JP4436344B2 - ２重共振回路を用いた定周波定電圧交流電源変換方法 - Google Patents

Description

本発明は、２重共振回路を用いた定周波定電圧交流電源変換方法に係り、特に供給する交流電源や直流電源から交流定周波数定電圧電源を得るための２重共振回路を用いた交流定周波数定電圧電源変換方法に関する。

従来のＡＣ／ＡＣコンバータでは、交流入力を一度直流に変換した後、パルス幅変調（以下「ＰＷＭ」と略称する）の変調制御によって再び交流に変換している。このため、回路が複雑で変換効率が悪く、スイッチング時に多量のノイズを発生するし、またコンデンサ入力型の整流回路を持つ直流回路は、入力する電源電流が電源電圧波形の波高値付近でパルス状に流れるため、電力線の波形が歪んで高調波が発生するので、対策が求められていた。

上記の問題点の対策のため、一組の商用電源線に対し、ブリッジ状に４個のスイッチを配置し、スイッチの中間点間にトランスの１次巻線を接続し、この１次巻線に対して、商用電源線からの電流を交互にかつ異なる方向に繰り返し流すようにすると共に、１次巻線に電流を流す方向の切り替えは、入力商用周波数より十分高い周波数で行うように構成し、１次巻線の電流方向の切り替えと同期して、中間タップ付の２次巻線の出力側に設置した２個のスイッチを開閉することによって、再びもとの商用電源波形に近似した相似の波形とするＡＣ−ＡＣコンバータが提案されている（特許文献１参照）。

また、双方向スイッチ回路で交流電源電圧を高調波に変調してトランスの１次側に入力して変圧し、トランスの２次側には、ダイオードブリッジの整流回路と負荷を接続し、トランスの出力電流を整流して負荷に供給する構成にし、整流回路の出力側で検出する電圧に対応して、双方向スイッチ回路に入力するパルス信号の周波数を増減させ、パルス信号の周波数の変化に伴いトランスでの損失が変化し、この損失の変化によって出力電圧が一定できるＡＣ−ＤＣコンバータが提案されている（特許文献２参照）。

更に、トランスの１次側と２次側にそれぞれ設けた共振回路からなる２重共振回路を用い、直流の入力回路又は商用電源の整流回路からの直流電圧を、昇圧チョッパにより上昇させると共に、昇圧チョッパの出力を交流定周波数定電圧に変換させて電源を得るため、トランスの１次側と２次側の各共振回路のインダクタンス及び共振用コンデンサのそれぞれの静電容量を設定周波数の１．１〜２．０倍が共振周波数になるように設定し、昇圧チョッパの出力電圧を一定に保持させる条件で、負荷電流に無関係にトランスの２次側電圧を常に一定値に保持することが提案されている（特許文献３参照）。

なお、トランスの１次側と２次側のそれぞれに共振回路を設けた２重共振回路を用いたブリッジ型ＤＣ−ＤＣコンバータに関しては、例えば特許文献４に記載されている。

ＷＯ９７／４７０７０号公報 特開平５−１２２９３５号公報 特開２００２−２４７８６１号公報 特開２００１−３５９２７９号公報

しかし、特許文献１のＡＣ−ＡＣコンバータでは、商用電源線からトランスの１次巻線に流れる電流を、４個のスイッチにより高速で直接断続するため、多量のノイズが発生する問題がある。

また、特許文献２のＡＣ−ＤＣコンバータの如くトランス内での損失特性を利用して出力電圧の一定化制御を行うものでは、本質的に変換効率が悪く、かつトランスでの発熱により、扱いうる電力も低い値に制限される問題がある。

更に特許文献３の変換装置のように、商用交流電源を一度直流（平流）に変換した後、更に商用交流電圧を出力するコンデンサ入力型の整流回路を有するものでは、商用電源の波高値付近で入力電源電流がパルス状に流れるため、商用電源の力率が大幅に低下すると共に、電力線の波形が歪み高調波が発生する問題がある。また、直流（平流）をパルス幅変調（ＰＷＭ）により交流に変換させているが、電圧の急峻な断続により、広い周波数範囲で高周波ノイズを発生させる欠点があった。高周波ノイズは、自回路の信号回路に悪影響を及ぼすばかりでなく、外部への悪影響を与える恐れがあるため、高性能のノイズフィルタの設置が必要になるし、２重共振回路内のトランスには、５０Ｈｚや６０Ｈｚ等の電源出力周波数の電力が通過するため、商用周波数用の大きくて重いトランスが必要になる欠点があった。

本発明の目的は、有害なノイズを発生させず、部品点数が少なく小型軽量で信頼性や長期安定性があり、回路の簡略化ができる２重共振回路を用いた定周波定電圧交流電源変換方法を提供することにある。

本発明の２重共振回路を用いた定周波定電圧交流電源変換方法は、トランスの１次側と２次側にそれぞれ設けた共振回路からなる２重共振回路を用い、前記１次側から供給する供給電源を、前記２次側で定周波数定電圧の交流電源に変換する２重共振回路を用いた定周波定電圧交流電源変換方法であって、前記２重共振回路の１次側に、前記供給電源側から供給される直流電圧を、商用出力周波数の６倍以上で３００ｋＨｚ以下の高周波の制御信号で断続され断続され、かつ前記高周波の制御信号での断続を商用周波基準脈流電圧波形と変換交流出力の全波整流波形との差を周波数変化に変えた高周波の制御信号で行うと共に、前記断続時の休止期間を前記商用周波基準脈流電圧波形の電気角に対応して複数段階に変化させた矩形波の脈流電圧として入力し、前記２重共振回路の２次側に高周波で変調された高周波交流電圧を発生させ、前記高周波交流電圧は全波整流して高周波脈流電圧とし、前記高周波脈流電圧から高周波で断続された波高値を結ぶ包絡線の波形が、半周期毎に極性の反転する高周波交流電圧を生成し、前記高周波交流電圧はバンドパスフィルタを通して商用周波数の交流電圧にすることを特徴とする。

本発明の２重共振回路を用いた定周波定電圧交流電源変換方法によれば、入力電源を高周波の制御信号でオンオフ（断続）制御して正弦波交流を発生させ、ノイズの発生が少なくてスイッチング損失も小さくできる。しかも、変換損失の少ない２重共振回路の入力周波数−出力電圧特性における共振周波数の２分の１以上で、かつ共振周波数の２倍以下の周波数領域を含むため、効率の良い変換が可能になる。周波数の変化に対して出力電圧が単調に変化する特性域を利用するため、周波数を単調にかつ連続的に変化させることにより、２重共振回路からの出力は単調にかつ連続的に変化するため、制御性を向上することができる。

本発明では、トランスの１次側と２次側にそれぞれ設けた共振回路からなる２重共振回路を用い、前記１次側から供給する入力電源を、前記トランスの２次側で定周波数定電圧の交流電源に変換させる２重共振回路を用いた定周波定電圧交流電源変換を行う際に、供給電源からの電圧を、商用出力周波数の６倍以上で３００ｋＨｚ以下の高周波の制御信号で断続された矩形波の脈流電圧にしてトランスの１次側に入力し、トランスの２次側に高周波交流電圧を発生させ、前記高周波交流電圧を全波整流して高周波脈流電圧にし、前記高周波脈流電圧から高周波で断続された波高値を結ぶ包絡線の波形が、半周期毎に極性が反転する高周波交流電圧にし、前記高周波交流電圧はバンドパスフィルタを通して商用交流電圧としている。

本発明の一実施例を示す図1の２重共振回路を用いた交流定周波数定電圧電源装置を、供給電源として例えば６０Ｈｚの商用交流電源を入力した場合について説明する。この実施例においても従来と同様に、第１共振用コンデンサＣｐとトランス１１の共振用インダクタンスＬ１を有する１次コイルＮ１とで第１の直列共振回路を形成し、また磁性体コア１２で１次コイルＮ１と電磁結合した共振用インダクタンスＬ２を有する２次コイルＮ２と、第２共振用コンデンサＣｓとで第２の直列共振回路を形成している。即ち、トランス１１の入力側と出力側にそれぞれ共振回路が形成されており、トランス１１を含めた部分で２重共振回路１０を構成している。

トランス１１の入力側には、供給電源である６０Ｈｚの商用交流電源１を、図１１（ａ）に示す脈流電圧にするために、公知の第１のブリッジ整流回路４を設けている。第１のブリッジ整流回路４は、整流ダイオードＤｂ１のアノードと整流ダイオードＤｂ３のカソードの接続点３ａを、６０Ｈｚの商用交流電源１における一方の電源端子２ａに接続し、整流ダイオードＤｂ２のアノードと整流ダイオードＤｂ４のカソードとの接続点３ｂを、他方の電源端子２ｂに接続している。

ブリッジ整流回路４で全波整流した脈流電圧を出力する一方の出力端子５ａは、脈流電源線６に接続され、また他方の出力端子５ｂは、脈流電源線７に接続している。脈流電源線６及び７間には、全波整流後の脈流電圧波形を維持するために、コンデンサＣｆを接続している。このコンデンサＣｆの値は、第１のブリッジ整流回路４の出力を直接直流に変換する場合に使用するコンデンサの値に比べ、数十分の一ないしは数百分の一程度の小さな値のものを用いる。

脈流電源線６及び７には、絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ（以下、「ＩＧＢＴ」と略称する。）等のスイッチング素子を用いた入力側フルブリッジ回路８を接続し、第１のブリッジ整流回路４で全波整流した脈流電圧の波形を、後述する第１制御回路２８を使用して、商用出力周波数の６倍以上で３００ｋＨｚ以下の高い周波数の制御信号でオンオフ（断続）制御し、図１１（ｂ）に示す矩形波の脈流電圧の波形を発生させている。なお、スイッチング周波数が、商用交流出力周波数の６倍未満の領域では、出力波形並びに電圧を、目的とする商用交流出力に正確に制御することが困難になってくるため、この領域は用いない。

入力側フルブリッジ回路８は、具体的には第１のＩＧＢＴＱ１と第３のＩＧＢＴＱ３を、第１スイッチ及び第３スイッチとして直列回路を作るように接続し、またＩＧＢＴＱ２とＩＧＢＴＱ４を、第２スイッチ及び第４スイッチとして直列回路を作るように接続しており、このため各直列回路が第１ブリッジ整流回路４の出力端子５ａ、５ｂに対して並列の接続構成となる。また ＩＧＢＴＱ１とＱ３の接続点９ａとＩＧＢＴＱ２とＱ４の接続点９ｂとを、第１共振用コンデンサＣｐを備えるトランス１１の１次コイルＮ１に接続している。

良く知られているように各ＩＧＢＴＱ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４は、コレクタがサブストレートに接続され、コレクタとエミッタ間にスイッチ部を有すると共に、その各スイッチ部にはコレクタ電流と反対方向の電流を流すようにしたダイオードを並列に接続している。

入力側フルブリッジ回路８の各ＩＧＢＴＱ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４のターンオン、ターンオフ時の電圧上昇及び降下は、トランス１１の共振回路のため緩慢となるから、急峻なパルスで駆動する従来のＰＷＭ法等に比べて、高周波ノイズの発生を大幅に低減ができる。

また、前記トランス１１は、前記のように１次コイルＮ１に対し磁性体コア１２で電磁結合した共振用インダクタンスＬ２を有する２次コイルＮ２を有し、図２に示すように磁性体コア１２の同一脚に１次コイルＮ１と２次コイルＮ２とを適当な離隔距離をおいて別々に巻いており、リーゲージトランスを形成している。そのため、１次コイルと２次コイルの巻線間の結合係数は、通常０．９５以下となっている。

２重共振回路１０に使用するトランス１１としては、発明者らの実験によると、結合係数が０．７以上のトランスであることが必要であり、結合係数が０．７以下のトランスを使用した場合には、高電力出力時に所望の交流電圧出力振幅が得られない。望ましくは、結合係数が０．７５以上で０．９５以下の結合度の良いトランスが好ましい。また、大電力トランス用コアの材料としては、例えばＦｅ−Ｓｉ−Ｂ系のアモルファス材料やＮＫスーパーＥコア（ＪＦＥホールデングス株式会社の商品名）等を、スイッチング周波数として２０ｋＨｚ程度以下の領域で使用する。

一方、中電力トランス用コアの材料としては、例えばフェライトコアやセンダスト圧粉鉄心などの高周波用コアを、スイッチング周波数として１０ｋＨｚ程度以上で３００ｋＨｚ以下の領域で使用する。トランス用コア材料は、一般にその上限周波数付近以上では、コア内の損失が急増する性質があり、通常、その周波数より低い領域に制限して使用する。コア材料は日々進歩しており、例示したもの以外を用いても良いことは勿論である。

第２共振用コンデンサＣｓを備えて図１１（ｃ）に示す高周波で変調された高周波交流電圧が発生するトランス１１の２次コイルＮ２には、第２のブリッジ整流回路１５を接続している。即ち、整流ダイオードＤｂ５のアノードと整流ダイオードＤｂ７のカソードの接続点１６ａを、交流出力端子１３に接続し、また整流ダイオードＤｂ６のアノードと整流ダイオードＤｂ８のカソードとの接続点１６ｂを、交流出力端子１４に接続している。ブリッジ整流回路１５で高周波交流電圧を全波整流し、図１１（ｄ）に示す高周波脈流電圧を出力する一方の出力端子１７ａは、高周波重畳脈流線１８に接続し、また他方の出力端子１７ｂは、別の高周波重畳脈流線１９に接続している。

ブリッジ整流回路１５の各整流ダイオードＤｂ５、Ｄｂ６、Ｄｂ７、Ｄｂ８としては、第２共振用コンデンサＣｓの端子間に出力される高周波交流電圧が、高周波で断続された電圧であるため、例えば高速低損失ダイオードの高速用ダイオードを使用する。

ブリッジ整流回路１５には、入力側と同様な公知の構成であるＩＧＢＴ等のスイッチング素子を用いた出力側フルブリッジ回路２０を接続、即ちＩＧＢＴＱ５とＩＧＢＴＱ７を、第５スイッチと第７スイッチとして直列回路を構成するように接続し、また、ＩＧＢＴＱ６とＩＧＢＴＱ８を、第６スイッチと第８スイッチとして直列回路を構成するように接続している。出力側フルブリッジ回路２０は、後述する第２制御回路３５を使用して、ＩＧＢＴＱ５及びＱ８とＱ６及びＱ７とを、商用周波数を考慮した制御信号でオンオフ（断続）制御し、ブリッジ整流回路１５で全波整流した図１１（ｄ）に示す高周波脈流電圧を、図１１（ｅ）に示す波高値を結ぶ包絡線の波形が、半周期毎に極性の反転する高周波交流電圧に変換する。

出力側フルブリッジ回路２０のＩＧＢＴＱ５とＱ７の接続点２１ａと、ＩＧＢＴＱ６とＱ８の接続点２１ｂ間には、共振用インダクタＬ３とコンデンサＣｂとの直列回路で構成する６０Ｈｚバンドパスフィルタ２２を接続し、これを通して図１１（ｅ）の高周波交流電圧の波形中に含まれている高周波成分を除去し、図１１（ｆ）に示す６０Ｈｚの商用周波数成分のみの商用交流電圧を取り出し、出力電源線２３及び２４で接続する負荷２５に供給する。

電源出力線２３及び２４には、第２降圧トランス２７を接続しており、出力電圧を第２降圧トランス２７で絶縁降圧して、出力電圧検出線３３及び３４信号として第１制御回路２８に入力している。第１制御回路２８では、後述のように整流後に商用交流電源１と同期を取った基準脈流電圧源３９との比較を行い、その差により周期を変化させた２相の２値信号を出力する。この２相の２値信号により、入力側フルブリッジ回路８のＩＧＢＴＱ１とＱ４及びＩＧＢＴＱ２とＱ３のオンオフ（断続）がフィードバック制御され、出力電圧検出線信号が基準脈流電圧源３９の波形と一致ないしは相似となるように制御される。また、商用交流電源１の電圧波形は、第１降圧トランス２６で絶縁降圧し、電源モニタ線３１，３２から同期用信号として第１制御回路２８に入力している。

第１制御回路２８は、図３に示すように全波整流回路３８、基準脈流電圧源３９、誤差増幅器４０、電圧−抵抗変換器４２、ＣＲ発振器４３、制御信号形成回路４４、及び零クロス点検出器４１を備えている。第１制御回路２８内の全波整流回路３８には、第２降圧トランス２７の２次コイルＮ２２出力の出力電圧検出線３３、３４を接続し、２次出力電圧を入力する。全波整流回路３８の出力は、電源出力の脈流モニタ信号として誤差増幅器４０の正側入力端子に入力する。この誤差増幅器４０の負側入力端子には、基準脈流電圧源３９を接続し、また誤差増幅器４０の出力は、電圧−抵抗変換器４２に入力し、その出力はＣＲ発振器４３に入力する構成としている。

第１制御回路２８の例である図３は、機能の概要をブロック図で示したものであり、類似の機能が出せれば、この回路構成に限定する必要はなく、例えば電圧−抵抗変換器４２とＣＲ発振器４３とは、電圧−周波数変換器で代用することもできる。

第１制御回路２８内の零クロス点検出器４１には、第１降圧トランス２６の２次コイルＮ１２出力の出力電圧検出線３１、３２を接続し、２次出力電圧を入力する。この零クロス点検出器４１では、零クロス点を検出し、このタイミングを同期補正パルスとして基準脈流電圧源３９に入力することにより、商用交流電源１の電圧波形と基準脈流電圧源３９との同期をとる構成としている。

基準脈流電圧源３９、誤差増幅器４０、及び電圧−抵抗変換器４２は、出力電圧検出線３３、３４で検出した電圧を全波整流した脈流電圧の瞬時値と、基準脈流電圧源３９との差に対応する抵抗変化を出力するものである。電圧−抵抗変換器４２の出力抵抗値が小さくなると、ＣＲ発振器４３の発振周波数ｆ１が高くなり、逆に電圧−抵抗変換器４２の出力抵抗値が大きくなると、ＣＲ発振器４３の発振周波数ｆ１が低くなる。

図５は、２重共振回路１０の入力周波数（ｆ１）−出力電圧（ＶＬ２）特性であり、無負荷時の特性曲線ＮＬと、負荷時の特性曲線ＯＬをそれぞれ示している。本発明では図５のｆ１−ＶＬ２特性曲線において、共振周波数（曲線で出力電圧ＶＬ２が最大となる周波数）より高い領域の垂下特性部分、即ち、入力周波数ｆ１が増加すると出力電圧ＶＬ２が単調に減少する領域を利用している。入力周波数ｆ１が高くなると出力電圧ＶＬ２は低くなり、また入力周波数ｆ１が低くなると出力電圧ＶＬ２は高くなる。
２重共振回路１０を用いた場合、共振周波数の２分の１以上でかつ共振周波数の２倍以下の共振に近い領域を利用すると、通過する電力に対する損失の割合が少なくなる傾向がある。したがって、本発明では通過電力の一部は、少なくとも共振周波数の２分の１以上でかつ共振周波数の２倍以下の領域を利用している。２重共振回路を通過する電力の５０％以上が、共振周波数の１／２以上でかつ共振周波数の２倍以下の領域を利用していることが好ましい。２重共振回路を通過する電力の８０％以上が、共振周波数の１／２以上でかつ共振周波数の２倍以下の領域を利用していることが更に好ましい。

通常、負荷時の特性は、特性曲線ＮＬとＯＬとの間に位置し、このとき出力電圧ＶＬ２は、特性曲線ＯＬの最大値で規制され、図５では９０Ｖ以上の電圧は出力できない。特性曲線ＯＬは、６ｋＨｚ以上の周波数の領域部分で、入力周波数ｆ１の増加に対して、出力電圧ＶＬ２が単調に減少する特性が得られるから、この周波数領域を利用する。

ＣＲ発振器４３の出力は、制御信号形成回路４４に接続している。この制御信号形成回路４４は、ＣＲ発振器４３の出力波形をコンパレータで整形して、２値化した第１制御信号２９及び第２制御信号３０を出力する。第１制御回路２８からの第１制御信号２９及び第２制御信号３０は、それぞれＩＧＢＴＱ１とＱ４及びＩＧＢＴＱ２とＱ３のゲートに印加する。

第１制御回路２８の第１制御信号２９及び第２制御信号３０とは、互いに逆位相であり、かつ後述するように僅かな休止期間を有して、交互にオンオフ（断続）期間になるように設定されている。

また、第２制御回路３５は、ＩＧＢＴＱ５及びＱ８と、ＩＧＢＴＱ６及びＱ７とを、制御信号３６及び３７で、交互にオンオフ（断続）制御するものである。第３制御信号３６は、ＩＧＢＴＱ５とＱ８のゲートに接続し、第４制御信号３７は、ＩＧＢＴＱ６とＱ７のゲートに接続している。即ち、上記したようにＩＧＢＴＱ５及びＱ８と、ＩＧＢＴＱ６及びＱ７は公知の出力側フルブリッジ回路２０を構成し、それぞれを第２制御回路３５からの制御信号でオンオフ（断続）制御する。これによって、ブリッジ整流回路１５で全波整流した図１１（ｄ）に示す高周波脈流電圧を、図１１（ｅ）に示す高周波で断続された波高値を結ぶ包絡線の波形が、半周期毎に極性が反転する高周波交流電圧に変換する。

この第２制御回路３５は、図４に示すように、固定周波数発振回路４５と、これに接続した制御信号形成回路４６を備えている。この制御信号形成回路４６は、固定周波数発振回路４５の出力波形をコンパレータで２値化して、第３制御信号３６と第４制御信号３７とを出力する。第３制御信号３６は、ＩＧＢＴＱ５及びＱ８のゲートに印加し、第４制御信号３７は、ＩＧＢＴＱ６及びＱ７のゲートに印加する。

固定周波数発振回路４５は、商用周波数の６０Ｈｚに設定されると共に、第１制御回路２８内の零クロス点検出器４１の出力である同期補正パルス線４７を接続している。これによって、固定周波数発振回路４５の出力波形は、商用交流電源１の電圧波形と同期を取る構成としている。

第１制御回路２８の具体的な回路例を、図６に示している。出力電源線２３と２４は、降下用トランス２７の１次コイルＮ２１と接続し、絶縁かつ降圧され２次コイルＮ２２からの出力電圧検出線３３、３４に出力し、この出力は第１制御回路２８に入力される。第１制御回路２８では、まず全波整流回路３８内の絶対値回路で全波整流した後、バイアス源４８からの電圧を加算して増幅する。バイアス源４８は、安定化した２．５Ｖの基準電圧（ＲＥＦ）とバッファにより構成しており、出力電圧検出線や基準脈流電圧を２．５Ｖ程度にバイアスすることによって、相互間の信号基準点の調整を容易にしている。全波整流回路３８の出力は、バイアスが加わった全波整流波形の反転したもの（負出力）となっている。

一方、詳細を図７（ａ）に示す如く、時間毎に変化するデジタルポテンショメータを利用し、基準脈流電圧源３９を構成している。この基準脈流電圧源３９は、バイアス電源４８の電圧分だけバイアスされた基準の脈流電圧（正出力）を出力する。この基準脈流電圧源３９出力（正出力）と全波整流回路３８出力（負出力）とを、誤差増幅器４０に入力し加算増幅する。誤差増幅器４０の出力は、後述する電圧−抵抗変換器４２及びＣＲ発振器４３を経由して制御信号形成回路４４に入力される。即ち、出力電圧検出線信号の値が所望の電圧値より大きくなると、全波整流回路３８出力（負出力）は負で大きくなり、その結果誤差増幅器４０の出力は、負で大きくなる。

基準脈流電圧源３９は、図７（ａ）の例に示ように、カウンタ５２とデコーダ５３及びｎ個のスイッチ−抵抗アレイ５４とから構成するＩＣ化されたデジタルポテンショメータ５１を用いている。発振器５５からの出力は、デジタルポテンショメータ５１のクロック端子並びにＵＰ／ＤＯＷＮ信号発生器に入力し、ＵＰ／ＤＯＷＮ信号発生器５６の出力は、デジタルポテンショメータ５１のＵＰ／ＤＯＷＮ端子に入力される。なお、商用交流電源１の波形と同期をとるため、零クロス点検出器４１の出力の同期補正パルス線４７信号により、基準脈流電圧源３９内の発振器、ＵＰ／ＤＯＷＮ信号発生器、並びにデジタルポテンショメータ５１内のカウンタ５２がリセットされる。

リセット時のデジタルポテンショメータ５１の出力抵抗は０Ω、その後発振器５５からのパルスが、クロック端子に入力される毎にＲ、２Ｒ、３Ｒ、…と増加し、脈流電圧の電気角が９０度になるまで増加する。電気角が９０度を超えると、ＤＯＷＮ信号がデジタルポテンショメータ５１のＵＰ／ＤＯＷＮ端子に入力され、発振器５５からのパルスがクロック端子に入力される毎に出力抵抗は０まで減少していく。このような動作が１／１２０秒毎に繰り返される。なお、基準レベルの調整を容易にするため、バイアス源４８の出力が、基準脈流電圧源３９内の差動増幅器の正端子に入力される。差動増幅器の負端子と出力端間に、デジタルポテンショメータ５１の出力抵抗を接続することにより、基準脈流電圧源３９の出力は、図７（ｂ）に示すバイアスされた脈流波形が得られる。

表１に、デジタルポテンショメータの出力抵抗とその電気角との関係を示している。

この例は、同一値の抵抗を、１００個集積したデジタルポテンショメータを使用した場合を示しており、所望の特性を得るために、表１中で抵抗値が変化する電気角に対応して、図７の発振器５５からのパルス間隔を変化させている。

また、基準脈流電圧源３９の他の例を、図８に示しており、カウンタ５２とＲＯＭ（Ｒｅａｄ−Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）５７及びＤ／Ａ変換器５８とから、デジタルポテンショメータ５１を構成している。電気角に対応する出力振幅の情報は、ＲＯＭ５７中にデジタル量で記憶している。発振器５５からの出力は、カウンタ５２のクロック端子並びにＵＰ／ＤＯＷＮ信号発生器５６に入力し、ＵＰ／ＤＯＷＮ信号発生器５６の出力は、カウンタ５２のＵＰ／ＤＯＷＮ端子に入力される。

商用交流電源１の波形と同期をとるため、同様に零クロス点検出器４１の出力の同期補正パルス線４７信号により、基準脈流電圧源３９内の発振器５５、ＵＰ／ＤＯＷＮ信号発生器５６並びにデジタルポテンショメータ内のカウンタ５２がリセットされる。リセット時のＤ／Ａ変換器５８の出力電圧は０Ｖ、その後発振器５５からのパルスがクロック端子に入力される毎に、その電気角に対応した振幅電圧に増加し、脈流電圧の電気角が９０度になるまで増加していく。電気角が９０度を超えると、ＤＯＷＮ信号がデジタルポテンショメータのＵＰ／ＤＯＷＮ端子に入力され、発振器５５からのパルスが、クロック端子に入力される毎に出力電圧は０Ｖまで減少してゆく。このような動作が１／１２０秒毎に繰り返される。上記した例と同様に、基準レベルの調整を容易にするため、バイアス源４８の出力とＤ／Ａ変換器の出力とが、図８下部の２個のオペアンプで加算され、基準脈流電圧源３９から出力する。基準脈流電圧源３９の出力は、前記図７（ｂ）と同様のバイアスされた脈流波形となる。

電圧−抵抗変換器４２の例を、図９に示している。この例では、誤差増幅器４０からの出力により、逆極性で出力端を接続した２個のホトカプラＰＣ１、ＰＣ２に流す電流を制御している。誤差増幅器４０の出力が零の時に、ホトカプラに流しておく電流を設定するために、図９内の左下の増幅度が可変のオペアンプの出力を、この上部のオペアンプの入力に加算するバイアス電流設定回路を設けている。なお、図９内の上部のオペアンプと右下のオペアンプにより、公知の定電流回路を構成している。この回路により、電源出力が所望の値になったときの第１制御信号２９並びに第２制御信号３０のパルス周期である基準周期を決定する。誤差増幅器４０の出力が負で大きくなるとホトカプラに流れる電流は増加し、電圧−抵抗変換器４２の出力抵抗は低下する。

公知の集積回路を用いたＣＲ発振器４３の例を、図１０に示している。発振周波数は、ＣＲ発振器４３内のＣＴ−ＲＴ端子間抵抗が小さくなると発振周波数は大きくなり、ＣＴ−ＲＴ端子間抵抗が大きくなると発振周波数は小さくなる。制御信号形成回路２８では、ＣＲ発振器４３からの高周波出力信号をコンパレータによりデジタル化した後、図１２を用いて後述する休止期間（例えば１マイクロ秒）を設定して第１制御信号２９並びに第２制御信号３０を出力する。ＣＲ発振器４３出力の発振周波数が大きくなると、制御信号形成回路２８から出力する第１制御信号２９並びに第２制御信号３０のパルス周期が小さくなる。
即ち、出力電圧検出線信号の値が所望の電圧値より大きくなると、全波整流回路３８出力（負出力）は負で大きくなり、その結果誤差増幅器４０の出力は、負で大きくなり、ホトカプラに流れる電流が大きくなり、電圧−抵抗変換器４２の出力抵抗が下がり、ＣＲ発振器４３の出力周波数は増加し、第１制御信号２９並びに第２制御信号３０のパルス周期が小さくなる。図１において、脈流電圧を断続させる矩形波の周期が短くなり、周波数が高くなって２重共振回路の入力側に印加される。前に述べた図５の入力周波数ｆ１−出力電圧ＶＬ２の特性中、共振周波数より高く、２重共振回路の入力周波数ｆ１の増加に対して、２重共振回路の出力電圧ＶＬ２が単調に減少する領域を使用している。このため、２重共振回路の出力電圧ＶＬ２は減少し、出力電源線２３及び２４間の出力電源電圧も減少する。

以上を要約すると、出力電源検出線３３と３４の間の電圧を、全波整流した値と基準脈流電圧源電圧とをリアルタイムで比較し、誤差が生じた場合は、その誤差をなくすように、脈流電圧を断続させる矩形波の周波数を変化させて２重共振回路に入力することにより、２重共振回路の高周波電圧出力振幅を調整し、出力電源線２３及び２４間の出力電源電圧が常に一定値に保たれるようにする。

本発明の２重共振回路を用いた定周波定電圧交流電源変換装置での変換動作における各部の波形について、より詳細に説明する。商用周波数の交流電源１は、第１のブリッジ整流回路４によって全波整流し、ここで図１１（ａ）に示す脈流電圧の波形を得る。次の入力側フルブリッジ回路８の制御では、商用電源１の出力電圧を用いる第１降圧トランス２６と負荷に供給する変換交流出力電圧を用いる第２降圧トランス２７とを活用し、これらとの差を周波数変化に変えた高周波を有効に使用する。第１制御回路２８出力の第１制御信号２９と第２制御信号３０により、入力側フルブリッジ回路８のＩＧＢＴＱ１及びＱ４と、ＩＧＢＴＱ２及びＱ３とを交互にオンオフ（断続）制御し、図１１（ｂ）に示すように矩形波で断続され、波高値を結んだ包絡線の波形を脈流電圧とし、接続点９ａ及び９ｂの間に得る。

トランス１１の１次側と２次側とに設けた各共振回路、即ち２重共振回路１０の入力側に、図１１（ｂ）の脈流電圧を入力すると、２重共振回路１０の出力側である第２共振用コンデンサＣｓの端子間には、図１１（ｃ）に示すように６０Ｈｚの正弦波交流波形である商用交流電源１での半周期の理想の波形である線Ａに対して、高周波出力電圧の波形である線Ｂの波高値を結んだ包絡線である線Ｃが、相似となるような高周波で変調された高周波交流電圧が発生する。次に、この高周波交流電圧を、第２のブリッジ整流回路１５で全波整流し、図１１（ｄ）に示すように高周波出力電圧の波高値を結んだ包絡線の波形が、高周波脈流電圧の波形としている。この高周波脈流電圧は、ＩＧＢＴＱ５及びＱ８とＱ６及びＱ７とを交互にオンオフ（断続）制御することにより、出力側フルブリッジ回路２０で交流に変換することで、図１１（ｅ）に示すように高周波で断続されて波高値を結んだ包絡線の波形が、半周期毎に極性が反転する波形の高周波交流電圧を得る。この図１１（ｅ）の高周波交流電圧の波形には、６０Ｈｚの商用周波数成分以外が含まれているから、この商用周波数成分以外の高周波成分は、６０Ｈｚのバンドパスフィルタ２２を通して除去することによって、図１１（ｆ）に示す商用周波数の交流電圧の出力が得られる。

この商用交流電圧出力信号に全波整流を施した信号と、商用交流電源１に同期した基準脈流電圧（図１１（ｃ）の線Ａで示す商用交流電源１での理想の半周期の波形に相似の波形）との差を、脈流電圧波形を断続する上記の矩形波の周波数変化に変えて制御し、商用交流電圧出力が位相及び振幅共に、商用交流電源１での理想の半周期の波形に一致するように制御する。即ち、２重共振回路の出力電圧（線Ｂの高周波交流電圧）の波高値を結ぶ図１１（ｃ）に線Ｃで示す包絡線の波形が、線Ａで示す商用交流電源１での理想の半周期の波形と相似になるよう制御する。

また、入力周波数を増加すると出力電圧が単調低下する２重共振回路の垂下特性部分を利用し、２重共振回路の入力周波数を変化させて、２重共振回路の出力電圧を制御することにより所望の定周波定電圧出力を得ている。

本発明による２重共振回路を用いた定周波定電圧交流電源変換方法では、商用交流電圧を入力し、負荷側に商用交流電圧を変換出力するまでの過程で、直流（平流）に変換されることがないため、電力線の波形の歪みや高周波の発生の問題は引き起こすことがなく、有害なノイズの発生も著しく少なくなる。

次に図１２を用いて、実施例１の入力側フルブリッジ回路８のＩＧＢＴＱ１及びＱ４と、ＩＧＢＴＱ２及びＱ３におけるオンオフ（断続）の１周期の動作について説明する。公知のものと同様に時刻ｔ０からｔ４までが、脈流電圧を断続させる矩形波の１周期である。この一周期の長さは、周波数を変化させる制御により変化するが、この周波数変化に対しても、１周期中の相対波形が類似していることが実験によって確かめられている。なお、時刻ｔ０からｔ４までが１周期の矩形波の周波数は、電源変換出力の周波数の６倍以上でかつ３００ｋＨｚ以下の高い周波数の制御信号を使用している。

図１２（ａ）はＩＧＢＴＱ１とＱ４のゲートに加わる第１制御信号２９、図１２（ｂ）はＩＧＢＴＱ２とＱ３のゲートに加わる第２制御信号３０、図１２（ｃ）はＩＧＢＴＱ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４のコレクタ・コミッタ間電圧ＶＱ１、ＶＱ２、ＶＱ３、ＶＱ４、図１２（ｄ）は第１の共振用コンデンサＣｐと１次コイルＮ１からなる第１の直列共振回路に流れる１次共振電流Ｉ１，図１２（ｅ）はトランス１１の１次コイルＮ１の電圧ＶＬ１、図１２（ｆ）は第２の共振用コンデンサＣｓと２次コイルＮ２からなる第２の直列共振回路に流れる２次共振電流Ｉ２、図１２（ｇ）はトランス１１の２次コイルＮ２に誘起する電圧ＶＬ２をそれぞれ示している。

図１２においては、時刻ｔ０からｔ４ を大別して時刻ｔ０からｔ１の第１期間と、時刻ｔ１からｔ２の第２期間、時刻ｔ２からｔ３の第３期間と、時刻ｔ３からｔ４の第４期間に分けて説明する。第１期間及び第３期間が休止期間、第２期間及び第４期間が出力期間（マークタイム）である。以下において、電流の経路の説明では、回路素子の符号のみによって電流経路を記載している。

時刻ｔ０からｔ１の第１期間では、時刻ｔ０の直前は第１制御信号２９が低レベル、第２制御信号３０が高レベルである。時刻ｔ０の時点で、第２制御信号３０が高レベルから低レベルに変化すると、ＩＧＢＴＱ２及びＱ３がオンからオフに変化する。従って、時刻ｔ１の直前では、ＩＧＢＴＱ１とＱ４、及びＩＧＢＴＱ２とＱ３は、共にオフの状態にある。

時刻ｔ１からｔ２の第２期間では、時刻ｔ１の時点で第１制御信号２９が低レベルから高レベルに変化すると、ＩＧＢＴＱ１とＱ４は、オフからオンに変化する。このＩＧＢＴＱ１とＱ４がオンになると、第１の直列共振回路には６→Ｑ１→９ａ→Ｃｐ→Ｌ１→９ｂ→Ｑ４→７の閉回路に１次共振電流Ｉ１が流れる。この電流Ｉ１は直列共振の条件から図１２（ｄ）に示すように正の正弦波形の半波となり、第１共振用コンデンサＣｐに電荷を蓄積する。

また、トランス１１の１次コイルＮ１に１次共振電流Ｉ１が流れることにより、１次共振電流Ｉ１の磁束によって同トランス１１の２次コイルＮ２に電圧ＶＬ２が誘起され、この電圧によって、Ｌ２→１３→Ｃｓ→１４→Ｌ２からなる第２の直列共振回路にも２次共振電流Ｉ２が流れる。この電流Ｉ２は直列共振の条件から図１２（ｆ）に示すように正の正弦波形の半波となり、第２共振用コンデンサＣｓに電荷を蓄積する。

電流Ｉ１がトランス１１の１次コイルＮ１に流れると、１次共振電流Ｉ１と1次共振用インダクタンスＬ１の積に比例した電圧ＶＬ１が１次コイルＮ１に誘起され、その波形は図１２（ｅ）の電圧ＶＬ１に示すような正の半波となる。

２次共振電流Ｉ２が、トランス１１の２次コイルＮ２に流れると、２次共振電流Ｉ２と２次共振用インダクタンスＬ２との積に比例した電圧ＶＬ２が２次コイルＮ２に誘起され、その波形は図１２（ｇ）に示すような正の正弦波の半波となる。

時刻ｔ２からｔ３の第３期間では、時刻ｔ２の時点で第１制御信号２９が高レベルから低レベルに転換すると、ＩＧＢＴＱ１とＱ４がオンからオフに変化する。従って、時刻ｔ３の直前ではＩＧＢＴＱ１とＱ４、及びＩＧＢＴＱ２とＱ３とは、共にオフの状態にある。

時刻ｔ３からｔ４の第４期間では、時刻ｔ３の時点で、第２制御信号３０が低レベルから高レベルに変化すると、ＩＧＢＴＱ２とＱ３がオフからオンに変化する。このＩＧＢＴＱ２とＱ３がオンになると、第１の直列共振回路には第１共振用コンデンサＣｐに蓄積した電荷が放電され、かつこれに重畳して６→Ｑ２→９ｂ→Ｌ１→Ｃｐ→９ａ→Ｑ３→７の閉回路を、１次共振電流Ｉ１となって流れる。第４期間の電流Ｉ１の波形は、図１２（ｄ）に示すように負の波形の半波となる。またＩＧＢＴＱ２とＱ３が、オフからオンに転換すると、第２の直列共振回路にも、第２の共振用コンデンサＣｓに蓄積した電荷の放電による電流と、１次共振電流Ｉ１の磁束によってトランス１１の２次コイルＮ２に電圧が誘起されて生じた電流が重畳され、２次共振電流Ｉ２となってＬ２→１４→Ｃｓ→１３→Ｌ２の閉回路を流れる。

第３期間の２次電流Ｉ２の波形は、図１２（ｆ）に示すように負の正弦波の半波となる。また２次共振電流Ｉ２が、トランス１１の２次コイルＮ２に流れると、２次共振電流Ｉ２と共振用インダクタンスＬ２の積に比例した電圧ＶＬ２が、２次コイルＮ２に誘起され、その波形は図１２（ｇ）に示すように負の正弦波形の半波となる。

図１３に本発明の２重共振回路を用いた交流定周波数定電圧電源装置の他の実施例を示しており、この例では２重共振回路１０の１次側の供給電源として、蓄電池や蓄電器又は太陽電池更には燃料電池等の電池４９出力の直流電圧を用いたものであり、このため入力側のブリッジ整流回路が省略されており、その他の部分は図１の例と同様に構成したものである。この実施例２の装置では、図１１（ａ）の全波整流された脈流電圧に代えて、直接電池４９出力の直流電圧が、入力側フルブリッジ回路８に供給され、これに伴い図１１（ｂ）が高周波で断続された矩形波の直流電圧の波形になるが、これ以降の各部の波形は、図１１（ｃ）から図１１（ｆ）に示す実施例１と同様になる。

直流電源を入力した場合、基本的には図１と同様に商用周波基準脈流電圧波形と電源変換出力の全波整流波形との差を周波数変化に変えた高周波で、直流電圧を断続する制御を実施する。しかし、図１と同様な制御のみでは出力電圧が低く、電気角が−２０度から２０度並びに１６０度から２００度の範囲において、所望の制御が困難になる。このため、図１２の時刻ｔ０からｔ１の第１期間及び時刻ｔ２からｔ３の第３期間の休止期間に関し、上記の電気角に対応する期間では、その他の電気角の期間における休止期間（例えば１マイクロ秒）に対して、休止期間を長くすることにより、所望の制御が行えるようにしている。

図１４には、１マイクロ秒に固定したときにおける図５の負荷時の特性を、曲線ＯＬ１に示し、また電気角−２０度から２０度並びに１６０度から２００度の範囲において、電気角に対応して休止期間を２．５マイクロ秒から２５マイクロ秒の間で多段階に変化させた時の特性を、曲線ＯＬ２に示している。この図１４に示すように、入力周波数ｆ１の増加に対し、出力電圧ＶＬ２の低い期間の制御が容易になる。更に、休止期間が２５マイクロ秒の場合、２０ｋＨｚ以上の周波数領域では、図１２の出力期間（第２期間及び第４期間）が消失し、２重共振回路からの出力電圧ＶＬ２が零となる。

実施例２に使用する制御信号形成回路４４の構成例を、図１５に示している。ＣＲ発振器４３の高周波出力信号を、コンパレータ６０でデジタル化信号にした後、波形の立ち上がり部分でリセット信号を発生させる。一方、電気角のアドレスに対応する基準脈流電圧源３９内のカウンタ出力のアドレスを入力し、その電気角アドレスに対応してＲＯＭ６１により、休止期間をデジタル的に出力する。その休止期間の値を前記リセット信号により、ダウンカウンタに初期値としてセットする。その後、１マイクロ秒周期の発振器６２によりカウントダウンし、カウンタ値が０に達した後、更にカウントダウンする前にダウンカウンタ６３からＢＯＲＲＯＷ信号が出力される。この信号により、ダウンカウンタのクロック入力をストップさせる。このＢＯＲＲＯＷ信号をフリップフロップ６４にて整形し、前記のデジタル化信号と論理積をとることにより、第１制御信号２９が得られる。デジタル化信号を反転させたものと、電気角アドレスから同様にして第２制御信号３０が得られる。また、ＲＯＭの内容を変えることにより容易に電気角−休止期間特性を変えることができるため、所望の電源変換に適した電気角−休止期間特性を容易に得ることができる利点がある。電気角に対応してｎ段階（ｎは２以上）に休止期間を変化させる場合、所望の出力波形に制御するためには、入力直流電圧を断続させる矩形波の周波数として、電源変換出力の周波数とｎとの積の少なくとも１０倍以上、好ましく２０倍以上とする。デジタル的に休止期間を設定する場合について、図１５に示したが、アナログ回路を用いることにより、電気角に対応してアナログ的に休止期間を設定することもできる。

なお、図１３の例で入力する電池４９の出力電圧の変動（例えば定格の４０％等）が存在する場合に、その変動を２重共振回路の入力周波数変化のみで対応すると、周波数の変化が広範となり、共振周波数の１／２以上でかつ共振周波数の２倍以下の領域を通過する電力が少なくなり、装置の変換効率が低下する。このような場合には、供給電源である電池４９の出力電圧の経時的変動に対しても、上記の休止期間変化技術を用いることができる。この場合には、電気角が０度及び１８０度付近での低振幅領域対応と併せて、上記の休止期間変化技術を適用する。図１５のＲＯＭ６１に、電池４９の出力電圧を、Ａ／Ｄ変換した信号を入力すれば、電池４９の出力電圧変動分も併せて休止期間変化制御により吸収し、２重共振回路の入力周波数の変化が広範となる欠点が解消でき、装置の変換効率も低下することがなくなる。

本発明を実施例１及び実施例２と各部の構成例について説明したが、本発明はこれらに限定されることはなく、例えば電圧−抵抗変換器４２及びＣＲ発振器４３は、機能的に同じである電圧−周波数変換器に変えることができる。

また、６０Ｈｚの商用交流電源の例で説明したが、５０Ｈｚの商用交流電源に適用できることは明らかであり、更に２相の商用周波電源の出力について説明してきたが、基本的には、実施例１及び実施例２に例示した回路を、３組準備すれば、当然３相の商用周波数の電源出力も得ることができる。

また、上記では本発明を、２重共振回路の共振周波数より高い領域を使用する場合について述べてきたが、共振周波数より低い領域も使用することができる。本発明は要するに、制御に用いる周波数範囲において、入力周波数の変化に対し、２重共振回路の出力電圧が単調に変化する領域であればよい。

なお、実施例１では商用電源を全波整流した脈流電圧を用い、また実施例２では電池出力の直流電圧を用いたもので説明したが、商用電源を直接入力側フルブリッジ回路で矩形波の脈流電圧に変換して、２重共振回路に入力するようにした場合でも同様に商用周波数の交流電圧が得られる。

本発明では、トランスの１次側と２次側を利用し、それぞれに設けた共振回路からなる２重共振回路であり、トランスの１次側と２次側とは電気的に絶縁され、かつ１次コイルと２次コイルとは同一脚に適当な離隔距離を有するリーケージトランスで形成されている。そのため一般に、低減が困難なコモンモードノイズの大幅な低減が容易に実現できる。つまり、電源側で発生したコモンモードノイズの影響を負荷側に及ぼすことが少なく、また負荷側で発生したコモンモードノイズが電源側に送出することも少なくなる。

本発明の一実施例である２重共振回路を用いた定周波定電圧交流電源変換装置を示す回路図である。 本発明に用いるトランスの構成を示す正面図である。 本発明に用いる第１制御回路の例を示すブロック図である。 本発明に用いる第２制御回路の例を示すブロック図である。 本発明における２重共振回路の入力周波数−出力電圧の特性図である。 本発明の２重共振回路を用いた定周波定電圧交流電源変換装置に用いる第１制御回路の回路図である。 本発明に用いる基準脈流電圧源のブロック図である。 本発明に用いる基準脈流電圧源の他のブロック図である。 本発明に用いる電圧−抵抗変換器の例を示す回路図である。 本発明に用いるＣＲ発振器の例を示す回路図である。 本発明の２重共振回路を用いた定周波定電圧交流電源変換装置における各部の波形を示す図である。 本発明の２重共振回路を用いた定周波定電圧交流電源変換装置の入力側フルブリッジ回路と２重共振回路の動作説明図である。 本発明の他実施例である２重共振回路を用いた定周波定電圧交流電源変換装置を示す回路図である。 本発明における休止期間の変化による２重共振回路の入力周波数−出力電圧の特性図である。 図１３に用いる休止期間可変回路の例を示す図である。

符号の説明

１…商用交流電源、４、１５…ブリッジ整流回路、８…入力側フルブリッジ回路、１０…２重共振回路、１１…トランス、１２…磁性体コア、２０…出力側フルブリッジ回路、２２…バンドパスフィルタ、２５…負荷、２６…第１降圧トランス、２７…第２降圧トランス、２８…第１制御回路、３５…第２制御回路、Ｎ１…１次コイル、Ｎ２…２次コイル、４９…電池。

Claims (1)

1. トランスの１次側と２次側にそれぞれ設けた共振回路からなる２重共振回路を用い、前記１次側から供給する供給電源を、前記２次側で定周波数定電圧の交流電源に変換する２重共振回路を用いた定周波定電圧交流電源変換方法であって、前記２重共振回路の１次側に、前記供給電源側から供給される直流電圧を、商用出力周波数の６倍以上で３００ｋＨｚ以下の高周波の制御信号で断続され、かつ前記高周波の制御信号での断続を商用周波基準脈流電圧波形と変換交流出力の全波整流波形との差を周波数変化に変えた高周波の制御信号で行うと共に、前記断続時の休止期間を前記商用周波基準脈流電圧波形の電気角に対応して複数段階に変化させた矩形波の脈流電圧として入力し、前記２重共振回路の２次側に高周波で変調された高周波交流電圧を発生させ、前記高周波交流電圧は全波整流して高周波脈流電圧とし、前記高周波脈流電圧から高周波で断続された波高値を結ぶ包絡線の波形が、半周期毎に極性の反転する高周波交流電圧を生成し、前記高周波交流電圧はバンドパスフィルタを通して商用周波数の交流電圧にすることを特徴とする２重共振回路を用いた定周波定電圧交流電源変換方法。

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