JP5695782B1 - 変圧装置 - Google Patents
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Abstract
Description
一方、高周波トランスは、寄生容量の影響が回避できず、設計上の困難性がある。
前記前段回路としては、以下の(F1)〜(F5)のいずれかが選択可能であり、
(F1)一対のキャパシタをキャパシタ接続点で互いに直列に接続して成る直列体の両端がそれぞれ前記入力ポートP1及び前記入力ポートP2に接続され、前記キャパシタ接続点は前記出力ポートP4に接続され、前記入力ポートP1と前記出力ポートP3との間にある第1スイッチと、前記入力ポートP2と前記出力ポートP3との間にある第2スイッチとが、スイッチングにより交互にオン状態となる前段回路、
(F2)前記(F1)の前段回路において前記出力ポートP3に直結する線路にキャパシタを介挿したものを1ユニットとして、複数ユニットの前記入力ポートP1,P2を互いに直列に接続し、複数ユニットの前記出力ポートP3,P4を互いに並列に接続した前段回路、
(F3)一対のインダクタをインダクタ接続点で互いに直列に接続して成る直列体の両端がそれぞれ前記出力ポートP3及び前記出力ポートP4に接続され、前記インダクタ接続点は前記入力ポートP2に接続され、前記入力ポートP1と前記出力ポートP3との間にある第1スイッチと、前記入力ポートP1と前記出力ポートP4との間にある第2スイッチとが、スイッチングにより交互にオン状態となる前段回路、
(F4)前記(F3)の前段回路において前記入力ポートP1に直結する線路にインダクタを介挿したものを1ユニットとして、複数ユニットの前記入力ポートP1,P2を互いに直列に接続し、複数ユニットの前記出力ポートP3,P4を互いに並列に接続した前段回路、
(F5)4個のスイッチによって構成され、前記入力ポートP1,P2から入力して前記出力ポートP3,P4から出力するフルブリッジ回路の前段回路、
また、前記後段回路としては、以下の(R1)〜(R5)のいずれかが選択可能であり、
(R1)一対のインダクタをインダクタ接続点で互いに直列に接続して成る直列体の両端がそれぞれ前記入力ポートP5及び前記入力ポートP6に接続され、前記インダクタ接続点は前記出力ポートP8に接続され、前記入力ポートP5と前記出力ポートP7との間にある第1スイッチと、前記入力ポートP6と前記出力ポートP7との間にある第2スイッチとが、スイッチングにより交互にオン状態となる後段回路、
(R2)前記(R1)の前段回路において前記出力ポートP7に直結する線路にインダクタを介挿したものを1ユニットとして、複数ユニットの前記入力ポートP5,P6を互いに直列に接続し、複数ユニットの前記出力ポートP7,P8を互いに並列に接続した後段回路、
(R3)一対のキャパシタをキャパシタ接続点で互いに直列に接続して成る直列体の両端がそれぞれ前記出力ポートP7及び前記出力ポートP8に接続され、前記キャパシタ接続点は前記入力ポートP6に接続され、前記入力ポートP5と前記出力ポートP7との間にある第1スイッチと、前記入力ポートP5と前記出力ポートP8との間にある第2スイッチとが、スイッチングにより交互にオン状態となる後段回路、
(R4)前記(R3)の前段回路において前記入力ポートP5に直結する線路にキャパシタを介挿したものを1ユニットとして、複数ユニットの前記入力ポートP5,P6を互いに直列に接続し、複数ユニットの前記出力ポートP7,P8を互いに並列に接続した後段回路、
(R5)4個のスイッチによって構成され、前記入力ポートP5,P6から入力して前記出力ポートP7,P8から出力するフルブリッジ回路の後段回路、
前記前段回路(F1)〜(F5)のうちのいずれか一つと、前記後段回路(R1)〜(R5)のうちのいずれか一つとを備えて構成され、かつ、前段回路が(F5)で後段回路が(R5)であるという組み合わせは除外する変圧装置である。
なお、リアクタンス素子とは、誘導性リアクタンスを有するインダクタ、又は、容量性リアクタンスを有するキャパシタである。
前記前段回路としては、以下の(F1)〜(F5)のいずれかが選択可能であり、
(F1)一対のキャパシタをキャパシタ接続点で互いに直列に接続して成る直列体の両端がそれぞれ前記入力ポートP1及び前記入力ポートP2に接続され、前記キャパシタ接続点は前記出力ポートP4に接続され、前記入力ポートP1と前記出力ポートP3との間にある第1スイッチと、前記入力ポートP2と前記出力ポートP3との間にある第2スイッチとが、スイッチングにより交互にオン状態となる前段回路、
(F2)前記(F1)の前段回路において前記出力ポートP3に直結する線路にキャパシタを介挿したものを1ユニットとして、複数ユニットの前記入力ポートP1,P2を互いに直列に接続し、複数ユニットの前記出力ポートP3,P4を互いに並列に接続した前段回路、
(F3)一対のインダクタをインダクタ接続点で互いに直列に接続して成る直列体の両端がそれぞれ前記出力ポートP3及び前記出力ポートP4に接続され、前記インダクタ接続点は前記入力ポートP2に接続され、前記入力ポートP1と前記出力ポートP3との間にある第1スイッチと、前記入力ポートP1と前記出力ポートP4との間にある第2スイッチとが、スイッチングにより交互にオン状態となる前段回路、
(F4)前記(F3)の前段回路において前記入力ポートP1に直結する線路にインダクタを介挿したものを1ユニットとして、複数ユニットの前記入力ポートP1,P2を互いに直列に接続し、複数ユニットの前記出力ポートP3,P4を互いに並列に接続した前段回路、
(F5)4個のスイッチによって構成され、前記入力ポートP1,P2から入力して前記出力ポートP3,P4から出力するフルブリッジ回路の前段回路、
また、前記後段回路としては、以下の(R1)〜(R5)のいずれかが選択可能であり、
(R1)一対のインダクタをインダクタ接続点で互いに直列に接続して成る直列体の両端がそれぞれ前記入力ポートP5及び前記入力ポートP6に接続され、前記インダクタ接続点は前記出力ポートP8に接続され、前記入力ポートP5と前記出力ポートP7との間にある第1ダイオードと、前記入力ポートP6と前記出力ポートP7との間にある第2ダイオードとが、入力電圧の極性に応じて交互に導通する後段回路、
(R2)前記(R1)の後段回路において前記出力ポートP7に直結する線路にインダクタを介挿したものを1ユニットとして、複数ユニットの前記入力ポートP5,P6を互いに直列に接続し、複数ユニットの前記出力ポートP7,P8を互いに並列に接続した後段回路、
(R3)一対のキャパシタをキャパシタ接続点で互いに直列に接続して成る直列体の両端がそれぞれ前記出力ポートP7及び前記出力ポートP8に接続され、前記キャパシタ接続点は前記入力ポートP6に接続され、前記入力ポートP5と前記出力ポートP7との間にある第1ダイオードと、前記入力ポートP5と前記出力ポートP8との間にある第2ダイオードとが、入力電圧の極性に応じて交互に導通する後段回路、
(R4)前記(R3)の後段回路において前記入力ポートP5に直結する線路にキャパシタを介挿したものを1ユニットとして、複数ユニットの前記入力ポートP5,P6を互いに直列に接続し、複数ユニットの前記出力ポートP7,P8を互いに並列に接続した後段回路、
(R5)4個のダイオードによって構成され、前記入力ポートP5,P6から入力して前記出力ポートP7,P8から出力するフルブリッジ回路の後段回路、
前記前段回路(F1)〜(F5)のうちのいずれか一つと、前記後段回路(R1)〜(R5)のうちのいずれか一つとを備えて構成され、かつ、前段回路が(F5)で後段回路が(R5)であるという組み合わせは除外する変圧装置である。
本発明の実施形態の要旨としては、少なくとも以下のものが含まれる。
前記前段回路としては、以下の(F1)〜(F5)のいずれかが選択可能であり、
(F1)一対のキャパシタをキャパシタ接続点で互いに直列に接続して成る直列体の両端がそれぞれ前記入力ポートP1及び前記入力ポートP2に接続され、前記キャパシタ接続点は前記出力ポートP4に接続され、前記入力ポートP1と前記出力ポートP3との間にある第1スイッチと、前記入力ポートP2と前記出力ポートP3との間にある第2スイッチとが、スイッチングにより交互にオン状態となる前段回路、
(F2)前記(F1)の前段回路において前記出力ポートP3に直結する線路にキャパシタを介挿したものを1ユニットとして、複数ユニットの前記入力ポートP1,P2を互いに直列に接続し、複数ユニットの前記出力ポートP3,P4を互いに並列に接続した前段回路、
(F3)一対のインダクタをインダクタ接続点で互いに直列に接続して成る直列体の両端がそれぞれ前記出力ポートP3及び前記出力ポートP4に接続され、前記インダクタ接続点は前記入力ポートP2に接続され、前記入力ポートP1と前記出力ポートP3との間にある第1スイッチと、前記入力ポートP1と前記出力ポートP4との間にある第2スイッチとが、スイッチングにより交互にオン状態となる前段回路、
(F4)前記(F3)の前段回路において前記入力ポートP1に直結する線路にインダクタを介挿したものを1ユニットとして、複数ユニットの前記入力ポートP1,P2を互いに直列に接続し、複数ユニットの前記出力ポートP3,P4を互いに並列に接続した前段回路、
(F5)4個のスイッチによって構成され、前記入力ポートP1,P2から入力して前記出力ポートP3,P4から出力するフルブリッジ回路の前段回路、
また、前記後段回路としては、以下の(R1)〜(R5)のいずれかが選択可能であり、
(R1)一対のインダクタをインダクタ接続点で互いに直列に接続して成る直列体の両端がそれぞれ前記入力ポートP5及び前記入力ポートP6に接続され、前記インダクタ接続点は前記出力ポートP8に接続され、前記入力ポートP5と前記出力ポートP7との間にある第1スイッチと、前記入力ポートP6と前記出力ポートP7との間にある第2スイッチとが、スイッチングにより交互にオン状態となる後段回路、
(R2)前記(R1)の後段回路において前記出力ポートP7に直結する線路にインダクタを介挿したものを1ユニットとして、複数ユニットの前記入力ポートP5,P6を互いに直列に接続し、複数ユニットの前記出力ポートP7,P8を互いに並列に接続した後段回路、
(R3)一対のキャパシタをキャパシタ接続点で互いに直列に接続して成る直列体の両端がそれぞれ前記出力ポートP7及び前記出力ポートP8に接続され、前記キャパシタ接続点は前記入力ポートP6に接続され、前記入力ポートP5と前記出力ポートP7との間にある第1スイッチと、前記入力ポートP5と前記出力ポートP8との間にある第2スイッチとが、スイッチングにより交互にオン状態となる後段回路、
(R4)前記(R3)の後段回路において前記入力ポートP5に直結する線路にキャパシタを介挿したものを1ユニットとして、複数ユニットの前記入力ポートP5,P6を互いに直列に接続し、複数ユニットの前記出力ポートP7,P8を互いに並列に接続した後段回路、
(R5)4個のスイッチによって構成され、前記入力ポートP5,P6から入力して前記出力ポートP7,P8から出力するフルブリッジ回路の後段回路、
前記前段回路(F1)〜(F5)のうちのいずれか一つと、前記後段回路(R1)〜(R5)のうちのいずれか一つとを備えて構成され、かつ、前段回路が(F5)で後段回路が(R5)であるという組み合わせは除外する変圧装置である。
2πfoL<<R<<2πfsL
であることが好ましい。
この場合、歪みの少ない、より安定した変圧動作が得られる。なお、不等号で示す差は、例えば、1桁以上、より好ましくは2桁以上の差があることが好ましい。
1/(2πfsC)<<R<<1/(2πfoC)
であることが好ましい。
この場合、歪みの少ない、より安定した変圧動作が得られる。なお、不等号で示す差は、例えば、1桁以上、より好ましくは2桁以上の差があることが好ましい。
この場合、装置が故障した場合や、線路中に地絡や短絡があった場合に、電源から負荷に過電流が流れることを抑制できる。
この場合、介挿される分布定数回路が変圧機能を有する。従って、分布定数回路の変圧機能と組み合わせることにより、変圧比の広範囲な設計が可能な変圧装置とすることができる。
この場合、介挿される二端子対回路が変圧機能を有する。従って、二端子対回路の変圧機能と組み合わせることにより、変圧比の広範囲な設計が可能な変圧装置とすることができる。
この場合、大きな変圧比を実現することができる。
この場合、ケーブルは耐圧性能を容易に確保することができ、また、低コストである。
前記前段回路としては、以下の(F1)〜(F5)のいずれかが選択可能であり、
(F1)一対のキャパシタをキャパシタ接続点で互いに直列に接続して成る直列体の両端がそれぞれ前記入力ポートP1及び前記入力ポートP2に接続され、前記キャパシタ接続点は前記出力ポートP4に接続され、前記入力ポートP1と前記出力ポートP3との間にある第1スイッチと、前記入力ポートP2と前記出力ポートP3との間にある第2スイッチとが、スイッチングにより交互にオン状態となる前段回路、
(F2)前記(F1)の前段回路において前記出力ポートP3に直結する線路にキャパシタを介挿したものを1ユニットとして、複数ユニットの前記入力ポートP1,P2を互いに直列に接続し、複数ユニットの前記出力ポートP3,P4を互いに並列に接続した前段回路、
(F3)一対のインダクタをインダクタ接続点で互いに直列に接続して成る直列体の両端がそれぞれ前記出力ポートP3及び前記出力ポートP4に接続され、前記インダクタ接続点は前記入力ポートP2に接続され、前記入力ポートP1と前記出力ポートP3との間にある第1スイッチと、前記入力ポートP1と前記出力ポートP4との間にある第2スイッチとが、スイッチングにより交互にオン状態となる前段回路、
(F4)前記(F3)の前段回路において前記入力ポートP1に直結する線路にインダクタを介挿したものを1ユニットとして、複数ユニットの前記入力ポートP1,P2を互いに直列に接続し、複数ユニットの前記出力ポートP3,P4を互いに並列に接続した前段回路、
(F5)4個のスイッチによって構成され、前記入力ポートP1,P2から入力して前記出力ポートP3,P4から出力するフルブリッジ回路の前段回路、
また、前記後段回路としては、以下の(R1)〜(R5)のいずれかが選択可能であり、
(R1)一対のインダクタをインダクタ接続点で互いに直列に接続して成る直列体の両端がそれぞれ前記入力ポートP5及び前記入力ポートP6に接続され、前記インダクタ接続点は前記出力ポートP8に接続され、前記入力ポートP5と前記出力ポートP7との間にある第1ダイオードと、前記入力ポートP6と前記出力ポートP7との間にある第2ダイオードとが、入力電圧の極性に応じて交互に導通する後段回路、
(R2)前記(R1)の後段回路において前記出力ポートP7に直結する線路にインダクタを介挿したものを1ユニットとして、複数ユニットの前記入力ポートP5,P6を互いに直列に接続し、複数ユニットの前記出力ポートP7,P8を互いに並列に接続した後段回路、
(R3)一対のキャパシタをキャパシタ接続点で互いに直列に接続して成る直列体の両端がそれぞれ前記出力ポートP7及び前記出力ポートP8に接続され、前記キャパシタ接続点は前記入力ポートP6に接続され、前記入力ポートP5と前記出力ポートP7との間にある第1ダイオードと、前記入力ポートP5と前記出力ポートP8との間にある第2ダイオードとが、入力電圧の極性に応じて交互に導通する後段回路、
(R4)前記(R3)の後段回路において前記入力ポートP5に直結する線路にキャパシタを介挿したものを1ユニットとして、複数ユニットの前記入力ポートP5,P6を互いに直列に接続し、複数ユニットの前記出力ポートP7,P8を互いに並列に接続した後段回路、
(R5)4個のダイオードによって構成され、前記入力ポートP5,P6から入力して前記出力ポートP7,P8から出力するフルブリッジ回路の後段回路、
前記前段回路(F1)〜(F5)のうちのいずれか一つと、前記後段回路(R1)〜(R5)のうちのいずれか一つとを備えて構成され、かつ、前段回路が(F5)で後段回路が(R5)であるという組み合わせは除外する変圧装置である。
提案する変圧装置は、その構成によって、以下の3種類がある。
(A)リアクタンス素子を用いた回路構成とスイッチングとによる変圧装置
(B)分布定数回路による変圧装置
(C)集中定数回路による変圧装置
本発明の実施形態としては主として(A)を挙げ、補足的に、(B)及び(C)についても説明する。
《第1実施形態》
図1は、第1実施形態に係る変圧装置1を示す回路図である。図において、変圧装置1は、交流電源2と、負荷R(Rは、抵抗値でもある。)との間に設けられている。変圧装置1は、一対のキャパシタC1,C2と、一対のインダクタL1,L2と、4つのスイッチSr1,Sr2,Sb1,Sb2と、これらのスイッチSr1,Sr2,Sb1,Sb2のオン/オフを制御するスイッチング制御部3とを備えている。スイッチング制御部3のスイッチング周波数は、例えば1MHz程度である。
なお、一対のキャパシタC1,C2のキャパシタンス値は同じ値であってもよいし、互いに異なる値であってもよい。一対のインダクタL1,L2のインダクタンス値についても同様である。
また、一対のインダクタL1,L2は、接続点M2において互いに直列に接続されている。そして、その直列体の両端に、キャパシタC1,C2を介した入力電圧vmが印加され、入力電流imが流れる。負荷Rには、スイッチSr2,Sb2のいずれかがオンのとき電流が流れる。ここで、負荷Rに印加される電圧をvout、変圧装置1から負荷Rに流れる出力電流をioutとする。
一方、図3の(a)は、図1における4つのスイッチSr1,Sr2,Sb1,Sb2のうち、下側にある2つのスイッチSb1,Sb2がオンで、上側にある2つのスイッチSr1,Sr2がオフであるときの、実体接続の状態を示す回路図である。また、図3の(b)は、(a)と同じ回路図を、階段状に書き換えた回路図である。
ここで、入力電圧は1/4となって出力されるのではないかと推定できる。以下、これを理論的に証明する。
なお、計算の簡略化のため、キャパシタC1,C2のキャパシタンスは共に同じ値C、インダクタL1,L2のインダクタンスは共に同じ値L、とする。
(1)Lのインピーダンス(リアクタンス)は、スイッチング周波数fsにおいては、抵抗値Rに対して十分大きいが、入力電圧の周波数foにおいては、抵抗値に対して十分小さい。すなわち、2πfoL<<R<<2πfsL、である。不等号で示す差は、例えば、1桁以上、より好ましくは2桁以上の差であることが好ましい。これにより、歪みの少ない、より安定した変圧動作が得られる。
(2)Cのインピーダンス(リアクタンス)は、スイッチング周波数fsにおいては、抵抗値Rに対して十分小さいが、入力電圧の周波数foにおいては、抵抗値に対して十分大きい。すなわち、1/(2πfsC)<<R<<1/(2πfoC)、である。不等号で示す差は、例えば、1桁以上、より好ましくは2桁以上の差であることが好ましい。これにより、歪みの少ない、より安定した変圧動作が得られる。
(3)また、スイッチングの一周期中で、入力電圧は、ほとんど変化しない。
従って、vin(t+Δt)=vin(t) (0 ≦ Δt ≦ 1/fs)
(4)系は定常であり、周期(1/fs)でほぼ同じ状態に戻る。
従って、vx(t+(1/fs))≒ vx(t) (x=1,2,3,4)
vin=−2{v3(0)+v4(0)+v3(ΔT)+v4(ΔT)}+v1(0)−v1(ΔT)
ここで、方程式3の3段目の式より、v1(0)−v1(ΔT)=(1/(4fsCR))v4(0)
また、−vout=R(i1+i2)=v3+v4であり、常に成り立つ式であるので、以下の結論式が得られる。
結論式における最下段の式の右辺の第2項は第1項に比べて十分に小さいので無視できる。従って、負荷変動(Rの値の変動)に関係なくvin≒4voutとなり、出力電圧は、入力電圧のほぼ1/4となる。なお、負荷R以外での損失は無いので、出力電流は入力電流の約4倍、入力インピーダンスは抵抗値Rの16倍になる。
図5は、変圧の中間段階での電圧vm、電流imをそれぞれ表す波形図である。これは実際には、スイッチングによるパルス列によって構成され、全体として図示のような波形となる。
また、図6は、上が、変圧装置1からの出力電圧、下が、出力電流をそれぞれ表す波形図である。図4,図6の対比により明らかなように、電圧は1/4に変圧され、それに伴って、電流は4倍となる。
電源2は、直流電源及び60Hzの交流電源の双方で実験した。入力電圧(電源電圧)は、8V、16V、24Vと変えて実験した。スイッチング周波数は100kHz〜1MHzで実験した。
実験の結果、負荷R(100Ω)の両端での出力電圧は、入力電圧8Vに対して2V、入力電圧16Vに対して4V、入力電圧24Vに対して6Vと、全て1/4の変圧比となっていることが確認された。
図7は、第2実施形態に係る変圧装置1を示す回路図である。変圧装置1の実体は図1と同じであるが、図1との違いは、交流電源2と負荷Rとが、入れ替わっている点である。この場合、入力/出力が逆になるが、入力電圧は4倍に昇圧される。昇圧に伴って、出力電流は1/4になる。なお、回路パラメータ条件は、第1実施形態と同様である。
このように、図1又は図7に示す変圧装置1は、入力/出力の可逆性を有している。
図10は、第3実施形態に係る変圧装置1を示す回路図である。この変圧装置1は、スイッチSr1,Sr2,Sb1,Sb2の配置が図1と異なるが、その他の構成は図1と同じである。すなわち、図10において、インダクタL1,L2側にあるスイッチSb2,Sr2は、図1とは上下逆になっている。動作タイミングに関しては、図1の場合と同様に、スイッチSr1,Sr2は互いに同期して動作し、また、スイッチSb1,Sb2は互いに同期して動作する。そして、スイッチSr1,Sr2のペアと、スイッチSb1,Sb2のペアとは、排他的に交互にオンとなるよう動作する。なお、回路パラメータ条件は、第1実施形態と同様である。
このようなスイッチ配置及び動作によれば、入力に対する出力の位相を、図1の場合と比べて、反転することができる。
上記のような変圧装置1を基本形とすると、この基本形から、以下に述べる種々のバリエーションが考えられる。
図11は、第4実施形態に係る変圧装置1を示す回路図である。この変圧装置1は、4個のキャパシタC1,C2,C3,C4及び4個のスイッチSr1,Sb1,Sr2,Sb2を含む前段回路と、4個のインダクタL1,L2,L3,L4及び4個のスイッチSr3,Sb3,Sr4,Sb4を含む後段回路とを備えている。また、これらのスイッチSr1,Sr2,Sr3,Sr4,Sb1,Sb2,Sb3,Sb4のオン/オフを制御するスイッチング制御部3が設けられている。なお、回路パラメータ条件は、第1実施形態と同様である。
図11の回路は、図1の回路と基本的な考え方は共通するが、さらに大きな変圧比を確保すべく、キャパシタによる前段回路を2段階に構成し、かつ、インダクタによる後段回路も2段階に構成したものである。
回路パラメータ条件は、図1の場合と同様に、2πfoL<<R<<2πfsL、かつ、1/(2πfsC)<<R<<1/(2πfoC)、である。
また、図7と同様に、図11の回路構成でも可逆性があり、交流電源2と負荷Rとを入れ替えれば、昇圧も可能である。この場合の変圧比は16(倍)となる。
図12は、第5実施形態に係る変圧装置1を示す回路図である。この変圧装置1は、4個のキャパシタC1,C2,C3,C4及び4個のスイッチSr1,Sb1,Sr2,Sb2を含む前段回路と、2個のインダクタL1,L2及び2個のスイッチSr3,Sb3を含む後段回路とを備えている。また、これらのスイッチSr1,Sr2,Sr3,Sb1,Sb2,Sb3のオン/オフを制御するスイッチング制御部3が設けられている。なお、回路パラメータ条件は、第1実施形態と同様である。
回路パラメータ条件は、図1の場合と同様に、2πfoL<<R<<2πfsL、かつ、1/(2πfsC)<<R<<1/(2πfoC)、である。
また、図7と同様に、図12の回路構成でも可逆性があり、交流電源2と負荷Rとを入れ替えれば、昇圧も可能である。この場合の変圧比は8(倍)となる。
図13は、第6実施形態に係る変圧装置1を示す回路図である。この変圧装置1は、2個のキャパシタC1,C2及び2個のスイッチSr1,Sb1を含む前段回路と、4個のインダクタL1,L2,L3,L4及び4個のスイッチSr3,Sb3,Sr4,Sb4を含む後段回路とを備えている。また、これらのスイッチSr1,Sr3,Sr4,Sb1,Sb3,Sb4のオン/オフを制御するスイッチング制御部3が設けられている。なお、回路パラメータ条件は、第1実施形態と同様である。
回路パラメータ条件は、図1の場合と同様に、2πfoL<<R<<2πfsL、かつ、1/(2πfsC)<<R<<1/(2πfoC)、である。
また、図7と同様に、図13の回路構成でも可逆性があり、交流電源2と負荷Rとを入れ替えれば、昇圧も可能である。この場合の変圧比は8(倍)となる。
図14は、第7実施形態に係る変圧装置1を示す回路図である。この変圧装置1は、4個のキャパシタC1,C2,C3,C4及び4個のスイッチSr1,Sb1,Sr2,Sb2を含む前段回路と、2個のキャパシタC5,C6及び2個のスイッチSr3,Sb3を含む後段回路とを備えている。また、これらのスイッチSr1,Sr2,Sr3,Sb1,Sb2,Sb3のオン/オフを制御するスイッチング制御部3が設けられている。なお、回路パラメータ条件は、第1実施形態と同様である。
回路パラメータ条件は、図1の場合と同様に、2πfoL<<R<<2πfsL、かつ、1/(2πfsC)<<R<<(1/2πfoC)、である。
また、図7と同様に、図14の回路構成でも可逆性があり、交流電源2と負荷Rとを入れ替えれば、昇圧も可能である。この場合の変圧比は2(倍)となる。
図15は、第8実施形態に係る変圧装置1を示す回路図である。この変圧装置1は、2個のインダクタL1,L2及び2個のスイッチSr1,Sb1を含む前段回路と、4個のインダクタL3,L4,L5,L6及び4個のスイッチSr3,Sb3,Sr4,Sb4を含む後段回路とを備えている。また、これらのスイッチSr1,Sr3,Sr4,Sb1,Sb3,Sb4のオン/オフを制御するスイッチング制御部3が設けられている。なお、回路パラメータ条件は、第1実施形態と同様である。
回路パラメータ条件は、図1の場合と同様に、2πfoL<<R<<2πfsL、かつ、1/(2πfsC)<<R<<1/(2πfoC)、である。
また、図7と同様に、図15の回路構成でも可逆性があり、交流電源2と負荷Rとを入れ替えれば、昇圧も可能である。この場合の変圧比は2(倍)となる。
図16は、第9実施形態に係る変圧装置1を示す回路図である。この変圧装置1では、リアクタンス素子が存在するのが後段回路のみであり、その後段回路は、2個のインダクタL1,L2と、2個のスイッチSr3,Sb3とを備えている。前段回路は、フルブリッジ回路を構成する4個のスイッチSr1,Sr2,Sb1,Sb2によって構成されている。
図16の変圧装置1の変圧比は1/2となる。交流電源2と負荷Rを入れ替えれば、変圧比は2倍となる。
回路パラメータLの条件は、図1の場合と同様に、2πfoL<<R<<2πfsLである。
図17は、第10実施形態に係る変圧装置1を示す回路図である。この変圧装置1では、リアクタンス素子が存在するのが前段回路のみであり、その前段回路は、2個のキャパシタC1,C2と、2個のスイッチSr1,Sb1とを備えている。後段回路は、フルブリッジ回路を構成する4個のスイッチSr2,Sr3,Sb2,Sb3によって構成されている。
図17の変圧装置1の変圧比は1/2となる。交流電源2と負荷Rを入れ替えれば、変圧比は2倍となる。
回路パラメータCの条件は、図1の場合と同様に、1/(2πfsC)<<R<<1/(2πfoC)、である。
図18は、第11実施形態に係る変圧装置1を示す回路図である。図1との違いは、スイッチSr1とSb1との相互接続点からインダクタ側へ至る電路上にキャパシタCXを設けた点である。言い換えれば、前段回路において、キャパシタC1,C2の直列体の接続点とは繋がっていない方の出力用の線路に、キャパシタCXを介挿したことになる。このようなキャパシタCXを設けることは、既述及び後述の全ての実施形態において下記の点で有効である。
この場合、スイッチ装置4が故障した(例えばスイッチSr1,Sr2又はSb1,Sb2がオンのままになった。)場合や、線路中に地絡や短絡があった場合に、交流電源2から負荷Rに過電流が流れることを抑制できる。その他、前段側と後段側とを直流的に互いに絶縁したい場合に有用である。
なお、上記キャパシタCXは、後段回路に同様に設けることもできる。
次に、より大きな変圧比を得るために多段化した変圧装置1の一例について説明する。
図19は、第12実施形態に係る変圧装置1の前段回路を示す回路図である。この回路図は、例えば図1における前段回路にキャパシタC3を追加したものを1ユニットとして、これを3ユニット並べたものである。キャパシタC3は、キャパシタC1,C2の直列体の接続点とは繋がっていない方の出力用の線路に介挿されている。なお、図1におけるスイッチ装置4の図示は省略しているが、同様に設けられている。
なお、スイッチングのタイミングは、これとは別のパターンも可能である。例えば、前段回路(図19)の各ユニットにおける上側のスイッチ(3個)と後段回路(図20)の各ユニットにおける下側のスイッチ(3個)とが互いに同期して動作し、また、前段回路の各ユニットにおける下側のスイッチ(3個)と後段回路の各ユニットにおける上側のスイッチ(3個)とが互いに同期して動作し、前者(6個)と後者(6個)とが排他的に交互にオンとなるように動作してもよい。
なお、回路パラメータ条件は、第1実施形態と同様である。
また、第12実施形態の回路構成にも可逆性があり、交流電源と負荷とを入れ替えることができる。
上記の各実施形態に基づいて、変圧装置1のとり得る回路構成を総括する。
図22は、変圧装置1を大局的に見た概略構成を示すブロック図である。すなわち、変圧装置1は、電源2と負荷Rとの間に設けられ、電源2と接続される前端側に入力ポートP1及びP2を有し、後端側に出力ポートP3及びP4を有する前段回路1fと、負荷Rと接続される後端側に出力ポートP7及びP8を有し、前端側に入力ポートP5及びP6を有する後段回路1rとを備えている。
図23は、前段回路1fとして選択しうる回路の基本形を示す図である。
変圧装置1の前段回路としては、以下の(F1)〜(F5)のいずれかが選択可能である。
すなわち、(F1)は、一対のキャパシタをキャパシタ接続点で互いに直列に接続して成る直列体の両端がそれぞれ入力ポートP1及び入力ポートP2に接続され、キャパシタ接続点は出力ポートP4に接続され、入力ポートP1と出力ポートP3との間にある第1スイッチと、入力ポートP2と出力ポートP3との間にある第2スイッチとが、スイッチングにより交互にオン状態となる前段回路、である。
すなわち、(F2)は、(F1)の前段回路において出力ポートP3に直結する線路にキャパシタを介挿したものを1ユニットとして、複数ユニットの入力ポートP1,P2を互いに直列に接続し、複数ユニットの出力ポートP3,P4を互いに並列に接続した前段回路、である。
すなわち、(F3)は、一対のインダクタをインダクタ接続点で互いに直列に接続して成る直列体の両端がそれぞれ出力ポートP3及び出力ポートP4に接続され、インダクタ接続点は入力ポートP2に接続され、入力ポートP1と出力ポートP3との間にある第1スイッチと、入力ポートP1と出力ポートP4との間にある第2スイッチとが、スイッチングにより交互にオン状態となる前段回路、である。
すなわち、(F3)の前段回路において入力ポートP1に直結する線路にインダクタを介挿したものを1ユニットとして、複数ユニットの前記入力ポートP1,P2を互いに直列に接続し、複数ユニットの前記出力ポートP3,P4を互いに並列に接続した前段回路、である。
すなわち、(F5)は、4個のスイッチによって構成され、入力ポートP1,P2から入力して出力ポートP3,P4から出力するフルブリッジ回路の前段回路、である。
変圧装置1の後段回路としては、以下の(R1)〜(R5)のいずれかが選択可能である。
すなわち、(R1)は、一対のインダクタをインダクタ接続点で互いに直列に接続して成る直列体の両端がそれぞれ入力ポートP5及び入力ポートP6に接続され、インダクタ接続点は出力ポートP8に接続され、入力ポートP5と出力ポートP7との間にある第1スイッチと、入力ポートP6と出力ポートP7との間にある第2スイッチとが、スイッチングにより交互にオン状態となる後段回路、である。
すなわち、(R2)は、(R1)の後段回路において出力ポートP7に直結する線路にインダクタを介挿したものを1ユニットとして、複数ユニットの入力ポートP5,P6を互いに直列に接続し、複数ユニットの出力ポートP7,P8を互いに並列に接続した後段回路、である。
すなわち、(R3)は、一対のキャパシタをキャパシタ接続点で互いに直列に接続して成る直列体の両端がそれぞれ出力ポートP7及び出力ポートP8に接続され、キャパシタ接続点は入力ポートP6に接続され、入力ポートP5と出力ポートP7との間にある第1スイッチと、入力ポートP5と出力ポートP8との間にある第2スイッチとが、スイッチングにより交互にオン状態となる後段回路、である。
すなわち、(R4)は、(R3)の後段回路において入力ポートP5に直結する線路にキャパシタを介挿したものを1ユニットとして、複数ユニットの入力ポートP5,P6を互いに直列に接続し、複数ユニットの出力ポートP7,P8を互いに並列に接続した後段回路、である。
すなわち、(R5)は、4個のスイッチによって構成され、入力ポートP5,P6から入力して出力ポートP7,P8から出力するフルブリッジ回路の後段回路、である。
かかる変圧装置では、回路構成とスイッチングとによって変圧を行うことができる。このような変圧装置を電力用の変圧器として用いることにより、コイルや鉄心等を含む従来のトランスは不要となる。従って、変圧器の飛躍的な小型軽量化及び、それに伴う低コスト化を実現することができる。また、高周波トランスで課題となる寄生容量、漏れ磁界発生の問題も解消され、低損失な変圧器を実現することができる。
さらに、上記のいずれかの前段回路・後段回路を備えた変圧装置を、複数組、縦続に構成してもよい。この場合、降圧・昇圧ともに、大きな変圧比を実現することができる。
また、上記各実施形態の変圧装置において、キャパシタ、インダクタとして、ケーブルのキャパシタンス及びインダクタンスを利用することもできる。ケーブルは耐圧性能を容易に確保することができ、また、低コストであるので有利である。
なお、上記各実施形態においては電源が交流電源2であるとしたが、上述の変圧装置1は、直流電源にも適用可能であり、DC/DCコンバータとしても使用可能である。
次に、電源が直流電源であって、かつ、後段回路の構成が上述の各実施形態とは異なる変圧装置の例について、補足説明する。図48は、第13実施形態に係る変圧装置1を示す回路図である。この変圧装置1は、5個のキャパシタC1,C2,C3,C4,CX及び4個のスイッチSr1,Sb1,Sr2,Sb2を含む前段回路と、2個のインダクタL1,L2及び2個のダイオードD1,D2を含む後段回路とを備えている。ダイオードD1,D2は互いのアノード同士が接続されている形である。但し、逆に、互いのカソード同士が接続されている形であってもよい。また、前段回路のスイッチSr1,Sr2,Sb1,Sb2のオン/オフを制御するスイッチング制御部3が設けられている。なお、回路パラメータ条件は、第1実施形態と同様である。但し、電源の周波数foは、直流であるので、0である。
回路パラメータ条件は、図1の場合と同様に、2πfoL<<R<<2πfsL、かつ、1/(2πfsC)<<R<<1/(2πfoC)、であるが、ここで、foは0である。
なお、図48の回路構成には可逆性が無く、直流電源2dと負荷Rとを入れ替えて使用することはできない。
このような環流ダイオードDr1,Db1,Dr2,Db2を設けることにより、損失を小さくできる場合があり、さらには結果的にインダクタL1,L2のインダクタンスを低減することができて小型化に寄与する場合がある。
ここで、図24に示した後段回路1rとして選択しうる回路の基本形と対応させて考えると、図50は、ダイオードを用いた場合の、後段回路1rとして選択しうる回路の基本形を示す図である。
直流電源2dに対する変圧装置1の後段回路(ダイオード使用)としては、以下の(R1)〜(R5)のいずれかが選択可能である。
すなわち、(R1)は、一対のインダクタをインダクタ接続点で互いに直列に接続して成る直列体の両端がそれぞれ入力ポートP5及び入力ポートP6に接続され、インダクタ接続点は出力ポートP8に接続され、入力ポートP5と出力ポートP7との間にある第1ダイオードと、入力ポートP6と出力ポートP7との間にある第2ダイオードとが、入力電圧の極性に応じて交互に導通する後段回路、である。
すなわち、(R2)は、(R1)の後段回路において出力ポートP7に直結する線路にインダクタを介挿したものを1ユニットとして、複数ユニットの入力ポートP5,P6を互いに直列に接続し、複数ユニットの出力ポートP7,P8を互いに並列に接続した後段回路、である。
すなわち、(R3)は、一対のキャパシタをキャパシタ接続点で互いに直列に接続して成る直列体の両端がそれぞれ出力ポートP7及び出力ポートP8に接続され、キャパシタ接続点は入力ポートP6に接続され、入力ポートP5と出力ポートP7との間にある第1ダイオードと、入力ポートP5と出力ポートP8との間にある第2ダイオードとが、入力電圧の極性に応じて交互に導通する後段回路、である。
すなわち、(R4)は、(R3)の後段回路において入力ポートP5に直結する線路にキャパシタを介挿したものを1ユニットとして、複数ユニットの入力ポートP5,P6を互いに直列に接続し、複数ユニットの出力ポートP7,P8を互いに並列に接続した後段回路、である。
すなわち、(R5)は、4個のダイオードによって構成され、入力ポートP5,P6から入力して出力ポートP7,P8から出力するフルブリッジ回路の後段回路、である。
また、図23の前段回路(F1)〜(F5)のうちのいずれか一つと、図50の後段回路(R1)〜(R5)のうちのいずれか一つとを備えて構成され、かつ、前段回路が(F5)で後段回路が(R5)であるという組み合わせは除外する変圧装置であればよい。
図51は、上記のような直流電源に対する変圧装置1の使用例を示す接続図である。この図は、例えば太陽光発電所での変圧装置1の使用例を示している。太陽光発電パネル10は、例えば、所定数で1ストリングを成している。複数のストリング11,12,13の出力電路PL1,PL2,PL3は、例えば、途中で1本の電路PLにまとめられて、電力がパワーコンディショナ18に送られる。計測装置14は、電流センサ15,16,17により、各ストリング11,12,13から出力される電流を計測し、また、電路PLから電圧を計測する。計測信号は、電力線通信又は無線により、パワーコンディショナ18や、監視装置(図示せず。)に送られる。
《基本構成》
次に、上述の変圧装置1とは異なる、分布定数回路による変圧装置について説明する。
図25は、分布定数回路による変圧装置100を示す接続図である。図において、変圧装置100を構成するのは、第1変換器101と,その終端に接続された第2変換器102である。第1変換器101及び第2変換器102としては、例えばシース付きの単心ケーブル(CV)を用いることができる。前段の第1変換器101は、入力される電源の周波数をf、周波数fにおける波長をλとすると、λ/4の長さを有する(λは波長)。また、第1変換器101の終端に接続される後段の第2変換器102も、入力される電源の周波数fに対してλ/4の長さを有する。
Zin=Zc1 2/Zin’、Zin’=Zc2 2/Rであるから、
Zin=Zc1 2/(Zc2 2/R)
=(Zc1 2/Zc2 2)R
となる。(Zc1 2/Zc2 2)は定数であるから、これを定数kと置くと、
Zin=k・R
となる。
Vin 2/Zin=Vout 2/R
となる。これを変形すると、
(Vout 2/Vin 2)=R/Zin=k
となる。従って、
(Vout/Vin)=k1/2
となり、一定の変圧比k1/2が得られる。
この変圧装置は、分布定数回路を2段階に接続したものである。従って、従来の変圧器のような巻線や鉄心等を必要としない画期的な形態となり、変圧器の軽量化及び、それに伴う低コスト化を実現することができる。さらに、高周波トランスで課題となる寄生容量、漏れ磁界発生の問題も解消され、低損失な変圧器を実現できる。
図26は、図1に示した変圧装置1と、上記変圧装置100とを、組み合わせた回路図である。すなわちこれは、図1に示した変圧装置1におけるキャパシタ段と、インダクタ段との間に、分布定数型の変圧装置100を介挿した回路構成となっている。この場合、変圧装置1におけるキャパシタ段とインダクタ段との間は、スイッチングにより高周波(例えば1MHz)となっているので、高周波でスイッチングを行っている環境を利用して分布定数型の変圧装置100を活用することができる。また、2種類の変圧装置1,100の変圧機能を組み合わせることにより、変圧比の広範囲な設計が可能となる。なお、当該変圧装置100を図1の変圧装置1と組み合わせたのは一例に過ぎず、既述の全ての変圧装置1と組み合わせることができる。
次に、上述の変圧装置1,100とは異なる、集中定数回路による変圧装置について説明する。
図27は、二端子対回路(四端子回路)による変圧装置200の概念を示す図である。変圧装置として機能するためには、前述のように、入力インピーダンスZinと負荷R(抵抗値R)との間に、
Zin=k・R (kは定数)
の関係が成り立つ必要がある。これにより、負荷変動に対して入力インピーダンスZinが線形に変化し、変圧比は一定である。また、入力インピーダンスZinは、リアクタンス成分を持たない。すなわち、入力インピーダンスZinは、実数成分がk・Rであり、虚数成分が0であることが必要である。このような入力インピーダンスZinとなる変圧装置200を、LILT(Load−Invariant Linear Transformer)と称する。
図30は、4A型の回路構成を示す図である。文言上で表現すると、例えば、4個のリアクタンス素子のリアクタンスをそれぞれX1,X2,X3,X4とすると、入力側から見て順に、二端子対回路の1線上にあるX1,2線間にあるX2,前記1線上にあるX3、2線間にあるX4によって二端子対回路が構成されている。この場合の入力インピーダンスZinは、以下の式の上段部で表される。また、並列共振及び直列共振により虚数成分を0にする条件を設定すると、入力インピーダンスZinは、下段部で表される。
なお、以下の各式中の「j」は虚数(−1)1/2を表す。
(1/X1)+(1/X2)+(1/X3)=0 ∧ X2+X3+X4=0
であるとき、言い換えれば、(1/X1)+(1/X2)+(1/X3)=0であり、かつ、X2+X3+X4=0であるとき、Zin=(X2 2/X4 2)・Rとなり、入力電圧に比例した出力電圧が得られる。
図31は、4A型の回路構成の実例6パターンを示す図である。
また、この場合、例えば1MHzの高周波でスイッチングを行っている環境を利用して集中定数回路の変圧装置200を活用することができる。なお、交流電源2が仮に直流電源に置き換わったとしても、変圧装置200には、変圧装置1の前段のスイッチングによるスイッチング波形が入力されるので、使用可能である(以下同様)。
なお、当該変圧装置200を図1の変圧装置1と組み合わせたのは一例に過ぎず、既述の全ての変圧装置1,100と組み合わせることができる。この点は、以下の例でも同様である。
図33は、4B型の回路構成を示す図である。文言上で表現すると、例えば、4個のリアクタンス素子のリアクタンスをそれぞれX1,X2,X3,X4とすると、入力側から見て順に、二端子対回路の2線間にあるX1,1線上にあるX2,2線間にあるX3、前記1線上にあるX4によって二端子対回路が構成されている。この場合の入力インピーダンスZinは、以下の式の上段部で表される。また、並列共振及び直列共振により虚数成分を0にする条件を設定すると、入力インピーダンスZinは、下段部で表される。
X1+X2+X3=0 ∧ (1/X2)+(1/X3)+(1/X4)=0
であるとき、Zin=(X1 2/X3 2)・Rとなり、入力電圧に比例した出力電圧が得られる。
図34は、4B型の回路構成の実例6パターンを示す図である。
図36は、4C型の回路構成を示す図である。文言上で表現すると、例えば、4個のリアクタンス素子のリアクタンスをそれぞれX1,X2,X3,X4とすると、入力側から見て順に、二端子対回路の1線上にあるX1,2線間にあるX2,前記1線上にあるX3、によって構成されるT型回路と、X1及びX3の直列体に対して並列にあるX4とによって二端子対回路が構成されている。この場合の入力インピーダンスZinは、以下の式の上段部で表される。また、並列共振及び直列共振により虚数成分を0にする条件を設定すると、入力インピーダンスZinは、下段部で表される。
X1+X3+X4=0 ∧ (1/X1)+(1/X2)+(1/X3)=0
であるとき、Zin=(X1 2/X3 2)・Rとなり、入力電圧に比例した出力電圧が得られる。
図37は、4C型の回路構成の実例6パターンを示す図である。
図39は、4D型の回路構成を示す図である。文言上で表現すると、例えば、4個のリアクタンス素子のリアクタンスをそれぞれX1,X2,X3,X4とすると、入力側から見て順に、二端子対回路の2線間にあるX1,X2の第1直列体、及び、2線間にあるX3,X4の第2直列体を含み、第1直列体の相互接続点及び第2直列体の相互接続点が出力端子となる二端子対回路が構成されている。この場合の入力インピーダンスZinは、以下の式の上段部で表される。また、並列共振及び直列共振により虚数成分を0にする条件を設定すると、入力インピーダンスZinは、下段部で表される。
X1+X2+X3+X4=0 ∧ (1/X1)+(1/X2)+(1/X3)+(1/X4)=0
であるとき、Zin={(X1+X2)2/(X1−X2)2}・Rとなり、入力電圧に比例した出力電圧が得られる。
図40は、4D型の回路構成の実例2パターンを示す図である。
次に、要素数n=5の回路構成について考える。n=4よりも要素数は1つ増えるが、実用性はある。
図42の(a)は、n=5の第1例の回路構成を示す図である。文言上で表現すると、5個のリアクタンス素子のリアクタンスをそれぞれXA,XB,XC,XD,XEとすると、入力側から見て順に、二端子対回路の1線上にあるXA,2線間にあるXB,前記1線上にあるXC、2線間にあるXD、前記1線上にあるXE、によって二端子対回路が構成されている。
XA=−XB ∧ XE=−XD ∧ XC=XA+XE
の関係とする。この場合、入力インピーダンスZinは、Zin=(XA 2/XE 2)・Rとなり、負荷の抵抗値Rに比例し、入力電圧に比例した出力電圧が得られる。
このLILT回路についても同様に、変圧装置1と組み合わせることにより変圧比の広範囲な設計が可能となる。
図43の(a)は、n=5の第2例の回路構成を示す図である。文言上で表現すると、5個のリアクタンス素子のリアクタンスをそれぞれXA,XB,XC,XD,XEとすると、入力側から見て順に、二端子対回路の2線間にあるXA,1線上にあるXB,2線間にあるXC、前記1線上にあるXD、2線間にあるXE、によって二端子対回路が構成されている。
XA=−XB ∧ XE=−XD ∧ XC=XA・XE/(XA+XE)
の関係とする。
この場合、入力インピーダンスZinは、Zin=(XA 2/XE 2)・Rとなり、負荷の抵抗値Rに比例し、入力電圧に比例した出力電圧が得られる。
このLILT回路についても同様に、変圧装置1と組み合わせることにより変圧比の広範囲な設計が可能となる。
次に、要素数n=6の回路構成について考える。n=4よりも要素数は2つ増えるが、実用性はある。
図44の(a)は、n=6の第1例の回路構成を示す図である。文言上で表現すると、6個のリアクタンス素子のリアクタンスをそれぞれXA,XB,XC,XD,XE,XFとすると、入力側から見て順に、二端子対回路の1線上にあるXA,2線間にあるXB,前記1線上にあるXC、2線間にあるXD、前記1線上にあるXE、2線間にあるXF、によって二端子対回路が構成されている。
XA=XC=−XB ∧ XD=XF=−XE
の関係とする。
この場合、入力インピーダンスZinは、Zin=(XA 2/XF 2)・Rとなり、負負荷の抵抗値Rに比例し、入力電圧に比例した出力電圧が得られる。
このLILT回路についても同様に、変圧装置1と組み合わせることにより変圧比の広範囲な設計が可能となる。
図44の(b)は、n=6の第2例の回路構成を示す図である。文言上で表現すると、6個のリアクタンス素子のリアクタンスをそれぞれXA,XB,XC,XD,XE,XFとすると、入力側から見て順に、二端子対回路の2線間にあるXA,1線上にあるXB,2線間にあるXC、前記1線上にあるXD、2線間にあるXE、前記1線上にあるXF、によって二端子対回路が構成されている。
XA=XC=−XB ∧ XD=XF=−XE
の関係とする。
この場合、入力インピーダンスZinは、Zin=(XA 2/XF 2)・Rとなり、負荷の抵抗値Rに比例し、入力電圧に比例した出力電圧が得られる。
このLILT回路についても同様に、変圧装置1と組み合わせることにより変圧比の広範囲な設計が可能となる。
なお、図1〜41に関して、リアクタンス素子として、ケーブルのキャパシタンス及びケーブルのインダクタンスを利用することも可能である。
この場合、ケーブルは耐圧性能を容易に確保することができ、また、低コストであるという利点がある。
1f 前段回路
1r 後段回路
2 交流電源
3 スイッチング制御部
4 スイッチ装置
10 太陽光発電パネル
11,12,13 ストリング
14 計測装置
15,16,17 電流センサ
18 パワーコンディショナ
100 変圧装置
101 第1変換器
102 第2変換器
200 変圧装置
C1〜C6,CX,C21 キャパシタ
L1〜L6 インダクタ
Sb1〜Sb4 スイッチ
Sr1〜Sr4 スイッチ
M1,M2 接続点
P1〜P8 ポート
PL 電路
PL1,PL2,PL3 出力電路
R 負荷
Claims (10)
- 電源と負荷との間に設けられる変圧装置であって、
前記電源と接続される前端側に入力ポートP1及びP2を有し、後端側に出力ポートP3及びP4を有する前段回路と、
前記負荷と接続される後端側に出力ポートP7及びP8を有し、前端側に入力ポートP5及びP6を有する後段回路とを備え、
前記前段回路としては、以下の(F1)〜(F5)のいずれかが選択可能であり、
(F1)一対のキャパシタをキャパシタ接続点で互いに直列に接続して成る直列体の両端がそれぞれ前記入力ポートP1及び前記入力ポートP2に接続され、前記キャパシタ接続点は前記出力ポートP4に接続され、前記入力ポートP1と前記出力ポートP3との間にある第1スイッチと、前記入力ポートP2と前記出力ポートP3との間にある第2スイッチとが、スイッチングにより交互にオン状態となる前段回路、
(F2)前記(F1)の前段回路において前記出力ポートP3に直結する線路にキャパシタを介挿したものを1ユニットとして、複数ユニットの前記入力ポートP1,P2を互いに直列に接続し、複数ユニットの前記出力ポートP3,P4を互いに並列に接続した前段回路、
(F3)一対のインダクタをインダクタ接続点で互いに直列に接続して成る直列体の両端がそれぞれ前記出力ポートP3及び前記出力ポートP4に接続され、前記インダクタ接続点は前記入力ポートP2に接続され、前記入力ポートP1と前記出力ポートP3との間にある第1スイッチと、前記入力ポートP1と前記出力ポートP4との間にある第2スイッチとが、スイッチングにより交互にオン状態となる前段回路、
(F4)前記(F3)の前段回路において前記入力ポートP1に直結する線路にインダクタを介挿したものを1ユニットとして、複数ユニットの前記入力ポートP1,P2を互いに直列に接続し、複数ユニットの前記出力ポートP3,P4を互いに並列に接続した前段回路、
(F5)4個のスイッチによって構成され、前記入力ポートP1,P2から入力して前記出力ポートP3,P4から出力するフルブリッジ回路の前段回路、
また、前記後段回路としては、以下の(R1)〜(R5)のいずれかが選択可能であり、
(R1)一対のインダクタをインダクタ接続点で互いに直列に接続して成る直列体の両端がそれぞれ前記入力ポートP5及び前記入力ポートP6に接続され、前記インダクタ接続点は前記出力ポートP8に接続され、前記入力ポートP5と前記出力ポートP7との間にある第1スイッチと、前記入力ポートP6と前記出力ポートP7との間にある第2スイッチとが、スイッチングにより交互にオン状態となる後段回路、
(R2)前記(R1)の後段回路において前記出力ポートP7に直結する線路にインダクタを介挿したものを1ユニットとして、複数ユニットの前記入力ポートP5,P6を互いに直列に接続し、複数ユニットの前記出力ポートP7,P8を互いに並列に接続した後段回路、
(R3)一対のキャパシタをキャパシタ接続点で互いに直列に接続して成る直列体の両端がそれぞれ前記出力ポートP7及び前記出力ポートP8に接続され、前記キャパシタ接続点は前記入力ポートP6に接続され、前記入力ポートP5と前記出力ポートP7との間にある第1スイッチと、前記入力ポートP5と前記出力ポートP8との間にある第2スイッチとが、スイッチングにより交互にオン状態となる後段回路、
(R4)前記(R3)の後段回路において前記入力ポートP5に直結する線路にキャパシタを介挿したものを1ユニットとして、複数ユニットの前記入力ポートP5,P6を互いに直列に接続し、複数ユニットの前記出力ポートP7,P8を互いに並列に接続した後段回路、
(R5)4個のスイッチによって構成され、前記入力ポートP5,P6から入力して前記出力ポートP7,P8から出力するフルブリッジ回路の後段回路、
前記前段回路(F1)〜(F5)のうちのいずれか一つと、前記後段回路(R1)〜(R5)のうちのいずれか一つとを備えて構成され、かつ、前段回路が(F5)で後段回路が(R5)であるという組み合わせは除外する変圧装置。 - 電源と負荷との間に設けられ、入力に対する出力の極性を交互に反転させるスイッチングを行う機能をそれぞれが有する前段回路及び後段回路を備えている変圧装置であって、
前記前段回路及び前記後段回路の少なくとも一方に設けられ、一対のリアクタンス素子を接続点で互いに直列に接続して成る直列体と、
前記直列体の両端を第1ポートとした場合に、前記直列体の一端と前記接続点との間、及び、前記直列体の他端と前記接続点との間を、スイッチングにより交互に、かつ、極性を反転させながら第2ポートとして、前記第1ポートから前記第2ポートへの電力の伝送、及び、前記第2ポートから前記第1ポートへの電力の伝送のいずれか一方を実行するスイッチ装置と、
を含む変圧装置。 - 前記直列体が一対のインダクタの直列体であって、前記電源の周波数をfo、スイッチング周波数をfs、任意の前記インダクダのインダクタンス値をL、前記負荷の抵抗値をRとすると、
2πfoL<<R<<2πfsL
である請求項1又は請求項2に記載の変圧装置。 - 前記直列体が一対のキャパシタの直列体であって、前記電源の周波数をfo、スイッチング周波数をfs、任意の前記キャパシタのキャパシタンス値をC、前記負荷の抵抗値をRとすると、
1/(2πfsC)<<R<<1/(2πfoC)
である請求項1又は請求項2に記載の変圧装置。 - 前記直列体が設けられている回路において、前記直列体の接続点とは繋がっていない方の出力用の線路に、キャパシタを介挿した請求項1又は請求項2に記載の変圧装置。
- 前記前段回路と前記後段回路との間に、分布定数回路を介挿し、当該分布定数回路は、
前記前段回路の出力の周波数をfとし、周波数fにおける波長をλとして、長さλ/4の第1変換器と、当該第1変換器の終端と前記後段回路との間に設けられた、長さλ/4の第2変換器と、を備えている請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載の変圧装置。 - 前記前段回路と前記後段回路との間に、二端子対回路を介挿し、当該二端子対回路は、
4以上の自然数をnとして、n個のリアクタンス素子を相互に接続して構成されたものであって、前記負荷の任意の抵抗値Rに対して、前記二端子対回路の入力インピーダンスZinは、その実数成分が、kを定数として、k・Rで表され、かつ、虚数成分が0である、請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載の変圧装置。 - 請求項1又は請求項2に記載の変圧装置を複数組、縦続に構成して成る変圧装置。
- キャパシタ、インダクタ又はリアクタンス素子として、ケーブルのキャパシタンス及びインダクタンスを利用する請求項1〜請求項7のいずれか1項に記載の変圧装置。
- 直流電源と負荷との間に設けられる変圧装置であって、
前記電源と接続される前端側に入力ポートP1及びP2を有し、後端側に出力ポートP3及びP4を有する前段回路と、
前記負荷と接続される後端側に出力ポートP7及びP8を有し、前端側に入力ポートP5及びP6を有する後段回路とを備え、
前記前段回路としては、以下の(F1)〜(F5)のいずれかが選択可能であり、
(F1)一対のキャパシタをキャパシタ接続点で互いに直列に接続して成る直列体の両端がそれぞれ前記入力ポートP1及び前記入力ポートP2に接続され、前記キャパシタ接続点は前記出力ポートP4に接続され、前記入力ポートP1と前記出力ポートP3との間にある第1スイッチと、前記入力ポートP2と前記出力ポートP3との間にある第2スイッチとが、スイッチングにより交互にオン状態となる前段回路、
(F2)前記(F1)の前段回路において前記出力ポートP3に直結する線路にキャパシタを介挿したものを1ユニットとして、複数ユニットの前記入力ポートP1,P2を互いに直列に接続し、複数ユニットの前記出力ポートP3,P4を互いに並列に接続した前段回路、
(F3)一対のインダクタをインダクタ接続点で互いに直列に接続して成る直列体の両端がそれぞれ前記出力ポートP3及び前記出力ポートP4に接続され、前記インダクタ接続点は前記入力ポートP2に接続され、前記入力ポートP1と前記出力ポートP3との間にある第1スイッチと、前記入力ポートP1と前記出力ポートP4との間にある第2スイッチとが、スイッチングにより交互にオン状態となる前段回路、
(F4)前記(F3)の前段回路において前記入力ポートP1に直結する線路にインダクタを介挿したものを1ユニットとして、複数ユニットの前記入力ポートP1,P2を互いに直列に接続し、複数ユニットの前記出力ポートP3,P4を互いに並列に接続した前段回路、
(F5)4個のスイッチによって構成され、前記入力ポートP1,P2から入力して前記出力ポートP3,P4から出力するフルブリッジ回路の前段回路、
また、前記後段回路としては、以下の(R1)〜(R5)のいずれかが選択可能であり、
(R1)一対のインダクタをインダクタ接続点で互いに直列に接続して成る直列体の両端がそれぞれ前記入力ポートP5及び前記入力ポートP6に接続され、前記インダクタ接続点は前記出力ポートP8に接続され、前記入力ポートP5と前記出力ポートP7との間にある第1ダイオードと、前記入力ポートP6と前記出力ポートP7との間にある第2ダイオードとが、入力電圧の極性に応じて交互に導通する後段回路、
(R2)前記(R1)の後段回路において前記出力ポートP7に直結する線路にインダクタを介挿したものを1ユニットとして、複数ユニットの前記入力ポートP5,P6を互いに直列に接続し、複数ユニットの前記出力ポートP7,P8を互いに並列に接続した後段回路、
(R3)一対のキャパシタをキャパシタ接続点で互いに直列に接続して成る直列体の両端がそれぞれ前記出力ポートP7及び前記出力ポートP8に接続され、前記キャパシタ接続点は前記入力ポートP6に接続され、前記入力ポートP5と前記出力ポートP7との間にある第1ダイオードと、前記入力ポートP5と前記出力ポートP8との間にある第2ダイオードとが、入力電圧の極性に応じて交互に導通する後段回路、
(R4)前記(R3)の後段回路において前記入力ポートP5に直結する線路にキャパシタを介挿したものを1ユニットとして、複数ユニットの前記入力ポートP5,P6を互いに直列に接続し、複数ユニットの前記出力ポートP7,P8を互いに並列に接続した後段回路、
(R5)4個のダイオードによって構成され、前記入力ポートP5,P6から入力して前記出力ポートP7,P8から出力するフルブリッジ回路の後段回路、
前記前段回路(F1)〜(F5)のうちのいずれか一つと、前記後段回路(R1)〜(R5)のうちのいずれか一つとを備えて構成され、かつ、前段回路が(F5)で後段回路が(R5)であるという組み合わせは除外する変圧装置。
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