JP4662993B2 - 電圧信号の変換調整方法及び装置 - Google Patents

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Description

本発明は、電圧信号を変換及び調整する方法及び装置に関する。特に、本発明は、電圧レギュレータの誘導リアクタンスを調節することにより電圧信号を効率的に変換し調整するための方法及び装置に関する。
連続的な交流電圧(例えば正弦波電圧)の変換は、通常、電気的閉回路である磁気コアトランスと電気的インダクタンス(例えばコイル)とを用いることにより行われる。これらの変換技術には、トランスの重量と大きさという欠点がある、（通常、変換電力１ｋW当たり１０ｋｇ程度まで）。また、トランスの始動が困難である（トランスの一次コイルの初期電流が動作電流の６〜８倍となる場合がある）。これらのトランスにおけるその他の欠点は、短絡に対する保護がないことと、その出力電圧を連続的に滑らかに変動させる困難さとに起因する。
別の汎用的電圧トランス方式においては、高周波(ＨＦ)トランスが用いられ、その重量は、通常、変換電力１ｋＷ当たり１．５〜２ｋｇの範囲になる。しかしながら、これらのトランスを利用して実施される変換方法は、交流電流を整流しかつ調整するための必要性とフィルタ段階があるために複雑であり、いつの時点においても変換された電圧が必要な電圧を超えないことを確保することが必要とされている。加えて、これらの変換技術は、入力電源の波形に対応するように出力電圧の波形を調整するための精細な制御手段がしばしば必要とされる。さらに、これらの変換技術においては、交流電源の電圧が、高周波の方形波又は断続的なパルス信号に変調されることがよくある。このことが、これらの技術を採用する用途の範囲を狭めている。なぜなら、ほとんどの交流電気機器は、非正弦波の電圧で駆動される場合に効率的に機能できないからである。
従来、電力変換方式は、主としてパルス幅変調(ＰＷＭ:Pulse Width Modulation)技術に基づいている。この技術では、負荷に供給される電力がスイッチング素子により制御され、それは、開(非導通すなわち"オフ")状態と閉(導通すなわち"オン")状態との間で切り替わる。供給される電力は、スイッチング素子のオフ状態とオン状態の期間の比により決定される。これらの変換方式は、電力効率に関しては効率的であるが、様々な欠点もある。例えば、不測の電磁波の放出や、雑音及び冗長な高次高調波に起因する変換信号における歪みである。
特許文献１(Murray Masonらによる)は、交流電力変換装置を開示する。それは、電圧入力及び電流入力並びにそれらの位相の違いにより出力負荷に対して供給される電力を制御するコントローラによってその動作を制御されるスイッチング素子を用いることにより、容量負荷、誘導負荷及び／又は抵抗負荷に出力を適応させることができる。この電力変換器においては、損失となる残留エネルギーがある。
特許文献２(Rainer Krenzkeによる)は、スルーレート検知に基づいて電圧範囲を変化させる高電圧出力ドライバを開示する。このドライバは、スロープトランスと、微分器と、レギュレータと、比較器と、デジタルレギュレータとを備えており、これらは、閉回路内において互いに接続されている。この変換装置は、安定化された調整可能な出力電圧を供給できるが、複雑で高価である。
米国特許第６，３４６，７７８号公報 米国特許第６，７８４，７０８号公報
上記の方法は、従来技術の問題点に対する十分な解決手段を与えていない。従って、上記の問題を解決するための効率的かつシンプルな変換及び調整を行う装置が必要とされている。
よって、本発明の目的は、効率的に調整可能であって比較的軽量な変換及び調整を行う装置を提供することであって、その装置は、安定化された調整可能な出力電圧を供給でき、フィルタ段階を必要とせずかつ電子回路に干渉しないものである。
本発明の別の目的は、、効率的に調整可能であって比較的軽量な変換及び調整を行う装置を提供することであって、その装置が、「ソフトスタート」機能をもつことである。
本発明のさらに別の目的は、効率的に調整可能であって比較的軽量な変換及び調整を行う装置を提供することであって、その装置が、パルス幅変調(PWM)技術に基づいたものではないことである。
本発明の別の目的は、高周波トランスを介して交流電圧信号を効率的に変換するための方法及び装置を提供することであって、１又は複数の高周波電磁電圧レギュレータ(ＨＦＥＶＲ)を用いて高周波トランスのコイルに印加される電圧を調整することによるものである。
本発明のさらに別の目的は、１又は複数のＨＦＥＶＲにより変換プロセスを制御可能な変換調整装置を提供することである。
本発明のさらに別の目的は、調節可能な誘導リアクタンスを備えたＨＦＥＶＲを提供することである。
本発明のさらに別の目的は、変換信号の振幅及び波形の制御機能をもつ変換調整装置を提供することである。
本発明の他の目的及び利点は、後述によって明らかとする。
本発明は、一般的には、高周波トランス及びこのトランスのコイルに直列接続された高周波電磁電圧レギュレータ(ＨＦＥＶＲ)に基づいて効率的な電圧変換調整装置に係る。本発明による電圧の変換及び調整を行う装置(以下、「変換調整装置」と称する)は、入力電源(以下、「入力電圧」又は「入力信号」と称する)を、フィルタ段階を設けることなく効率的に変換しかつ安定化する。
本発明による電圧信号の調整は、好適には、本発明による１又は複数のＨＦＥＶＲを用いることにより行われる。ＨＦＥＶＲは、電磁石に磁気結合されたコイルを備えている。このＨＦＥＶＲは、それらのコイルを介して電圧トランスの一次コイル及び／又は二次コイルに接続されている。そして、このトランスの一次コイル及び／又は二次コイルにかかる電圧が、ＨＦＥＶＲの電磁石に与えられる適切な制御信号によってＨＦＥＶＲのコイルの誘導リアクタンスの値を調節することにより調整される。
「信号変調」という用語は、本明細書において、周期的信号の振幅を、別の時間変化信号の振幅に連続的に調整する動作を意味する。これは、これらの信号を乗算すること(例えば、振幅変調(ＡＭ))により行う。
「周期的信号」という用語は、本明細書において、波形パターンをもつ時間変化信号を意味し、一定の期間内に周期的に繰り返される。
「調整」という用語は、本明細書において、信号の振幅を、所望する波形に変形するために調整すること、又は言い換えるならば、所望する波形との差分を除去することを意味する。
「結合信号」又は「整流信号」の用語は、本明細書において、信号において特定の極性をもつ部分の全てを反転させた後に得られる信号を意味し、いわば、信号を単極性の信号に変換することである。
「スイッチドブリッジ」の用語は、本明細書において、例えばトランジスタ・ブリッジなどのブリッジ回路に接続された制御可能な電子スイッチング素子の配列を意味する。
「電磁電圧レギュレータ(ＥＶＲ)」の用語は、誘導リアクタンスの値を電磁的に制御可能な誘導リアクタンス素子をもつ電圧レギュレータを意味する。
本発明の一態様においては、周期的な電源信号(例えば正弦波信号)を変換しかつ／又は調整する方法を提示している。この方法においては、周期的交流信号を、その周期的交流信号の周期よりも比較的長い周期をもつ電源信号により変調し、その変調された信号をトランスを用いて変換すると同時に調整し、この信号を整流し、そしてその整流された信号の所定部分の極性を周期的に反転することにより、変換調整信号が生成される。その場合、変換された信号の調整は、変換装置の一次コイル及び／又は二次コイルに接続された１又は複数の電磁電圧レギュレータのコイルの誘導リアクタンスを連続的に調節することにより実行される。
変換及び調整は、高周波トランスと、この高周波トランスの少なくとも１つのコイルに接続された１又は複数の高周波電圧レギュレータを用いて実行することが好適である。電源信号は、単極性の周期的電圧信号又は交流の周期的信号である。
さらに、この方法は、電源信号を整流することにより整流電圧信号を生成することを含む。これにより、周期的交流信号を整流電圧信号で変調することにより変調信号が生成される。
調整は、閉ループ制御方式を用いて行うことができる。その場合、１又は複数の電磁電圧レギュレータの誘導リアクタンスが、変換調整された電圧信号の値に従って連続的に調整される。信号の調整においては、変換された信号の波形を、例えば正弦波である所望する波形とするために調整することが好適である。
変換された信号の調整は、所望する波形を得るために、高周波トランスの一次コイルに直列接続された第１の高周波電磁電圧レギュレータ、及び、高周波トランスの二次コイルに直列接続された第２の高周波電磁電圧レギュレータの誘導リアクタンスを連続的に調節することにより行うことが好ましい。
本発明の別の態様における変換調整装置は、周期的交流信号を電源信号により変調する変調器と、この変調器から出力された信号を変換しかつ調整するための調整付トランスとを備え、調整付トランスは、その少なくとも１つのコイルが電磁電圧レギュレータに対して直列接続されたトランスからなり、さらに調整付トランスから出力された信号を整流する第２の整流器と、第２の整流器から出力された信号の一部の極性を周期的に反転するスイッチドブリッジと、上記変調器、上記スイッチドブリッジ及び上記電磁電圧レギュレータを動作させる適切な制御信号を与える制御論理素子とを備え、上記電磁電圧レギュレータの誘導リアクタンスを連続的に調整することにより調整を行うものである。
このトランスは、好適には、高周波トランスであり、電磁電圧レギュレータは、好適には、高周波電磁電圧レギュレータである。
調整付トランスは、２つの電磁電圧レギュレータを備え、その一方がトランスの一次コイルに直列接続され、他方がトランスの二次コイルに直列接続されている。
好適には、スイッチドブリッジにより変調器が形成される。
調整付トランスは、変換電圧信号をデジタル化するためのＡ／Ｄ変換器と、電磁電圧レギュレータの制御端子を駆動する１又は複数の制御可能な電源とを備えてもよい。
任意であるが、コントローラにより制御論理素子が形成される。好適には、スイッチドブリッジが、ＭＯＳＦＥＴを用いて形成される。さらに、変換装置が、第１の整流器を備えており、電源の信号がこの第１の整流器を介してスイッチドブリッジに与えられる。
本発明のさらに別の態様は、変換調整装置であって、電源の電圧信号により周期的交流信号を変調する変調器と、この変調器から出力される信号を変換しかつ調整するための調整付トランスとを備え、この調整付トランスは一次コイル及び二次コイルを備えたトランスからなり、その各々のコイルが電磁電圧レギュレータへ接続されている。さらに、調整付トランスの二次コイルから出力された電圧信号を整流する２つの第２の整流器と、２つのスイッチング素子とを備え、各スイッチング素子は、負荷に対する２つの第２の整流器の接続を制御するために２つの第２の整流器の各々の出力に接続されている。さらに、変調器、スイッチング素子及び電磁電圧レギュレータを動作させるための適切な制御信号を与えるための制御論理素子を備える。その調整は、電磁電圧レギュレータの誘導リアクタンスを連続的に調節することにより行われる。
好適には、変調器がスイッチドブリッジにより形成される。
スイッチング素子及び／又はスイッチドブリッジは、好適には、ＭＯＳＦＥＴを用いて形成される。
本発明のさらに別の態様は、電圧の調整装置であって、負荷に対して直列接続された電磁電圧レギュレータと、この電磁電圧レギュレータに対して直列接続された第１のスイッチング素子と、電源から負荷へ一方向に電流を供給するために負荷に対して直列接続された第１のダイオードと、負荷に対して直列接続された第２のスイッチング素子と、電源から負荷へ他方向に電流を供給するために負荷に対して直列接続された第２のダイオードと、電磁電圧レギュレータに対して並列接続された１つの第３のスイッチング素子と、上記第１及び第２のスイッチング素子が非導通状態の間に連続的な電流の流れを維持する負荷と、前記第１及び第２のスイッチング素子、前記第３のスイッチング素子及び前記電磁電圧レギュレータを動作させるための適切な制御信号を与える制御論理素子とを備える。その調整は、電磁電圧レギュレータの誘導リアクタンスを連続的に調節することにより行われる。
この調整装置は、好適には、電磁電圧レギュレータ及び負荷に対して並列接続されたもう１つの第３のスイッチング素子を用いる。これら２つの第３のスイッチング素子の各々は、特定の方向に負荷を通る連続的な電流の流れを維持する。スイッチング素子ＭＯＳＦＥＴを用いて形成されることが好適である。
さらに本発明は、電磁電圧レギュレータであって、電磁石に対して磁気的に結合した誘導素子（コイル）を備え、電磁石により形成される磁場がその誘導素子のコアに導入されることにより、そのインダクタンスを変化させる。電磁電圧レギュレータはさらに、誘導素子のコアに磁場を導入するための一定の磁気素子を備えている。
好適には、電磁石は、"Ｕ"形状のコアを有し、そのアーム部の間に誘導素子を嵌め込むように形成されている。電磁石のコアは、好適には鉄から形成され、誘導素子のコアは好適にはフェライトから形成されている。
本発明は、一般的には、高周波トランス及びそのトランスのコイルに接続された高周波電磁電圧レギュレータ(ＨＦＥＶＲ)に基づいて、効率的に変換及び調整を行う装置に係る。本発明による変換調整装置(以下、「変換装置」と略称する)は、フィルタ段階なしで入力電源(以下、「入力電圧」又は「入力信号」とも称する)を効率的に変換しかつ安定化する。
「高周波(ＨＦ)」という用語を用いることにより、一般的には、２０ｋHz〜１０００ｋHzの周波数のことをいう。「調整付高周波トランス」の用語は、高周波トランスであって、その出力電圧が、その一次コイル又は二次コイルに直列接続された少なくとも１つのＨＦＥＶＲにより調整されるものをいう。
さらに本発明は、比較的軽量の変換装置を用いて周期的な交流電圧信号を変換する方法に係る。この場合、ＨＦＥＶＲが、変換プロセスに対する制御機能を付与するために変換段階で用いられる。
原理的には、本発明の目的は、入力電圧信号の変換プロセス及び波形変形プロセスを、電源(例えば、電気回路)及び負荷(例えば、電動エンジン、家庭用電気機器等)の双方から独立させることにより実現される。これは、変換プロセスをいくつかの段階に分離することにより行われる。
本発明の好適な実施例においては、変換プロセスが整流ステップ６１(図６参照)から始まり、電源(例えば、正弦波電圧信号)の双極性の交流電圧信号Ｕin(図１Ａ参照)が、単極性の半波電圧信号Ｕrec(図１Ｂ参照)の連続波形に変換される。半波電圧信号Ｕrecは、その後、ステップ６２(図６参照)において、単極性の半波電圧信号Ｕrecを周期的な双極性の高周波信号で変調することにより、双極性の高周波変調電圧信号Ｕmod(図２参照)に変換される。周期的な双極性の高周波信号は、好適には、幅の等しい正パルスと負パルスをもつパルス信号である。
変調電圧信号Ｕmod(図２参照)は、その後、ステップ６３において、高周波トランスである調整付高周波トランスにより、振幅を調整されて変換電圧信号Ｕtran(図３参照)に変換される。この高周波トランスは、少なくとも１つのコイルがＨＦＥＶＲに接続されている。詳細は後述するが、ＨＦＥＶＲの誘導リアクタンス(ＸEVR)は、ＨＦＥＶＲに対して適切な制御信号を与えることにより調整できる。このように、所望する振幅及び波形を得るために、変換電圧信号Ｕtranの振幅を連続的に調整することができる。例えば、ＨＦＥＶＲは、高周波トランスの一次コイルに直列接続されており、それにより、振幅及び波形の制御を可能とし、高周波トランスにより与えられる出力電圧信号Ｕtranの制御を可能とする。別の例として、ＨＦＥＶＲは、高周波トランスの二次コイルに直列接続してもよい。
本発明の好適例においては、調整付高周波トランスは、その一次コイルに直列接続された第１のＨＦＥＶＲと、その二次コイルに直列接続された第２のＨＦＥＶＲとを備えている。それにより、変換電圧信号Ｕtranの振幅及び波形形状(例えば正弦波)を調整する機能を強化している。このように、第１のＨＦＥＶＲを介して調整付高周波トランスの一次コイルの端子へ与えられる変調電圧信号Ｕmodの振幅は、第１のＨＦＥＶＲに対して適切な制御信号を与えることにより調整することができ、それにより、調整付高周波トランスの一次コイルへ与えられる電圧信号を調整する。さらに、調整付高周波トランスの二次コイルの端子において得られる変換電圧信号Ｕtranは、その端子に対して接続された第２のＨＦＥＶＲに対して適切な制御信号を与えることにより調整できる。
この結果、所望する振幅及び波形（例えば、正弦波半波長の包絡線）をもつ変調され変換された電圧信号Ｕtran(図３参照)を、調整付高周波トランスの出力端子において得ることができる。変調され変換された電圧信号Ｕtranは、調整付高周波トランスの変換比と、第１及び第２のＨＦＥＶＲの調整された誘導リアクタンスとにより決定される。
例えば、所定の変調周波数Ｆmodにおける調整付高周波トランスの一次コイルの誘導リアクタンスをＸpriとし、一次コイルに接続されたＨＦＥＶＲの誘導リアクタンスをＸEVRとし、そして、それらの実際のオーム抵抗値は無視できるほど小さいと仮定する。従って、所定の変換比ＴＲにおいて、一次コイルに接続された１つのＨＦＥＶＲと共に動作する調整付高周波トランスの端子において得られる変換電圧は、数１のようになる。
Figure 0004662993
変調され変換された電圧信号Ｕtranは、その後、ステップ６４において、単極性の電圧信号Ｕcom(図４参照)を得るために(例えばダイオードブリッジにより)整流される(結合される)。こうして、連続的な単極性の半波電圧信号が得られる。結合された単極性の半波電圧信号Ｕcomは、その後、極性変換ステップ６５において、(例えば、スイッチドブリッジを介して)双極性の電圧信号Ｕout(図５参照)に変換される。この電圧信号は、調整付高周波トランスの二次コイルの端子を通して負荷へ通る電流の方向を周期的に変化させる。
本発明の好適例では、高周波変調(ステップ６２)及び極性変換(ステップ６５)を行うために必要な制御信号を生成するために制御ユニットが用いられる。高周波変調及び極性変換は、好適には、スイッチドブリッジ(例えば、ＭＯＳＦＥＴトランジスタ・ブリッジ)を介して行われる。制御ユニットは、変換電圧信号の調整(ステップ６３)にも用いられる。変換された信号をサンプリングするために、制御ユニットがＡ／Ｄ変換器を用いる場合もある。１又は複数の制御可能な電源もまた、ＨＦＥＶＲへ制御信号を与えるために制御ユニットにより用いられる。
変換電圧信号の調整方法は、ステップ６６〜７０に例示されている。ステップ６６において、調整付高周波トランスの出力電圧(Ｕout(t))を計測する。その後、ステップ６７において、計測された出力電圧が所望する値(Ｆdes(t))の許容範囲内の値であるか否かをチェックする。許容範囲内の値であれば、ステップ６９において、調整付高周波トランスのＨＦＥＶＲへ与える制御信号(Ｃout(t))が、既に印加されている制御信号と等しくされる(Ｃout(t)＝Ｃout(t'))。許容範囲内の値でない場合は、ステップ６８において、制御信号(Ｃout(t))が、既に印加されている制御信号Ｃout(t')、及び、計測された出力電圧(Ｕout(t))と所望する値(Ｆdes(t))との比に従って調整される。その後、ステップ７０において、制御信号(Ｃout(t))がＨＦＥＶＲへ与えられる。
さらに本発明は、変換装置の動作開始（点火）のとき（すなわち「ソフトスタート」のとき）及び変換装置のスイッチオフのときに、正弦波半波電圧信号を変調するために可変長高周波パルスを用いることができる。変換装置の通常動作中には、変調された高周波パルスの周波数は、電源の交流電圧信号Ｕinの周波数の約５０〜１００倍、好適には約６０倍であるが、この周波数が、装置がスイッチオンされてからの経過時間に依存するようにできる。
例えば、電源Ｕinの周波数が５０Ｈｚでありかつ変換装置の通常動作中の変調高周波パルスの周波数がＦmod＝６０Ｆ＝３０００Ｈｚである場合、変調高周波パルスの周波数Ｆmodを、ソフトスタート点火期間中の約１〜３０秒間に５００Ｈｚ〜３０００Ｈｚまで変化させてもよい。同様に、変換装置がスイッチオフするとき、変調高周波パルスＦmodを、約１〜３０秒間に３０００Ｈｚから５００Ｈｚまで変化させてもよい。
本発明は、交流電圧信号を変換するための単純な手順を提供する。電源の交流電圧信号Ｕinは、比較的低周波（例えば、〜５００Ｈｚ）のパルスにより変調される。この場合、電源の交流電圧信号Ｕinは、交流電圧信号を別々に変換することにより（例えば、２つの二次コイルをもつトランスを用いることにより）正及び負の半波に分割される。そして各々の半波のシーケンスが、別々に半波によりパルス変調される。２つのシーケンスは、その後、負荷において結合される。
さらに本発明は、トランスと、このトランスの一次コイル及び／又は二次コイルに接続された少なくとも１つのＨＦＥＶＲを備えた調整付高周波トランスを備え、調整付高周波トランスの出力電圧は、ＨＦＥＶＲにより調整される。
さらに本発明は、誘導素子に対し磁気的に結合された電磁石ユニットを有するＨＦＥＶＲを備え、その電磁石ユニットにより形成される磁場が誘導素子のコアに導入されることにより、ＨＦＥＶＲの誘導素子のコアを通る磁場が変化する。この結果、その誘導リアクタンスが変化する。
図８に示した電気回路は、本発明の一好適例を示す。図８の変換装置は、高周波トランス４(例えば、磁気トロイダルトランス)を備え、その一次コイル４ａは、スイッチドブリッジ２（例えば、ＭＯＳＦＥＴトランジスタブリッジ）及びダイオードブリッジ１を介して電源Ｕinへ接続されている。高周波トランス４の二次コイル４ｂの出力は、ダイオードブリッジ６の入力へ接続され、ダイオードブリッジ６の出力はスイッチドブリッジ７(例えば、トランジスタブリッジ)の入力へ接続されている。高周波トランス４の一次コイル４ａ及び二次コイル４ｂは、ＨＦＥＶＲ３ａ及び３ｂにそれぞれ直列接続されている。負荷１２は、スイッチドブリッジ７の出力端子へ接続されている。
コントローラ５は、スイッチング素子２ａ〜２ｄ及び７ａ〜７ｄ（例えば、トランジスタスイッチ）を動作させるために必要な制御信号Ｃ2a〜Ｃ2d及びＣ7a〜Ｃ7d、並びに、調整付高周波トランスの変換電圧信号を調整する制御信号Ｃ3a及びＣ3bを生成するために用いられる。コントローラ電源は、好適には、低出力の補助トランス８を介して電源から与えられる。
例えば図１Ａに示した振幅Ｕ１と周期Ｔをもつ正弦波電圧Ｕinである電源は、整流器１（例えば、ダイオードブリッジ）の入力に与えられ、整流器は、例えば図１Ｂに示した振幅Ｕ１と周期Ｔ／２をもつＵrecのような連続的な単極性半波電圧信号を出力する。単極性半波電圧信号は、ＨＦＥＶＲ３ａを介してスイッチドブリッジ２(例えば、トランジスタブリッジ)の入力へ供給される。コントローラ５により生成される制御信号Ｃ2a〜Ｃ2dは、スイッチドブリッジ２に対し高周波パルスを与える。この高周波パルスは、ダイオードブリッジ１により与えられる出力電圧信号により変調される。特に、制御信号Ｃ2a〜Ｃ2dは、スイッチ２の第１対角線(例えばスイッチング素子２ａと２ｄの間の対角線)上のスイッチング素子の状態をオン状態に、第２対角線(例えばスイッチング素子２ｂと２ｃの間の対角線)上のスイッチング素子の状態をオフ状態に、そしてこれらを逆の状態に切り替えるために用いられる。その結果、単極性の半波電圧信号を、例えば図２に示したＵmodのような変調電圧信号へと変換する。
言い換えるならば、変調電圧信号は、高周波パルス信号からなる制御信号Ｃ2a及びＣ2dと、同じ高周波パルス信号の相補的なシーケンスからなる制御信号Ｃ2b及びＣ2cとを与えることにより得られる。高周波パルス信号Ｃ2b及びＣ2cのシーケンスは、スイッチドブリッジ２の入力に与えられる連続的な単極性半波電圧信号により変調される。高周波パルス信号Ｃ2b及びＣ2c並びにＣ2a及びＣ2dのパルス波形は、好適には同じ幅であり、言い換えるならば、それらは互いにパルス波周期の２分の１だけずれている。
スイッチドブリッジ２により出力された変調電圧信号(例えば、Ｕmod)は、高周波トランス４により変換される。高周波トランス４は、変換比ＴＲ(例えば、ＴＲ＝１／２)をもつ。例えば図３に示した振幅Ｕ２及び周期Ｔ／２をもつＵtranのように、変換電圧信号の振幅は、一次コイル４ａ及び二次コイル４ｂにそれぞれ直列接続されたＨＦＥＶＲ３ａ及び３ｂの誘導リアクタンスを増加させることにより変更でき、この場合、変換電圧信号の振幅を低減させる。適切な制御信号を介したＨＦＥＶＲ３ａ及び３ｂの誘導リアクタンスの調整は、変換電圧信号の波形を変えるためにも用いることができる。高周波トランス４の二次コイル４ｂから出力される電圧は、ＨＦＥＶＲ３ｂを介して整流器６（例えば、ダイオードブリッジ）の入力へ与えられる。この結果、整流器６から出力される電圧信号は、単極性半波信号の連続シーケンスの波形となり、例えば図４に示した振幅Ｕ２と周期Ｔ／２をもつＵcomである。
整流器６から出力された単極性半波信号の連続シーケンスは、スイッチドブリッジ７へ与えられ、そこで、第２の半波信号の極性を反転することにより最終的な出力電圧信号、例えば図５に示した振幅Ｕ２と周期Ｔをもつ正弦波電圧信号Ｕoutへ変換される。これは、スイッチドブリッジ７の第１の対角線上のスイッチング素子（例えば７ａと７ｄ）をオン状態とする一方、第２の対角線上のスイッチング素子（例えば７ｂと７ｃ）をオフ状態する、あるいはその逆とすることにより実現される。コントローラ５により生成される適切な制御信号Ｃ7a〜Ｃ7dを与えることにより、このスイッチドブリッジ７の双方の対角線上のスイッチング素子の状態を交互に周期的に切り替えることで、負荷１２の電流の方向を周期的に変える。
スイッチドブリッジ７の双方の対角線上のスイッチング素子の切り替えの手順は、電源の位相に従ってコントローラ５により行われる。特に、スイッチドブリッジ７の双方の対角線上のスイッチング素子の状態は、電源の極性が正から負へそして負から正へと切り替わる時に切り替わる。
図８及び図１４に示すＨＦＥＶＲ３は、低周波磁気素子５３に磁気的に結合した高周波磁気素子５１により実現できる。高周波磁気素子５１は、電磁石５４と磁気コア５５とを具備する低周波磁気素子５３へ磁気的に結合された電磁コア（同じく符号５１）をもつ誘導コイル５２により実現される。低周波磁気素子５３の磁気コア５５が磁化される程度は、電磁石の供給電圧を変化させる（例えば、１〜２０ボルト）ことにより制御される。この制御は、コントローラ５により与えられる制御信号C3a及びＣ3bにより行われる。磁気コア５５が完全に磁化されたとき、高周波磁気素子５１のコアもまた完全に磁化され、そして、誘導コイル５２のインダクタンスはゼロに近づく。低周波磁気素子５３の磁気コア５５の磁化の程度が減少すると、高周波磁気素子５１のコアの磁化もまた減少し、コイル５２のインダクタンスが増大する。
好適例においては、高周波磁気素子５１のコアは、高周波用磁性材料から作製され、例えば、直方体に形成され２つの隣り合う開口５６を具備しそれらの間に誘導コイルを巻いた高周波用フェライトである。高周波磁気素子５１の寸法は、５×５ｍｍから１４０×１４０ｍｍまでであって好適には約３０×３０ｍｍであり、その厚さは約５〜３０ｍｍであって好適には約１８ｍｍである。
高周波磁気素子５１に誘導される磁場は、例えば図１５に例示する一定の磁気素子１５０を用いることにより強められる。この例では、一定の磁気素子１５０のＳ極（"Ｓ"）及びＮ極（"Ｎ"）が、Ｕ形コア５５のアーム部の先端近傍に位置している。このようにして、ＨＦＥＶＲの制御信号の電圧範囲を低減することができる。
誘導コイル５２は、適切なインダクタンスをもつ通常コイルでよい。例えば、５０Ｈｚ／２００Ｖ電源で動作する場合、１０マイクロヘンリー(μＨ)〜１０ミリヘンリー(ｍＨ)の範囲のインダクタンスをもつコイルが好適に用いられる。本発明の好適例では、磁気素子５１は、Ｐａｙｔｏｎにより製造されている３Ｆ３である。磁気素子５１のコイルは、約２〜３０回巻きであり、好適には、６回巻きである。低周波磁気素子５３の磁気コア５５は、磁性材料から作製でき、例えば、約２０〜３００ｍｍのアーム部をもつＵ形状の鉄であり、磁気素子５１とほぼ同じか同じ厚さをもつ。Ｕ形状の磁気コア５５は、そのＵ形のアーム部の間に磁気素子５１が嵌合するように設計されることが好ましい。
図１２を参照すると、ＨＦＥＶＲ３を介して電圧信号Ｕ0をその電圧信号値の１０〜１５％の範囲内で調整するために、電磁石５４の端子上に作用する制御信号の電圧は、それに比例して変化しなければならない（すなわち、制御電圧が対応して１０〜１５％の範囲で減少しなければならない）。電磁石５４の端子上に作用する制御信号がさらに減少すると、調整された電圧信号４３は、減少しかつ歪む。従って、電圧信号をさらに調整するために、電磁石５４の端子に対して、半波の周期Ｔ／２の範囲内で規定された可変電圧制御信号４４を与えることが必要である。このような可変電圧制御信号４４は、コントローラ５により閉ループ調整が実行されたときに得られる。すなわち、調整電圧信号(ＣUout）を連続的に計測し、その計測値が例えば所望する正弦波形から変移したときには必ず電磁石５４の端子に作用する制御信号を補正することにより行う。これは、図６のステップ６６〜７０に例示された通りである。
さらに、図８に示した変換装置は、この装置により出力されコントローラ５により計測される電圧(ＣUout)をデジタル化するために、そして、ＨＦＥＶＲ３ａ及び３ｂの動作を制御するべくコントローラ５により導出されたデジタル制御値をアナログ電圧信号Ｃ3a及びＣ3bへ変換するために、アナログデジタル変換器及びデジタルアナログ変換器（図示せず）を有してもよい。
本発明の別の好適例においては、調整付高周波トランスが、並行して動作する２つの二次コイルを備えている。この実施例においては、二次コイルの各々が整流ダイオードブリッジへ接続され、整流ダイオードブリッジの出力で得られる電圧信号が、２つのスイッチング素子（例えばトランジスタ）とそれらのスイッチング状態を切り替える適切な制御信号を用いて結合される。このようにして、一方のスイッチング素子が開状態（すなわち非接続状態"オフ"）の時は、他方のスイッチング素子を閉状態（すなわち接続状態"オン"）とすることで、負荷における電流の向きを変える。
図１０Ａに示す電気回路３０は、本発明の好適例であり、高周波トランス３９が２つの二次コイル３８ａ及び３８ｂを備え、各二次コイルが、それぞれ直列接続された各ＨＦＥＶＲ３ａ及び３ｂを介して各ダイオードブリッジ３２ａ及び３２ｂへ接続されている。この好適例においては、電源信号Ｕinがスイッチドブリッジ２により高周波パルス信号(図示せず)を変調するために用いられ、それにより高周波トランス３９の一次コイルへ供給される電圧信号が、図２に示したＵmodと同様の変調信号となる。
二次コイル３ａ及び３ｂの端子上で得られた双極性の変換電圧信号は、それぞれの整流器３２ａ及び３２ｂで整流され、そしてスイッチング素子３３又は３４(例えばトランジスタスイッチ)のいずれかを選択的に動作させることにより負荷において結合される。スイッチング素子３３及び３４は、適切な制御信号Ｃ33及びＣ34をそれぞれ与えることにより動作させられ、それにより、一方のスイッチング素子（例えば符号３３）は、半波長の期間に導通状態（すなわち、オン状態に切り替わった状態）であり、それに続く半波長の期間には非導通状態（すなわち、オフ状態に切り替わった状態）となる。他方のスイッチング素子（例えば符号３４）はその逆となる。このようにして、いつの時点においても、反対方向に流れる電流３５ａ及び３５ｂの一方のみが負荷１２へ供給されることになる。
本発明はさらに、交流電圧信号を変換するための簡易な手順を提供する。電源の交流電圧信号は、相対的に低周波の周期的パルス信号(例えば、３０００Ｈｚ以下)を変調する。この好適例においては、電源の交流電圧信号が、スイッチング素子により２つの経路に分割され、その一方の経路は、入力電圧信号の正の半波であり、他方の経路は負の半波である。これらの半波の各シーケンス部分は、別々に変換されることによりその半波により変調された複数のパルスとなる。２つの部分的に変調された信号は、ＨＦＥＶＲにより調整され、そしてＨＦＥＶＲに直列接続された負荷において結合される。２つの補助的回路の各々は、別のスイッチング素子により所定の時点でオン状態に切り替えられるが、これらの補助的回路は、別のスイッチング素子がオフ状態の期間にＨＦＥＶＲの誘導電流を放電するために用いられることが好適である。これらの別のスイッチング素子及びＨＦＥＶＲの調整の操作手順は、電源の入力電圧の位相をモニタリングするコントローラにより生成された適切な制御信号により実行される。
電源の入力電圧を部分的に変調信号に変換することは、入力電圧の各半周期の期間内に実行されることが好ましい。これらの期間は、別のスイッチング素子がオン状態である期間よりも短いことが好適である。これは、補助的回路を通してＨＦＥＶＲの誘導電流を放電させるためである。
図９に示した電気回路は、低周波パルス信号を用いた簡易な変換プロセスを実行するための回路９０の好適例である。回路９０は、電流がスイッチング素子２１を介して負荷１２及びＨＦＥＶＲ３へ供給されその電流がダイオード２６を介して電源へ戻される第１の導電経路(Ｉ)と、電流がスイッチング素子２２を介して負荷１２及びＨＦＥＶＲ３へ供給されその電流がダイオード２５を介して電源へ戻される第２の導電経路(II)とを備えている。
さらに回路９０は、負荷１２に対して並列である２つの放電経路III及びIVを備えており、これらはＨＦＥＶＲからの誘導電流の放電の経路となる。放電経路IIIはスイッチング素子２３により実現され、放電経路IVはスイッチング素子２４により実現される。これらは双方とも、ＨＦＥＶＲ３及び負荷１２に対して並列接続されている。
スイッチング素子２１、２２、２３及び２４の動作は、コントローラ２０により生成される適切な制御信号Ｃ21、Ｃ22、Ｃ23及びＣ24を用いて行われる。コントローラ２０は、補助的素子６を通して入力電圧Ｕinの位相をモニタリングしている。補助的素子６の入力は電源に接続されている。負荷１２へ与えられる電圧は、ＨＦＥＶＲ３へ適切な制御信号(図示せず)を与えることによりコントローラ２０によって調整される。
回路９０の動作中、導電経路Ｉ及びIIの各々は、波信号における特定の極性の部分のみを導通させるために用いられる。例えば、図７に示すように、第１の導電経路Ｉは、専ら入力電圧の正の半波のみを供給する一方、第２の導電経路IIは、専ら入力電圧の負の半波のみを供給する。通常、スイッチング素子２１及び２２は遮断されており、スイッチング素子の一方の状態がオンになったときにのみ導電経路が導通する。
例えば、本発明の好適例においては、導電経路Ｉ又はIIを介して電流が供給される期間ｔ2（図７参照）は、電源の入力電圧の半周期(Ｔ／２)の期間の１０〜１５％だけ小さく、その持続期間は、(Ｔ／４)−(ｔ2／２)÷(Ｔ／４)＋(ｔ2／２)の範囲内であることが好ましい。この期間中、スイッチング素子２１又は２２の一方の状態が、それぞれの制御ラインＣ21又はＣ22上に与えられるパルスのシーケンスによりそのオン状態とオフ状態の間で切り替わる。導電経路Ｉ又はIIのスイッチング素子２１又は２２の一方の状態が切り替わると、それぞれのスイッチング素子２３又は２４の状態が変わることによりそれぞれの放電経路III又はIVが導通し、負荷１２を介した誘導電流の連続通路となる。
本発明の好適例では、放電経路III及びIVは、部分的な変調が行われる各半波の持続期間ｔ2の期間よりも長い各半波の持続期間ｔ3の間に導通する。放電経路III及びIVが導通する持続期間ｔ3は、図７に示すように、入力電圧の半周期(Ｔ／２)よりも２ｂ(例えば、ｂは０．００５T)の期間だけ短い。注意すべき重要な設計要求として、電源電圧の極性変化中の回路短絡を避けることである。図７に示す通り、導電経路が導通する期間ｔ2は、誘導電流が通過できる期間ｔ3よりも２ａ(例えば、ａは０．０１Ｔ)の期間だけ短い。
ここで、Ｔ／２＝２ｂ＋ｔ3＝ｔ2＋２ａ＋２ｂである。
図１３は、本発明により電圧のベクトル和を得る構成を示す。電源電圧Ｕinをもつ変換装置により出力される電圧のベクトル和を得るために、トランス１３０の一次コイル１３０ａを、変換装置の出力に接続してもよい。この変換装置は、電源電圧Ｕinを入力として受ける整流器１と、整流器１からの出力電圧を入力として受けるＨＦＥＶＲ３と、ＨＦＥＶＲ３からの出力電圧を入力として受ける整流器６と、整流器６からの出力電圧を入力として受けるスイッチドブリッジ７とを備え、トランス１３０の二次コイル１３０ｂが負荷１２へ直列接続されている。図１３に示すように、負荷は、電源Ｕinに対して並列接続されている。
本発明の電力変換方法は、連続する半波が極性を変化させる周波数を低下させることができる。このことは、実質的に出力電圧の周波数を低下させることになる。周波数低下方法は、図１０Ｂに示した時間軸グラフ３５ｃ及び３５ｄに示されている。この例では、図１０Ａにおけるスイッチング素子３３及び３４に与えられる制御信号が、負荷に対して周期的に２つの連続する同じ極性の半波を与え、その後、２つの連続する反対極性の半波を与える。これにより、周期２Ｔをもつ周期的出力電圧を生成する。
本発明の変換装置は、図１１に示すように、一定の入力電圧信号を、平滑化された形状の交流電圧信号（例えば、正弦波電圧信号の半波）へと変換する機能を具備する。図８を参照すると、この場合、一定の入力電圧Ｕinは、整流器１の出力においても得られ（Ｕrec1）、スイッチドブリッジ２へ与えられる。スイッチドブリッジ２において、コントローラ５により与えられる制御信号Ｃ2a〜Ｃ2dを介して高周波パルス信号で変調される。振幅Ｕをもつ変調された高周波パルス信号Ｕmodは、調整付高周波トランスにより振幅Ｕcをもつ周期的な半波正弦波に変換される。これは、ＨＦＥＶＲ３の誘導リアクタンスを、その最大抵抗値と最小抵抗値の間で周期的にかつ滑らかに変化させることにより行う。これにより、所望する波形（例えば正弦波）をもつパルス状信号Ｕtranを得る。パルス状信号Ｕtranは、その後、整流器６で整流され、単極性の周期的信号Ｕrec2を出力する。整流器６の出力は、その後、スイッチドブリッジ７により極性変換される。すなわち、Ｕrec2の１又は複数の半波の極性が周期的に反転させられることにより、周期的な交流信号Ｕoutが得られる。
上述した実施例における本発明による調整付きの変換装置が、始動時に生じやすい回路電流の短絡に対する効果的な保護を行っていることが理解できるであろう。この保護は、好適には、調整付きの変換装置の始動後の所定期間中に、ＨＦＥＶＲの誘導リアクタンスを高抵抗状態に設定する制御論理を設計することにより実現される。
上述の実施例及び説明は、説明のためのものであって本発明を限定するものではない。当業者であれば、上述の技術を利用して本発明の範囲を逸脱することなく本発明を多様に実行できることは自明であろう。
周期的正弦波交流電圧信号の時間変化グラフである。 図１Ａに示した交流信号の全波整流信号を示す時間変化グラフである。 図１Ｂに示した単極性半波信号を、高周波の双極性電圧信号で変調した信号の時間変化グラフである。 図２に示した高周波の双極性電圧信号を、高周波トランスにより変換調整した信号を示す時間変化グラフである。 図３に示した電圧信号を整流したことにより得た電圧信号を示す時間変化グラフである。 図４に示した電圧信号の半波部分を極性変換したことにより得られた電圧信号を示す時間変化グラフである。 本発明による好適な変換調整方法を示す流れ図である。 図９に示す変換調整装置を操作する制御信号を示す時間変化グラフである。 本発明の好適な一実施例による変換調整装置の電気回路を示す図である。 本発明の別の好適な実施例による変換調整装置の電気回路を示す図である。 変換調整装置のトランスが２つのコイルを有する本発明の別の実施例を示す図である。 単極性の半波信号を組み合わせて、図１０Ａに示した装置の出力で得られる交流信号とすることを示す時間変化グラフである。 定電圧信号を変換して、交流電圧信号とすることを示す時間変化グラフである。 本発明のＨＦＥＶＲの好適な調整方式を例示する時間変化グラフである。 別の電圧源を備えた変換調整装置により出力された電圧信号のベクトル和を得るための電気回路を示す図である。 本発明のＨＦＥＶＲの斜視図である。 固定磁石を備えたＨＦＥＶＲを示す。

Claims (24)

  1. 周期的な電源信号の変換及び調整を行う方法であって、
    前記電源信号の周期よりも短い周期をもつ周期的な交流信号を前記電源信号で変調することにより変調信号を生成し、
    前記変調信号を変換と同時に調整することにより変換調整信号を生成し、
    前記変換調整信号を整流することにより結合信号を生成し、
    前記結合信号の一部の極性を周期的に反転することにより周期的な交流出力信号を生成し、
    前記変換調整信号を生成する際の調整は、電圧の調整であり、電磁電圧レギュレータの誘導リアクタンスを連続的に調節して前記電磁電圧レギュレータの電圧を変化させることにより調整される、
    周期的電源信号の変換調整方法。
  2. 前記変換調整信号が、高周波トランス及び前記高周波トランスの少なくとも１つのコイルに接続された１又は複数の高周波電磁電圧レギュレータを用いて生成され、前記１又は複数の高周波電磁電圧レギュレータの誘導リアクタンスを連続的に調節することにより調整が行われる、請求項１に記載の周期的電源信号の変換調整方法。
  3. 前記電源信号を整流することにより整流電圧信号を生成し、
    前記周期的な交流信号を前記整流電圧信号で変調することにより前記変調信号が生成される、請求項１に記載の周期的電源信号の変換調整方法。
  4. 前記変換調整信号の調整が閉ループ制御手段を介して行われ、前記１又は複数の高周波電磁電圧レギュレータの誘導リアクタンスが前記変換調整信号の計測値に従って連続的に調節される、請求項２に記載の周期的電源信号の変換調整方法。
  5. 前記変換調整信号が、前記高周波トランスの一次コイルに直列接続された第１の高周波電磁電圧レギュレータと、前記高周波トランスの二次コイルに直列接続された第２の高周波電磁電圧レギュレータとにより同時に調整される、請求項２に記載の周期的電源信号の変換調整方法。
  6. 周期的な交流出力信号が正弦波信号である、請求項１に記載の周期的電源信号の変換調整方法。
  7. 電源信号により周期的交流信号を変調する変調器と、
    少なくとも１つのコイルが電磁電圧レギュレータに直列接続されたトランスからなり前記変調器から出力された信号を変換及び調整する調整付トランスと、
    前記調整付トランスにより出力された信号を整流する第２の整流器と、
    前記第２の整流器により出力された信号の一部の極性を周期的に反転するスイッチドブリッジと、
    前記変調器、前記スイッチドブリッジ及び前記電磁電圧レギュレータを動作させるために適切な制御信号を与える制御論理素子とを備え、
    前記調整付トランスは、前記電磁電圧レギュレータの誘導リアクタンスを連続的に調節して前記電磁電圧レギュレータの電圧を変化させることにより、前記変調器から出力された信号の電圧の調整を行う、変換装置。
  8. 前記トランスが高周波トランスであり、前記電磁電圧レギュレータが高周波電磁電圧レギュレータである、請求項７に記載の変換装置。
  9. 前記調整付トランスが２つの電磁電圧レギュレータを備え、その一方が前記トランスの一次コイルに直列接続され、他方が前記トランスの二次コイルに直列接続されている、請求項７に記載の変換装置。
  10. 前記制御論理素子がコントローラで形成された、請求項７に記載の変換装置。
  11. 前記変調器がスイッチドブリッジで形成された、請求項７に記載の変換装置。
  12. １又は複数の前記スイッチドブリッジが複数のＭＯＳＦＥＴで形成された、請求項７又は１１に記載の変換装置。
  13. 第１の整流器をさらに備え、前記電源信号が前記第１の整流器を介して前記スイッチドブリッジへ与えられる、請求項７に記載の変換装置。
  14. 電源信号により周期的交流信号を変調する変調器と、
    １つの一次コイルと２つの二次コイルを具備し２つの二次コイルの各々がそれぞれ電磁 電圧レギュレータに接続されたトランスからなり前記変調器から出力された信号を変換及び調整する調整付トランスと、
    前記調整付トランスの前記２つの二次コイルから出力された信号を整流する２つの第２の整流器と、
    前記２つの第２の整流器の負荷への接続を制御するために前記２つの第２の整流器の出力に各々接続された２つのスイッチング素子と、
    前記変調器、前記スイッチング素子及び前記電磁電圧レギュレータを動作させるために適切な制御信号を与える制御論理素子とを備え、
    前記調整付トランスは、前記電磁電圧レギュレータの誘導リアクタンスを連続的に調節して前記電磁電圧レギュレータの電圧を変化させることにより、前記変調器から出力された信号の電圧の調整を行う、変換装置。
  15. 前記変調器がスイッチドブリッジで形成された、請求項１４に記載の変換装置。
  16. 前記スイッチング素子及び前記スイッチドブリッジの双方又はいずれかが、複数のＭＯＳＦＥＴで形成された、請求項１５に記載の変換装置。
  17. 負荷に直列接続された電磁電圧レギュレータと、
    電源から前記負荷に対して一方の方向に電流を流すために、前記電磁電圧レギュレータに直列接続された第１のスイッチング素子、及び前記負荷に直列接続された第１のダイオードと、
    前記電源から前記負荷に対して他方の方向に電流を流すために、前記負荷に直列接続された第２のスイッチング素子、及び前記電磁電圧レギュレータに直列接続された第２のダイオードと、
    前記第１及び第２のスイッチング素子が非導通状態であるとき連続的な電流を維持するために前記電磁電圧レギュレータと負荷に対し並列接続された第３のスイッチング素子と、
    前記第１及び第２のスイッチング素子、前記第３のスイッチング素子及び前記電磁電圧レギュレータを動作させるために適切な制御信号を与える制御論理素子とを備え、
    前記電磁電圧レギュレータの誘導リアクタンスを連続的に調節することにより調整を行う、調整装置。
  18. ２つの前記第３のスイッチング素子が前記電磁電圧レギュレータと負荷に対し並列接続されており、２つの前記第３のスイッチング素子の各々が、前記負荷を特定の方向に流れる連続的な電流を維持する、請求項１７に記載の調整装置。
  19. 前記スイッチング素子がＭＯＳＦＥＴである、請求項１７に記載の調整装置。
  20. 互いに磁気的に結合した高周波磁気素子及び低周波磁気素子を有し、前記高周波磁気素子は、前記低周波磁気素子の有する電磁石に対し磁気的に結合した誘導素子を備え、前記電磁石により発生する磁場が前記誘導素子のコアに導入されることによりそのインダクタンスを変化させる、電磁電圧レギュレータ。
  21. 前記電磁石がＵ形状のコアを備え、そのアーム部の間に前記誘導素子を嵌め込むように形成された、請求項２０に記載の電磁電圧レギュレータ。
  22. 前記電磁石のコアが鉄で形成された、請求項２０に記載の電磁電圧レギュレータ。
  23. 前記誘導素子のコアがフェライトで形成された、請求項２０に記載の電磁電圧レギュレータ。
  24. 前記誘導素子のコアに磁場を導入するための一定の磁気素子をさらに備えた、請求項２０に記載の電磁電圧レギュレータ。
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