JP5015230B2 - 電気システムおよび電流制御シャントレギュレータ - Google Patents

Description

本発明は、電力整流の分野に関し、詳しくは、永久磁石交流発電機（ＰＭＡ）とともに使用される電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）シャントレギュレータに関する。

複数の位相の交流（ＡＣ）電力を発生させる機械は、当技術分野において周知のものであり、また、直流電力を要求する用途で使用するために、この交流電力を直流（ＤＣ）電力に変換する方法もよく知られている。交流から直流に変換するときに、直流負荷で対処できる電圧よりも高い直流電圧が発生することがある。この場合に、直流負荷にかかる電力を低減するために、シャントレギュレータが使用される。

シャントレギュレータは、交流電流の一部をニュートラルライン（ｎｅｕｔｒａｌ ｌｉｎｅ）に「分岐する（ｓｈｕｎｔｉｎｇ）」ことによって、短絡の動作を行う。この短絡によって、交流電流の周期の一部の期間だけ、整流器へ電流が流れないようにする。シャントレギュレータは、一般に、直流整流器の応答時間により所望のレベルのほぼ一定の直流電力が出力されるように、十分に高い周波数で、分岐と非分岐とを交互に繰り返す。

当技術分野で利用される標準的なシャントレギュレータの設計の一つとしては、シャントＦＥＴがある。シャントＦＥＴは、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を使用して、ＦＥＴのソースノードに接続された相電圧ラインからＦＥＴのドレインノードに接続されたニュートラルラインへの短絡を形成する。この短絡は、制御信号によってＦＥＴがオンにされているときに形成され、このときに、ソースノードとドレインノードとの間が実質的に妨げられることなく接続される。

上記のようなシャントＦＥＴを永久磁石交流発電機とともに用いる場合、完全な回路を形成するためには、永久磁石交流発電機に戻されるリターン電流（ｒｅｔｕｒｎ ｃｕｒｒｅｎｔ）が流れる必要がある。シャントＦＥＴがオンである（分岐している）ときは、ソース−ドレイン接続があることによって、ニュートラルラインからのリターン電流が、妨げられることなくＦＥＴを通って流れることができる。しかし、シャントＦＥＴがオフであるときは、ソース−ドレイン接続がないので、電流は、異なる経路を通って戻らなければならない。当技術分野における典型的な設計では、電流は、ＦＥＴ内のボディ（ｂｏｄｙ）−ドレイン接続を通って戻る。この接続は、ボディ−ドレインダイオードと呼ばれる。このボディ−ドレインダイオード接続は、ダイオードと同様に動作し、この接続の間で、一般に、約１．４Ｖの電圧降下が生じる。この電圧降下によって、ＦＥＴ内で電力が消失され、シャントレギュレータの効率が低下してしまい、さらには、ＦＥＴ自体の寿命が短くなってしまう。

本発明は、複数の位相の永久磁石交流発電機（ＰＭＡ）に用いるシャントレギュレータを開示する。本発明のシャントレギュレータは、整流器を備え、この整流器は、複数の位相の永久磁石交流発電機からの交流電力を直流電力に変換することができる。本発明のシャントレギュレータは、また、複数の位相の永久磁石交流発電機の各位相に対応するシャントＦＥＴを備えている。

本発明のシャントレギュレータは、これらのシャントＦＥＴを制御することができる制御器を備えている。シャントＦＥＴの各々は、制御入力を受けたとき、そのときの電力をニュートラルラインに向けて導く（ｒｅｄｉｒｃｔ）ことができる。また、各シャントＦＥＴは、該シャントＦＥＴの制御入力ノードに接続された論理ＯＲゲートを備え、この論理ＯＲゲートは、制御器からの制御信号がシャントＦＥＴをオンにすることを指示したとき、あるいはシャントＦＥＴに接続された相電圧が負であるときに、対応するシャントＦＥＴをオンにする。各論理ＯＲゲートは、制御器からの入力と比較器からの入力を受ける。

三相交流電源および直流負荷に接続されたシャントレギュレータを示す回路図。 シャントレギュレータにおける１つの位相に対応する１つのシャントＦＥＴを示す回路図。

図１は、例示的な電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）シャントレギュレータを示す。このシャントレギュレータにおける各シャントＦＥＴ１１０は、ＦＥＴのボディ−ドレインダイオードモードにおいて、該シャントＦＥＴ１１０にリターン電流が流れることがないように制御され、それによって、電力の消失が抑制される。図１の例は、位相Ａ、位相Ｂ、位相Ｃからなる三相電源１００（永久磁石交流発電機（ＰＭＡ）など）を示す。永久磁石交流発電機１００の各位相は、シャントＦＥＴ１１０のドレインノード１１２と、直流整流器１２０と、に接続されており、この直流整流器１２０は、交流電力を整流して、直流負荷１３０に直流電力を出力することができる。各シャントＦＥＴ１１０は、シャントＦＥＴ制御入力ノード１１６を有する。各シャントＦＥＴ１１０のソースノード１１４は、ニュートラルラインに接続されている。

シャントＦＥＴ制御入力ノード１１６は、論理ＯＲゲート１１８の出力に接続されている。論理ＯＲゲート１１８は、２つの制御信号入力を受け、これらの制御信号入力のいずれかがシャントＦＥＴ１１０をオンにすることを指示したときは常に、対応するシャントＦＥＴ１１０をオンにすることを指示する制御信号を出力する。論理ＯＲゲート１１８は、パルス幅変調（ＰＷＭ）制御器１２２からＰＷＭ制御信号入力を受ける。ＰＷＭ制御器１２２は、各位相について、論理ＯＲゲート１１８の第１の入力１２６に接続されており、これによって、各シャントＦＥＴ１１０に同一の信号が出力される。この同一の信号によって、ＰＷＭ制御器１２２が各シャントＦＥＴ１１０をオンにすることを指示したときは常に、各シャントＦＥＴ１１０が同時にオンになる。

各論理ＯＲゲート１１８の第２の入力には、比較器１２４の出力が接続されている。各比較器１２４は、交流電源１００の対応する位相に接続された入力を有し、対応する位相の相電圧の正負に基づいて出力が変化する。

図１のＰＷＭ制御器１２２は、フィードバック入力１２８を受ける。このフィードバック入力１２８には、直流整流器１２０の出力電圧１３２の測定値が入力され、ＰＷＭ制御器１２２は、この出力電圧１３２の大きさに基づいて、シャントＦＥＴ１１０による分岐が必要であるか否かを判断する。

図２は、１つの位相に対応する単一のＦＥＴ２００からなる例示的なシャントＦＥＴ１１０を示している。図１および図２の例においては、各比較器１２４は、交流の各位相の入力を調べ、交流の相電圧の正負を判断することができる。相電圧が負であった場合、対応する比較器１２４は、対応するシャントＦＥＴ１１０をオンにすることを指示する制御信号を出力する。このように、交流の相電圧が負であるとき、あるいはシャントＦＥＴ１１０をオンにすることを指示するＰＷＭ信号があるときは常に、対応するシャントＦＥＴ１１０がオンにされる。

図２の例において、ＦＥＴ２００におけるボディ−ドレインダイオードに逆電流が流れると、ＦＥＴ２００の具体的な種類や設計に依存して、ある量の電力が消失する。標準的なＦＥＴでは、一般に、電流が流れるときに、ボディ−ドレインダイオード間で、（例えば）約１．４Ｖの電圧降下が生じる。これに対して、（ＦＥＴ２００がオンである場合に生じる）ソース−ドレイン間の電圧降下の大きさは、１．４Ｖよりもかなり小さく、従って、消失する電力もかなり小さくなる。本発明のシステムは、逆電流が流れるときに、ＦＥＴ２００をオンにすることによって、ＦＥＴ２００におけるボディ−ドレインダイオード接続を介することなく、ソース−ドレイン接続を介して、交流電源１００に電力を戻す。これによって、システムの効率が著しく向上するとともに、ＦＥＴ２００の寿命が長くなる。

三相永久磁石交流発電機１００を使用するとともに、ＰＷＭ制御信号が直接的にシャントＦＥＴ１１０の入力ノード１１６に接続されてなる、図１に類似した設計においては、通常の動作中に、接続点１３２において適切な大きさの直流出力電力を維持するように、分岐（シャント動作）が行われる。一例としては、仮に永久磁石交流発電機１００からの交流電力のすべてが変換されると直流整流器１２０が３アンペアの直流電流を出力するものとし、かつ、直流負荷が２アンペアの直流電流にしか対処することができない場合には、残りの１アンペアの電流を別の方向へ導く必要がある。ＰＷＭ制御器１２２は、直流整流器が安定した２アンペアの直流電流を出力するように、十分に高い周波数で、各シャントＦＥＴ１１０を、周期の３分の１の期間はオンにし、周期の３分の２の期間はオフにすることによって、この問題を解決する。

シャントＦＥＴのオンとオフのスイッチングによって、２つの電流経路が形成される。シャントＦＥＴ１１０がオフであるとき（すなわち、ＦＥＴ２００のソース−ドレイン間に電流が流れないとき）、複数の位相のうちの少なくとも１つの位相から整流器１２０に電流が流れるとともに、整流器１２０から残りの位相に電流が流れる。整流器１２０から残りの位相に流れた電流は、さらに、永久磁石交流発電機１００に戻される。このことが、シャントＦＥＴ１１０がオフであるときに生じる場合、電流は、ボディ−ドレインダイオードとして動作しているＦＥＴ２００のボディ−ドレイン領域を通って流れなければならない。ボディ−ドレインダイオードモードで動作しているＦＥＴに電流が流れると、この電流は、電圧降下を受け、永久磁石交流発電機に戻るべき電力の一部を消失してしまう。

ＰＷＭ制御器１２２によってシャントＦＥＴ１１０がオンにされている間にも、電流は、ＰＷＭ１００への戻りの経路を必要とするが、ＦＥＴ２００がオンになっているので、電流は、ＦＥＴ２００のソース−ドレイン接続を通って流れることができる。ＦＥＴ２００のソース−ドレイン接続によって、リターン電流が実質的に妨げられることなく流れることができ、この結果、シャントＦＥＴ１１０がオンであるときのシステムの効率が著しく向上する。

シャントＦＥＴ１１０がオフであるときにも同じ効率の利得を実現するために、論理ＯＲゲート１１８が追加されている。論理ＯＲゲート１１８は、ＰＷＭ制御器１２２から信号を受けたときは、シャントＦＥＴ１１０をオンにする。さらに、論理ＯＲゲート１１８は、入力１２６，１３４のうちのいずれか一方または両方が、シャントＦＥＴ１１０をオンにすることを指示する信号を有するときは常に出力を発するので、比較器１２４がシャントＦＥＴ制御信号を出力したときは、対応するシャントＦＥＴ１１０がオンにされる。

比較器１２４は、相電圧が負であるときは信号を出力し、相電圧が正であるときは信号を出力しない種々のストック比較器（ｓｔｏｃｋ ｃｏｍｐａｒａｔｏｒ）とすることができる。相電圧が負であるときは、その位相にリターン電流が流れるので、比較器は、対応する位相にリターン電流が流れる場合に、対応するシャントＦＥＴをオンにする。本発明のシャントレギュレータは、性能の犠牲を伴うことなく、分岐されている期間と同様のシステムの効率を、分岐されない期間のリターン電流経路についても実現することができる。

上記に開示したシステムは、種々の数の位相を扱うように変更することができるが、その場合にも、本発明の範囲内にあることを理解されたい。

実施例を開示したが、当業者であれば、本発明の範囲を逸脱することなく、いくつかの変更がなされ得ることを理解されるであろう。

１００…三相電源
１１０…シャントＦＥＴ
１１２…ドレインノード
１１４…ソースノード
１１８…ＯＲゲート
１２０…整流器

Claims (15)

1. 複数の位相の永久磁石交流発電機（ＰＭＡ）と、
   整流器と、
   制御器と、
   上記永久磁石交流発電機の電気の位相の数に等しい複数のシャント電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）と、
   複数の論理ＯＲゲートと、
   複数の比較器と、
   を備え、
   上記シャントＦＥＴの各々は、上記永久磁石交流発電機の１つの位相に対応し、該シャントＦＥＴがオフであるときに上記永久磁石交流発電機と上記整流器との間で妨げられることなく電力が伝わるとともに、該シャントＦＥＴがオンであるときに上記永久磁石交流発電機からの電流をニュートラルラインへ導くように、接続されており、
   このシャントＦＥＴの各々は、対応する論理ＯＲゲートから制御信号を受け、
   上記論理ＯＲゲートの各々は、上記制御器からの入力と、対応する比較器からの入力と、を有し、
   上記論理ＯＲゲートの各々は、上記制御器および対応する比較器のいずれかが、対応するシャントＦＥＴをオンにすることを指示したときに、対応するシャントＦＥＴをオンにする制御信号を出力することを特徴とする電気システム。
2. 上記論理ＯＲゲートの各々が、上記ＰＭＡの１つの位相に対応し、該論理ＯＲゲートの各々に接続された比較器が、上記ＰＭＡの同じ位相に対応することを特徴とする請求項１に記載の電気システム。
3. 上記比較器の各々は、対応するシャントＦＥＴをオンにすることを指示する制御信号を出力することを特徴とする請求項１に記載の電気システム。
4. 上記複数のシャントＦＥＴの各々は、少なくとも１つの電界効果トランジスタを含むことを特徴とする請求項１に記載の電気システム。
5. 上記制御器は、上記整流器の直流出力電圧の大きさを示すフィードバック信号を受けることを特徴とする請求項１に記載の電気システム。
6. 上記制御器は、上記整流器からの上記直流出力電圧を制御することができることを特徴とする請求項５に記載の電気システム。
7. 上記論理ＯＲゲートおよび上記比較器によって、対応するシャントＦＥＴがボディ−ドレインダイオードモードで動作することが妨げられることを特徴とする請求項１に記載の電気システム。
8. 整流器と、
   制御器と、
   電気システムの電気の位相の数に等しい数の複数のシャント電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）と、
   複数の論理ＯＲゲートと、
   複数の比較器と、
   を備え、
   上記シャントＦＥＴの各々は、電気システムの１つの位相に対応し、該シャントＦＥＴがオフであるときに上記電気システムの上記対応する位相と上記整流器との間で妨げられることなく電力が伝わるとともに、該シャントＦＥＴがオンであるときに上記電気システムの上記対応する位相からの電流をニュートラルラインへ導くように、接続されており、
   このシャントＦＥＴの各々は、対応する論理ＯＲゲートから制御信号を受け、
   上記論理ＯＲゲートの各々は、上記制御器からの入力と、対応する比較器からの入力と、を有し、
   上記論理ＯＲゲートの各々は、上記制御器および対応する比較器のいずれかが、対応するシャントＦＥＴをオンにすることを指示したときに、対応するシャントＦＥＴをオンにすることを特徴とする電流制御シャントレギュレータ。
9. 上記論理ＯＲゲートの各々が、上記電気システムの１つの位相に対応し、該論理ＯＲゲートの各々に接続された比較器が、上記電気システムの同じ位相に対応することを特徴とする請求項８に記載の電流制御シャントレギュレータ。
10. 上記比較器の各々は、対応するシャントＦＥＴをオンにすることを指示する制御信号を出力することを特徴とする請求項８に記載の電流制御シャントレギュレータ。
11. 上記電気システムは、複数の位相の交流電力を発生させることができる永久磁石交流発電機を備えることを特徴とする請求項８に記載の電流制御シャントレギュレータ。
12. 上記複数のシャントＦＥＴの各々は、少なくとも１つの電界効果トランジスタを含むことを特徴とする請求項８に記載の電流制御シャントレギュレータ。
13. 上記制御器は、上記整流器の直流出力電圧の大きさを示すフィードバック信号を受けることを特徴とする請求項８に記載の電流制御シャントレギュレータ。
14. 上記制御器は、上記整流器からの直流出力電圧を制御することができることを特徴とする請求項８に記載の電流制御シャントレギュレータ
15. 上記論理ＯＲゲートおよび上記比較器によって、対応するシャントＦＥＴがボディ−ドレインダイオードモードで動作することが妨げられることを特徴とする請求項８に記載の電流制御シャントレギュレータ。

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