給電流は最初に負荷抵抗器１４を流れる。その後、前記供給電流は２つに分離して、１つはダイオードＤ１及びインダクタＬ１を流れ、残りはインダクタＬ２及びダイオードＤ２を流れる。Ｄ２とＬ１との接合部において、２つの電流は再び１つになり、その後電流は負荷抵抗器１６を流れ、接地される。実際において、負荷モジュールはここで直列に接続され、各負荷モジュールは入力電圧Ｖ_ＩＮの半分を受け入れていることを意味している。

第２の極端な事例において、２つの電力トランジスタが常にオンになっている事例を考える。この場合、負荷抵抗器１４はインダクタＬ２及びトランジスタＱ２を介して接地される。インダクタＬ１は平均電流には効果がないままである。負荷抵抗器１６はインダクタＬ１及びトランジスタＱ１を介して高い側の供給電圧に接続される。実際において、これら２つの負荷抵抗器は並列に接続され、各負荷モジュールは全入力電圧を受け入れていることを意味している。

２つの極端な事例の間において、２つの電力トランジスタのデューティーサイクルを調節することにより、入力電圧Ｖ_ＩＮの５０％から１００％の間における２つの負荷モジュールの調節可能な供給電圧Ｖ_ＩＮ１、Ｖ_ＩＮ２が達成される。

図４に説明されるアーキテクチャを参照して説明されるように、図５に説明される回路から
Ｖ_ＩＮ１＝Ｖ_ＩＮ−Ｖ_ＯＵＴ２
Ｖ_ＩＮ２＝Ｖ_ＩＮ−Ｖ_ＯＵＴ１
であることが分かる。

図６は、インダクタの１つにおける標準的な電流波形Ｉ_Ｌ、及びフィルタコンデンサにおける標準的な電流波形Ｉ_Ｃ、さらに入力部における標準的な電流波形Ｉ_ＩＮを示し、図７は、対応する電圧Ｖ_ＩＮ及びＶ_ＯＵＴ並びにスイッチ電圧Ｖ_Ｑを示す。高い入力電圧でさえも、電力スイッチ（Ｑ_１又はＱ_２）の電圧はたった４００Ｖであることが分かる。

これにより、本発明は、多数のアプリケーションが２つの同等なサブモジュールに分けられることができるという事実からなる利点を持ち、これはプリコンディショナモジュールを用いて行われる。プリコンディショナ及び負荷モジュールの特別な配置により、これらモジュールの任意の直列又は並列の接続が達成される。これは、何れかの電力部品に起こる最大電圧は、負荷モジュールの完全な直列接続を達成することにより、最大で入力電圧の半分に減少することができることを意味している。例えば８００Ｖの最大の入力電圧が考慮されなければならない場合、これは５００Ｖ（及び理論上はちょうど４００Ｖ）の部品を可能にする。同時に、前記モジュールのスライディング構造は、入力電圧が低い場合、並列接続を可能にする。結果として、低電圧部品が使用されることができ、同時に超次元化が避けられる。

本発明は、広域な入力電圧範囲を考慮しなければならない、弱い三相ユーティリティネットワークにより一般的に設けられるので、Ｘ線発生器を用いて使用するのに特に有用であると考えられる。本発明の配列は、入力整流器を除く全発生器において５００Ｖの部品を使用することを可能にする。これは費用を削減し、損失を低く抑える。他の電位アプリケーションは、さらに高度の並列化を持ち、広い入力電圧範囲を覆うのに必要とされる電気通信の電力供給を含む。

上述した実施例は、本発明を制限するのではなく説明するものであり、当業者は添付される請求項により規定されるような本発明の範囲から外れることなく、多くの代わりの実施例を構成することができることを言及しておく。これら請求項において、括弧内に置かれる参照符号は、これら請求項を制限するとは解釈されない。"有する"等の用語は、何れかの請求項又は明細書全体において挙げた要素又はステップ以外の要素又はステップがあることを排除するものではない。要素の単数での表現がこれら要素が複数あること、又はその逆を排除するものではない。本発明は、幾つかの別個の要素を有するハードウェア、及び適当にプログラムされたコンピュータを介して実施されてもよい。幾つかの手段を列挙した装置の請求項において、これら手段の幾つかがハードウェアの同じアイテムにより具現化されてもよい。ある方法が相互の異なる従属請求項に挙げられる単なる事実は、これらの方法の組み合わせが有利に使用されることを示してはいない。

三相電圧供給の別々の部品の概略図。 三相整流電圧の概略図。 従来の電気的応用に関するプリコンディショナ構成の概略的なブロック図。 本発明の例示的な実施例による電気的応用に関するプリコンディショナ構成の概略的なブロック図。 図４のプリコンディショナ構成の特定の具現化を説明する概略的なブロック図。 図５の回路に関するインダクタ、コンデンサ及び入力電圧を説明する。 図５の回路の入力及び出力電圧、並びに切り替え電圧を説明する。

Claims (7)

1. 入力電圧を入力する入力端子を持つプリコンディショナ回路であり、負荷に投与する前記入力電圧を変更するためのプリコンディショナ回路において、
   入力及び夫々の負荷モジュールに接続する出力を各々有する少なくとも２つのプリコンディショナモジュールを有し、前記プリコンディショナモジュールのそれぞれの出力は、前記各プリコンディショナモジュールの前記入力がそれに結合される前記プリコンディショナモジュールの出力に依存するように、前記プリコンディショナモジュールの他の入力と直列に結合されるプリコンディショナ回路。
2. 前記プリコンディショナモジュールのそれぞれの前記出力及びこれにより前記出力が接続される前記プリコンディショナモジュールの前記入力が１つ以上の前記負荷モジュールを直列及び／又は並列に接続することにより制御可能にすることを可能にさせる手段を有する請求項１に記載の回路。
3. 前記プリコンディショナモジュールの各々は、夫々のプリコンディショナモジュールをオン及びオフに交互に切り替えるスイッチング手段を有し、前記スイッチング手段のデューティーサイクルを制御する制御回路が設けられる請求項１に記載の回路。
4. 前記制御回路は、略同一のパターンを持つ各プレコンディショナモジュールの前記スイッチング手段を切り替えるように配され、前記切り替えは位相シフトである請求項３に記載の回路。
5. 前記位相シフトは略１８０°である請求項４に記載の回路。
6. 前記プリコンディショナモジュールは昇圧型コンバータを有する請求項１に記載の回路。
7. 請求項１によるプリコンディショナ回路を有する電源モジュール。

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