JP3505715B1 - 複合型交流電源 - Google Patents

Abstract

【要約】 【課題】大電力かつ高品質の交流電圧波形を供給できる
交流電源装置を単一の構成で実現する。 【解決手段】高耐圧で大電力を供給できるが低速スイッ
チングで交流電圧波形歪みのある交流電圧出力に直列
に、低耐圧かつ小電力しか供給できないが高速スイッチ
ング可能なインバータ回路による交流電圧出力を接続
し、低速スイッチングインバータ回路は当該回路の出力
電圧により帰還制御され、高速スッチングインバータ回
路は低速スイッチングインバータ回路の交流電圧出力に
含まれるリップルノイズ等の交流電圧波形歪み成分を補
償する電圧範囲の交流電圧を発生するように負帰還制御
する回路方式により、単一の装置で大電力かつ高品質な
交流電圧出力が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】 【技術分野】 【０００１】 本発明は、インバータ方式交流電源に関
するものである。 【背景技術】 【０００２】所定の電圧及び周波数により高品質の交流
電圧を供給する交流電源装置には、リニアアンプ等の電
力増幅回路方式によるリニア方式と称される交流電源装
置と、ＰＷＭスイッチングインバータに代表されるイン
バータ方式による交流電源装置が主に使用されている。
インバータ方式の交流電源装置では、装置内部の直流電
圧源の出力をパワーＭＯＳ-ＦＥＴやＩＧＢＴ等の電力
制御素子で高周波スイッチングするインバータ回路が生
成する矩形波電圧出力を平滑化フィルターにより交流電
圧出力に変換する方式が広く行われている。 【０００３】インバータ方式交流電源装置では目的とす
る交流電圧波形に対する出力電圧波形の誤差信号に比例
してインバータ回路でのスイッチングパルス幅を制御す
るＰＷＭ制御により交流電圧出力を得るために、電力損
失が少なく極めて高い電力変換効率が得られる反面、ス
イッチングされた矩形波電圧をインダクタ及びコンデン
サで構成される平滑化フィルターにより交流電圧に変化
させることからリップルノイズや出力電圧波形歪みの抑
制には限界があり、また平滑化フィルター手段の周波数
応答特性に起因する急激な負荷変動に対する交流出力電
圧波形歪みを如何に低減するかが問題となっている。 【０００４】特開平８―１６８２６７号広報では、ＰＷ
Ｍ方式スイッチングインバータによる交流電源装置での
交流電圧波形歪みを低減するために、出力部分の平滑化
フィルターのＱ値を低減する手段を設けることにより、
制御誤差電圧の周波数応答特性を改善し、瞬間的な負荷
変動に対しても高速に追従できる高品質な交流電圧が得
られるとしている。 【０００５】また、パワーＭＯＳ−ＦＥＴやバイポーラ
トランジスタは高速スイッチングが可能であることか
ら、インバータ回路のスイッチング周波数を高速にして
交流電圧波形歪みの少ない交流電力を供給できるもの
の、耐電圧や許容電流容量に対する動作抵抗などの問題
から大電力の供給には適しておらず、大電力に対応する
には複数の交流電源装置を並列同期運転する必要がある
ことから装置の高価格化を招いてしまう欠点があった。
一方、ＩＧＢＴ素子などの高耐圧かつ大電力を供給でき
るスイッチング素子は高速スイッチングに適していない
ために、高品質な交流電圧出力波形が要求される用途に
は適していない欠点がある。特許第３３９８８６９号広
報では、低速スイッチングインバータ手段による高電圧
かつ大電力の交流電圧出力と、高速スイッチングインバ
ータ手段による低電圧かつ小電力の交流電圧出力とを直
列に接続し、低速スイッチングインバータ手段は当該イ
ンバータ手段の生成する交流電圧出力と基準交流電圧と
の誤差信号により制御される第一の帰還制御ループを形
成し、高速スイッチングインバータ手段はふたつのイン
バータ手段の交流電圧出力が直列に接続された最終段の
交流出力電圧と基準交流電圧との誤差信号により制御さ
れる第二の帰還制御ループを形成している。低速スイッ
チングインバータ手段の生成する交流電圧波形に含まれ
るリップルノイズや急激な負荷変動による電圧波形歪み
を高速スイッチングインバータ手段の生成する交流電圧
で補償するとしているが、第二の帰還制御ループとして
高速スイッチングインバータ手段の制御目標となる誤差
信号の検出が当該交流電源装置の最終交流電圧出力端子
の電圧であることから第一の帰還制御ループの一部と重
なった多重帰還ループとなっていること、および異なる
周波数を使用したインバータ手段に起因する干渉現象が
発生する等の制御の不安定さがあることは否めない。 【０００６】 【特許文献１】特開平８−１６８２６７号広報 【特許文献２】特許第３３９８８６９号広報 【発明の開示】 【発明が解決しようとする課題】 【０００７】 解決しようとする問題点は、大電力かつ
交流電圧出力波形歪みの少ない交流電源装置を単一の装
置で実現する点である。 【課題を解決するための手段】 【０００８】 本発明は、高耐圧かつ大電力を供給でき
るが低速でしかスイッチングできないＩＧＢＴ等の素子
による低速スイッチングインバータ回路の出力と、高速
スイッチングができるが低耐圧かつ小電力しか供給でき
ないパワーＭＯＳ−ＦＥＴ等による高速スイッチングイ
ンバータ回路の出力を直列に接続し、高速スイッチング
インバータ回路は低速スイッチングインバータ回路の交
流電圧出力に含まれるリップルノイズなどの電圧波形歪
みを補償する電圧を発生させることを最も主要な特徴と
する。 【発明の効果】 【０００９】 本発明の交流電源装置は単一の装置であ
りながら交流電圧出力波形歪みの少ない高品質かつ大電
力の交流電源装置を安価に供給できるという利点があ
る。 【発明を実施するための最良の形態】 【００１０】目的とする高電圧かつ大電力の交流電圧出
力をリップルノイズ等の電圧波形歪みはあるものの高耐
圧かつ大電力を供給できる低速スイッチングインバータ
により生成させ、この交流電圧出力に直列に高速スイッ
チングインバータの交流電圧出力を接続し、高速スイッ
チングインバータは低速スイッチングインバータの交流
電圧出力の電圧波形歪みを補償する電圧範囲の交流電圧
を高速スイッチングにより生成する回路構成により、単
一の装置で大電力かつ高品質の交流電圧波形を供給する
交流電源装置を実現した。 【実施例１】 【００１１】 図１は、本発明装置の１実施例の回路構
成図であって、高速スイッチングインバータ回路１と低
速スイッチングインバータ回路２の出力が直列に接続さ
れて負荷３へ接続されている。 【００１２】低速スイッチングインバータ回路２は、Ｉ
ＧＢＴ等の高耐圧かつ大電力が供給できるが低速スイッ
チングであるスイッチング素子Ｑ２ａ、Ｑ２ｂ、Ｑ２
ｃ、Ｑ２ｄによるフルブリッジ回路で構成されており、
直流電圧源Ｖ２により供給される直流電圧をスイッチＱ
２ａ・Ｑ２ｄとスイッチＱ２ｂ・Ｑ２ｃが相補的にスイ
ッチングして生成された矩形波電圧をインダクタＬ２ａ
及びＬ２ｂとコンデンサＣ２による平滑化フィルタによ
り交流電圧波形としている。 【００１３】この低速スイッチングインバータ回路２
は、当該インバータ回路の交流電圧出力である コンデ
ンサＣ２の両端電圧を検出する電圧検出器１２による検
出電圧と、基準交流電圧信号発生器Ｖ３との信号が接続
されたインバータ制御回路３２で帰還制御され、フルブ
リッジ回路を構成するＱ２ａ・Ｑ２ｄとＱ２ｂ・Ｑ２ｃ
のゲート電圧ＯＮ／ＯＦＦ時間比率制御を行っている。 【００１４】高速スイッチングインバータ回路１は、パ
ワーＭＯＳ−ＦＥＴやバイポーラトランジスタなどの低
耐圧かつ小電力しか供給できないが高速スイッチング可
能なスイッチング素子Ｑ１ａ・Ｑ１ｂ・Ｑ１ｃ・Ｑ１ｄ
によるフルブリッジ回路で構成されており、直流電圧源
Ｖ１から供給される直電圧をスイッチＱ１ａ・Ｑ１ｄと
スイッチＱ１ｂ・Ｑ１ｃが相補的にスイッチングして生
成された矩形波電圧をインダクタＬ１ａ及びＬ１ｂとコ
ンデンサＣ１による平滑化フィルタにより交流電圧波形
としている。 【００１５】この高速スイッチングインバータ回路１
は、当該インバータ回路の平滑化フィルタを構成するコ
ンデンサＣ１の両端の電圧と、低速スイッチングインバ
ータの電圧検出器１２の出力電圧と基準電圧信号発生器
Ｖ３との誤差電圧を逆極性で出力する誤差電圧検出器２
０による電圧信号出力を制御目標量として高速スッチン
グインバータ回路１を負帰還制御するインバータ制御回
路３１により、フルブリッジ回路を構成するスイッチＱ
１ａ・Ｑ１ｄとスイッチＱ１ｂ・Ｑ１ｃのゲート電圧Ｏ
Ｎ／ＯＦＦ時間比率制御を行い低速スイッチングインバ
ータ回路２の生成する交流電圧出力波形に含まれるリッ
プルノイズや急激な負荷変動に対する交流電圧波形歪み
などを打ち消す交流電圧を生成する。このインバータ制
御回路３１への入力信号が当該インバータ回路が生成す
る交流電圧と、直列に接続されている低速スイッチング
インバータ手段の生成する交流電圧波形に含まれている
基準電圧波形との誤差を逆極性とした電圧信号とにより
構成される制御回路方式により、異なるスイッチング周
波数を使用したインバータ手段の出力を直列接続した複
合型交流電源における干渉などによる制御不安定性を大
幅に軽減できる。 【００１６】以下に本発明の１実施例での回路各部の動
作について詳細に波形図面を参照しながら説明してい
く。 【００１７】低速スイッチングインバータ回路２を制御
するインバータ制御回路３２によるスイッチング周波数
を２０*１０^３［Ｈｚ］、高速スイッチングインバータ
回路１を制御するインバータ制御回路３１のスイッチン
グ周波数を１６０*１０^３［Ｈｚ］とし、低速スイッチ
ングインバータ２の直流電圧源Ｖ２の電圧を５００
［Ｖ］、平滑化フィルタのインダクタンスＬ２ａ・Ｌ２
ｂを２５０*１０^-6［Ｈ］、コンデンサＣ２を１０
^-5［Ｆ］とし、高速スイッチングインバータ回路１の直
流電圧源Ｖ１の電圧を５０［Ｖ］、平滑化フィルタのイ
ンダクタンスＬ１ａ・Ｌ１ｂを５*10^-6［Ｈ］、コンデ
ンサＣ１を５*10^−６［Ｆ］とし、基準信号発生器Ｖ３
は５００［Ｈｚ］で±８［Ｖ］の交流電圧を発生させる
構成とした図１に示す回路によるシミュレーションから
得られた各部の出力波形を図２から図８に示している。
なお、出力波形図は基準信号電圧源Ｖ３の生成する電圧
が±８［Ｖ］・５００［Ｈｚ］の正弦波形のときに、本
発明による交流電源装置の出力電圧が±４００［Ｖ］と
なるように電圧検出器１１・１２及び誤差電圧検出器２
０の増幅係数を選定している。 【００１８】図２に示す波形は、基準信号電圧源Ｖ３の
出力電圧波形であり、±８［Ｖ］・５００［Ｈｚ］の正
弦波形となっている。図３は低速スイッチングインバー
タ回路２を制御するインバータ制御回路３２での制御誤
差比較用三角波電圧波形であり、当該インバータ回路２
のスイッチング周波数である２０*１０^３［Ｈｚ］とな
っている。図４は、低速スイッチングインバータ回路２
を制御するインバータ制御回路３２によるスイッチＱ２
ａのゲート駆動電圧波形である。 【００１９】図５は低速スイッチングインバータ回路２
による交流電圧出力波形であり、おおよそ±４００
［Ｖ］となっているが、低速スイッチングインバータ回
路２を制御するインバータ制御回路３２のスイッチング
周波数が２０*１０^３［Ｈｚ］と低いことから、リップ
ルノイズ及び交流電圧波形歪みを含んだ交流電圧波形と
なっている。 【００２０】図６は低速スイッチングインバータ回路２
の生成する交流電圧出力波形と、基準信号電圧源Ｖ３が
生成する制御目標となる理想的な交流電圧出力波形との
誤差電圧検出器２０の出力電圧を拡大表示した波形であ
り、図７は本発明による交流電源装置の交流電圧出力波
形であり、図８には図７にしめす交流電圧波形に含まれ
る基準信号電圧源Ｖ３の生成する理想とする交流電圧波
形との誤差電圧を拡大した電圧波形を示している。 【００２１】以上のシミュレーション結果からも明らか
なように低速スイッチングインバータ回路２の生成する
交流電圧出力波形には図６にしめしているようにおおよ
そ±１５［Ｖ］のリップル電圧などの誤差電圧波形歪み
を含んでいるが、高速スイッチングインバータ１とイン
バータ制御回路３１の帰還制御により、本発明による交
流電源装置の出力電圧波形にはおおよそ±２［Ｖ］の誤
差電圧波形歪みに改善されている。 【００２２】以上述べてきたように、本発明による回路
方式ではＩＧＢＴ等の高耐圧かつ大電力に耐えうるが低
速スイッチングしかできないスイッチング素子による低
速スイッチングインバータ回路によりリップルノイズや
急激な負荷変動に対する交流電圧波形歪みは含まれるも
のの高電圧かつ大電力の交流電圧波形を生成させ、低耐
圧かつ小電力しか流せないが高速スイッチング可能なパ
ワーＭＯＳ−ＦＥＴやバイポーラトランジスタによる高
速スイッチングインバータ手段により当該低速スイッチ
ングインバータ回路の交流電圧出力波形に含まれるリッ
プルノイズや急激な負荷変動に対する交流電圧波形歪み
に追従しうる高速スイッチングインバータ回路の出力を
直列に接続し、低速スイッチングインバータ回路は当該
インバータ回路の交流電圧出力と基準信号電圧源との誤
差信号により帰還制御され、高速スイッチングインバー
タ回路は低速スイッチングインバータ回路の生成する交
流電圧出力の誤差信号を制御目標量として帰還制御され
ることにより、単一の交流電源装置でありながらリップ
ルノイズや急激な負荷変動に対する交流電圧波形歪みの
少ない高品質かつ大電力の交流電圧を供給できる特徴が
ある。 【００２３】また、低速スイッチングインバータ回路に
使用するスイッチング素子は高耐圧かつ大電力が供給可
能なスイッチング素子であれば良く、従来技術での大電
力用交流電源装置で問題となっていたリップルノイズや
負荷急変時の交流電圧波形歪みを考慮する必要がないこ
とから、安価なスイッチング素子を選択できる利点があ
る。同様に、高速スッチングインバータ回路に使用する
スイッチング素子も低周波スイッチングインバータ回路
が生成する交流電圧波形に含まれるリップルノイズなど
の交流電圧波形歪みを補償するだけの低電圧かつ小電力
の交流電圧を生成できるスイッチング素子であれば良い
ことから、低速スイッチングインバータ回路と同様に安
価なスイッチング素子を選択できる利点がある。以上の
利点に加えて、従来技術による大電力用交流電源装置が
複数の装置の並列運転が必須であったのに対して、本発
明による回路方式を用いた交流電源装置では単一の装置
で高品質かつ大電力が供給できる。 【００２４】以上本発明の実施の形態について述べてき
たが、本発明は上述の実施例に限定されるものでは無
く、低速・高速スイッチングインバータ回路の一方又は
両方をハーフブリッジとした構成、もしくはフルブリッ
ジ・ハーフブリッジ以外の公知のスイッチングインバー
タ手段を用いた構成としてもよい。 【産業上の利用可能性】 【００２５】ＩＧＢＴ等の高耐圧かつ大電力を供給でき
るが低速スイッチングしかできないスイッチング素子に
よる低速スイッチングインバータ手段による高電圧かつ
大電力の交流電圧出力と、パワーＭＯＳ−ＦＥＴやバイ
ポーラトランジスタなどの高速スイッチングができるが
低耐圧かつ小電力しか供給できないスイッチング素子に
よる高速スイッチングインバータ手段による交流電圧出
力を直列に接続して負荷に接続し、低速スイッチングイ
ンバータ手段は当該インバータ手段の出力電圧と基準信
号電圧との誤差信号により帰還制御され、高速スイッチ
ングインバータ手段は、低速スイッチングインバータ手
段の生成する交流電圧出力の誤差信号を制御目標量とし
て負帰還制御され、低速スイッチングインバータ手段の
生成する交流電圧出力波形に含まれるリップルノイズや
負荷急変時の電圧波形歪みなどを、高速スイッチングイ
ンバータ手段の生成する低電圧かつ小電力ではあるが高
速スイッチングによりリップルノイズや負荷急変時の電
圧波形歪みが少ない交流電圧出力により補償する本発明
による回路方式の交流電源装置により、従来のＰＷＭ制
御方式スイッチングインバータ等のスイッチング方式イ
ンバータでは複数台の並列同期運転でしか対応できなか
った大電力かつ高品質の交流電圧出力が単一の装置で供
給可能な交流電源装置を安価に提供できる。

【図面の簡単な説明】 【００２６】 【図１】本発明による１実施例の回路構成説明図であ
る。 【図２】基準信号発生器Ｖ３の出力電圧波形図である。 【図３】インバータ制御回路３２の制御誤差比較用三角
波波形図である。 【図４】スイッチ素子Ｑ２ａのゲート駆動電圧波形図で
ある。 【図５】低速スイッチングインバータ回路２の出力電圧
波形図である。 【図６】図５の波形と図２の波形間の誤差電圧波形図で
ある。 【図７】本発明による１実施例での交流電圧出力の波形
図である。 【図８】図７の波形と図２の波形間での誤差電圧拡大波
形図である。 【符号の説明】 【００２７】 １ 高速スイッチングインバータ回路 ２ 低速スイッチングインバータ回路 ３ 負荷 １１ 電圧検出器１ １２ 電圧検出器２ ２０ 誤差電圧検出器 ３１ インバータ制御回路１ ３２ インバータ制御回路２ Ｏｕｔ１ 交流電源装置出力端子１ Ｏｕｔ２ 交流電源装置出力端子２ Ｖ１ 直流電圧源１ Ｖ２ 直流電圧源２ Ｖ３ 基準信号発生器

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】低速スイッチングインバータ手段と高速ス
   イッチングインバータ手段により構成される複合型交流
   電源装置において、それぞれのインバータ手段の交流電
   圧出力を直列に接続して負荷への交流電圧出力とし、 低速スイッチングインバータ手段は、当該スイッチング
   インバータ手段の生成する交流電圧出力が、当該交流電
   源装置の交流電圧基準電圧源を制御目標量として働くよ
   うに帰還制御され、 高速スイッチングインバータ手段は低速スイッチングイ
   ンバータ手段よりも低電圧かつ小電力の交流電圧を高速
   スイッチングにより生成する回路構成とし、低速スイッ
   チングインバータの交流電圧出力と直列に接続されてい
   る高速スイッチングインバータ手段の生成する交流電圧
   出力が当該交流電源装置の交流基準電圧源との誤差信号
   を制御目標量として働くように負帰還制御され、 高速スイッチングインバータ手段の生成する交流電圧出
   力が、低速スイッチングインバータ手段の生成する交流
   電圧出力に含まれるリップルノイズ等の交流電圧出力波
   形歪みを補償する電圧範囲及びスイッチング周波数で動
   作し、かつ高速スイッチングインバータ手段の制御が低
   速スイッチングインバータ手段との干渉による影響を受
   けにくいことを特徴とする交流電源の回路方式及び交流
   電源装置。