JP5872479B2 - 直流電源を使用するdc−dc変換の方法、並びにその方法を実施するdc−dcコンバータおよび配電設備 - Google Patents
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Description
この方法は、
a)第1の電流をインバータ工程に印加して、単相または多相である、第3の電圧の第3の交流電流を形成するステップと、
b)変換工程により前記第3の電圧の値、またはその各位相の値を変化させて、前記第2の値を有する少なくとも1つの変換された電圧を得る一方で、同時に、前記変換された電圧の電流が、第1および第2の可飽和誘導コイルを使用して磁気スイッチングされながら、少なくとも1つの変換ユニットで整流されるステップとから構成され、
c)前記可飽和誘導コイルは、前記第1の可飽和誘導コイル、互いに逆向きに接続した第1および第2の電力ダイオード、および第2の可飽和誘導コイルで構成された直列整流回路に接続され、2つの電力ダイオードは、整流方向が2つの電力ダイオードとは向きを逆にして互いに逆向きに接続した2つの調整ダイオードによって分路され、
d)前記直列回路が、前記変換された電圧を受け取るように、また前記電気を前記第2の直流電流の少なくとも一部の形として送出するように接続され、この方法はさらに、
e)変換された電圧の各サイクルの間中、前記第2の電圧の変動の関数として生成された制御電圧を前記調整ダイオードを介して注入することによって、磁気スイッチングのモーメントを調整するステップと、
f)前記サイクルのそれぞれの第1の部分に対し、前記第1の可飽和誘導コイルの飽和効果のもとで、前記第1の電力ダイオードの導通を制御するステップと、関係したサイクルそれぞれの第2の部分に対し、前記第2の可飽和誘導コイルの飽和効果のもとで、前記第2の電力ダイオードの導通を制御するステップとから構成され、飽和モーメントは、前記制御電圧の関数としてそのサイクルの間中に決定され、
前記方法はまた、
g)前記サイクルの前記第1の部分の間中、前記第1の電力ダイオードを導通させることによって前記第2の電力ダイオードを阻止し、考察したサイクルの前記第2の部分の間中、前記第2の電力ダイオードを導通させることによって前記第1の電力ダイオードを阻止して、前記第3の電圧と前記第3の電流の間、またはその各相の電圧と電流の間の位相シフトを生じさせるステップからも構成され、位相シフト角が前記制御電圧によって決まること、ならびにこの方法ステップb)、e)、f)およびg)が、該当する場合には、前記第3の電圧の各相に対して実施されることを特徴とする。
前記変換された電圧に直列に接続された少なくとも1対の平滑誘導コイルを使用して前記整流された電流を平滑化するステップであって、前記第2の電圧が前記電力ダイオード間のノードと、1対の前記平滑誘導コイル間の前記ノードとから引き出されるステップと、
前記制御電圧を第2の電流の前記少なくとも一部分の関数として決定するステップとからも構成され、
前記制御電圧が、単相の場合には、前記電力ダイオードに接続された端子と反対側の前記可飽和誘導コイルの端子それぞれと、第2の電圧と前記制御電圧によって共有された基準点との間で取得された2つの電圧がフィルタリングされた平均値から引き出された、または多相の場合には、すべての相におけるこれらの電圧がフィルタリングされた平均値の組から引き出された、前記第2の電流に相当する仮想電流の関数として決定され、本発明による方法はさらに、
前記制御電圧をVc/k-Vsという形式の前記第2の電流に相当する仮想電流により決定するステップであって、Vcが前記第3の電圧、kが1と3の間に存在する定数、Vsが前記第2の電圧であるステップと、
前記制御電圧を、前記第2の電圧の正電位を基準として参照するステップと、
前記制御電圧を、前記第2の電圧の負電位を基準として参照するステップとから構成される。
当業者が「対象ポストレギュレータ」とも称するAC-DC変換ユニットUCaに接続される。この変換ユニットUCaは、単一の巻線で形成された一次巻線3aおよび二次巻線3bを備えたトランス3を含む。この例では、二次巻線3bの巻数nsと一次巻線3aの巻数npの比は、ns/np=2/1とすることができる。
a)は、特に可飽和誘導コイルLsat1に関する、時間の関数として表わされる曲線の図であり、
b)は、特に可飽和誘導コイルLsat2に関する、時間の関数として表わされる曲線の図であり、
c)は、可飽和誘導コイルLsat1の、その端子のところで電流がIsat1、電圧がVsat1である図であり、
d)は、変換ユニットUCaの動作期間の4つの位相1〜4の間にわたる、時間の関数として表わされる電流Isat1の状態であり、
e)は、図5の様々な関係要素が矢印で指し示されている、図3の図を思い出させるものであり、
f)は、可飽和誘導コイルLsat1の理論的ヒステリシス図であり、動作サイクルの4つの位相1〜4の間にわたる、電流Isat1の関数として表わされる可飽和誘導コイルLsat1の磁束Fluxsat1の時間経過に伴う変化を示す。図6は、本発明で使用可能な可飽和誘導コイルに関するこのようなヒステリシス図の実例を示すことに注意されたい。
δ 入力電圧Veと出力電圧Vsの間の、180°に対する角度比として表された位相シフト
Ve トランス3の二次巻線3bから供給される電圧
Vs 端子7+と7-における出力電圧
Vc 調整器10からの制御電圧
結果として、
Vs=Ve/2では、Vc=Vs=Ve/2で位相シフト=0
Vs=0では、Vc=0で位相シフト=90°
Vs≒k×Vc
ここでkは約10/17である。
kはやはり、現実の挙動、特にダイオードの静電容量の実際の挙動を考慮に入れた定数であり、kは実際には、既に上で示したように、所与のタイプのダイオードで1.7とすることができる。
2 インバータ
3 変換器
3a 一次巻線
3b 二次巻線
4 ノード
5 ノード
6 ノード
7+ 正出力端子
7- 負出力端子
8 ノード
9 制御出力端
9IS 入力端
10 調整器
10a 調整ブロック
10b 調整ブロック
11 ノード
12 コンデンサ
13 コンデンサ
Claims (26)
- 第1のそれぞれの値を有する第1の直流電圧(Vce)および第1の直流電流(Ice)を送出するエネルギー源(1)から得られた電気を、第2のそれぞれの値を有する第2の直流電圧(Vs)および第2の直流電流(Is)の出力の電気に変換する方法であって、
a)第1の直流電流(Ice)を、インバータ(2)を用いるインバータ工程(2)に印加して、単相または多相である、第3の電圧(Ve)の第3の交流電流(Ie)を形成するステップと、
b)前記インバータ(2)に接続された一次巻線(3a)と、直列整流回路に両端が接続された二次巻線(3b)とを備えるトランス(3)を用いる変換工程(3)により前記第3の電圧(Ve)の値、またはその各位相の値を変化させて、前記トランス(3)の前記二次巻線(3b)において少なくとも1つの変換された電圧を得る一方で、同時に、前記トランス(3)の前記二次巻線(3b)における前記変換された電圧の電流が、第1の可飽和誘導コイル(Lsat1)および第2の可飽和誘導コイル(Lsat2)を使用して磁気スイッチングされながら、少なくとも1つの変換ユニットで整流されるステップとから構成され、
c)前記直列整流回路が、前記第1の可飽和誘導コイル(Lsat1)、互いに逆向きに接続した第1および第2の電力ダイオード(D1、D2)、および前記第2の可飽和誘導コイル(Lsat2)で構成され、前記互いに逆向きに接続した2つの電力ダイオード(D1、D2)が、整流方向が前記2つの電力ダイオード(D1、D2)とは向きを逆にして互いに逆向きに接続した2つの調整ダイオード(d1、d2)によって分路され、
d)前記直列整流回路が、前記トランス(3)の前記二次巻線(3b)における前記変換された電圧を受け取るように、また前記電気を前記第2の直流電流(Is)の少なくとも一部として送出するように接続され、前記方法がさらに、
e)前記トランス(3)の前記二次巻線(3b)における前記変換された電圧の各サイクルの間中、前記第2の直流電圧(Vs)の変動の関数として生成された制御電圧(Vc)を前記互いに逆向きに接続した調整ダイオード(d1、d2)を介して注入することによって、前記磁気スイッチングの瞬間を調整するステップ(10)と、
f)前記サイクルのそれぞれの第1の部分に対し、前記第1の可飽和誘導コイル(Lsat1)の飽和効果のもとで、前記第1の電力ダイオード(D1)の導通を制御するステップと、関係したサイクルそれぞれの第2の部分に対し、前記第2の可飽和誘導コイル(Lsat2)の飽和効果のもとで、前記第2の電力ダイオード(D2)の導通を制御するステップとから構成され、飽和の瞬間が、そのサイクルの期間において前記制御電圧(Vc)の関数として決定され、
前記方法が、
g)前記サイクルの前記第1の部分の間中、前記第1の電力ダイオード(D1)を導通させることによって前記第2の電力ダイオード(D2)が導通することを阻止し、考察した前記サイクルの前記第2の部分の間中、前記第2の電力ダイオード(D2)を導通させることによって前記第1の電力ダイオード(D1)が導通することを阻止して、前記第3の電圧(Ve)と前記第3の電流(Ie)の間、またはその各相の電圧と電流の間の位相シフト(δ)を生じさせるステップからも構成され、前記位相シフト角が前記制御電圧(Vc)によって決まること、ならびに、前記方法のステップb)、e)、f)およびg)が、単相の場合に実施されること、または多相の場合に前記第3の電圧(Ve)の各相に対して実施されることを特徴とする、方法。 - 前記トランス(3)の前記二次巻線(3b)から前記変換された電圧を受け取るように直列に接続された少なくとも1対の平滑誘導コイル(Lliss1、Lliss2)を使用して前記整流された電流を平滑化するステップからも構成され、前記第2の直流電圧(Vs)が前記互いに逆向きに接続した電力ダイオード(D1、D2)の間のノードと、1対の前記平滑誘導コイル(Lliss1、Lliss2)間の前記ノード(11)とから引き出されることを特徴とする、請求項1に記載の変換方法。
- 前記制御電圧(Vc)を前記第2の直流電流(Is)の前記少なくとも一部分の関数として決定するステップからも構成されることを特徴とする、請求項1および2のいずれか一項に記載の変換方法。
- 前記制御電圧(Vc)が、単相の場合には、前記可飽和誘導コイル(Lsat1、Lsat2)の前記電力ダイオード(D1およびD2)に接続された端子と反対側の端子(4、5)それぞれと、前記第2の直流電圧(Vs)と前記制御電圧(Vc)とで共有する基準点(7-)との間で取得された2つの電圧のフィルタリングされた平均値から取得される、または多相の場合には、すべての相におけるこれらの電圧のフィルタリングされた平均値の組から取得される、前記第2の直流電流(Is)の仮想電圧の関数として決定されることを特徴とする、請求項3に記載の変換方法。
- 前記制御電圧(Vc)の決定が、Vc/k-Vsという形式の前記第2の直流電流(Is)の仮想電圧により行われ、Vcが前記制御電圧であり、kが1と3の間に存在する定数であり、Vsが第2の直流電圧であることを特徴とする、請求項3に記載の変換方法。
- 前記制御電圧(Vc)が、前記第2の直流電圧(Vs)の正電位を基準として参照されることを特徴とする、請求項1から5のいずれか一項に記載の変換方法。
- 前記制御電圧(Vc)が、前記第2の直流電圧(Vs)の負電位を基準として参照されることを特徴とする、請求項1から5のいずれか一項に記載の変換方法。
- インバータ(2)、変換ユニット(UCa)および調整器(10)を含むことを特徴とする、請求項2から7のいずれか一項に記載の方法を実施するDC-DCコンバータであって、前記変換ユニット(UCa)が、前記インバータ(2)に接続された一次巻線(3a)と、第1の可飽和誘導コイル(Lsat1)、互いに逆向きに接続した2つの電力ダイオード(D1、D2)、および第2の可飽和誘導コイル(Lsat2)で構成された直列整流回路に両端が接続された二次巻線(3b)とを備えるトランス(3)を含み、前記2つの電力ダイオード(D1、D2)が、整流方向が前記2つの電力ダイオード(D1、D2)とは向きを逆にして互いに逆向きに接続した2つの調整ダイオード(d1、d2)によって分路され、前記変換ユニット(UCa)がまた、2つの平滑誘導コイル(Llis1、Llis2)から形成され前記トランス(3)の前記二次巻線(3b)に並列に接続された第2の直列整流回路を含み、前記第2の直流電圧(Vs)が、前記電力ダイオード(D1、D2)の共有ノード(6)と、前記平滑誘導コイル(Llis1、Llis2)の共有ノード(11)との間で取得され、前記調整器(10)で生成された前記制御電圧(Vc)が、前記調整ダイオード(d1、d2)の共有ノード(8)と、前記平滑誘導コイル(Llis1、Llis2)の共有ノード(11)との間に印加される、DC-DCコンバータ。
- インバータ(2)、変換ユニット(UCb)および調整器(10)を含むことを特徴とする、請求項1に従属する請求項3、6、および7のいずれか一項、または請求項3および1に従属する請求項4、または請求項3および1に従属する請求項5に記載の方法を実施するDC-DCコンバータであって、前記変換ユニット(UCb)が、前記インバータ(2)に接続された一次巻線(41)と、第1の可飽和誘導コイル(Lsat1)、互いに逆向きに接続した2つの電力ダイオード(D1、D2)、および第2の可飽和誘導コイル(Lsat2)で構成された第1の直列整流回路に端部(43a、44a)が接続された二次巻線(43、44)とを備えるトランス(40)を含み、前記2つの電力ダイオード(D1、D2)が、整流方向が前記2つの電力ダイオード(D1、D2)とは向きを逆にして互いに逆向きに接続した2つの調整ダイオード(d1、d2)によって分路され、前記トランスの二次巻線が2つの半巻線(43、44)で構成され、これら2つの半巻線(43、44)が、その間に弱い磁気結合(M)を有し、かつそれぞれが前記トランス(40)の前記一次巻線(41)の半分と結合され(M1、M2)、その見返りとして、前記半巻線がそれぞれ、前記変換のための半二次巻線としても、平滑誘導コイル(Lalis1、Lalis2)としても機能し、前記第2の直流電圧(Vs)が、前記電力ダイオード(D1、D2)の前記共有ノード(6)と、前記トランス(40)の前記半巻線(43、44)の共有ノード(42)との間で取得され、前記調整器(10)で生成された前記制御電圧(Vc)が、前記調整ダイオード(d1、d2)の前記共有ノード(8)と、前記電力ダイオード(D1、D2)間の前記共有ノード(6)との間に印加される、DC-DCコンバータ。
- インバータ(2)、変換ユニット(UCc)および調整器(10)を含むことを特徴とする、請求項1に従属する請求項3、6、および7のいずれか一項、または請求項3および1に従属する請求項4、または請求項3および1に従属する請求項5に記載の方法を実施するDC-DCコンバータであって、前記変換ユニット(UCc)が、前記インバータ(2)に接続され、直列接続の2つの一次半巻線(46a、46b)で構成された一次巻線(46)と、直列接続の2つの半巻線(47a、47b)で構成された二次巻線(47)とを備えるトランス(45)を含み、前記一次巻線の前記半巻線(46a、46b)がそれぞれ、前記二次巻線の前記半巻線(47a、47b)と共に、互いに密に結合(csa、csb)された一次半巻線と二次半巻線でそれぞれ構成された対を形成し、前記一次巻線(46)が前記インバータ(2)に接続され、前記二次巻線(47)が、第1の可飽和誘導コイル(Lsat1)、互いに逆向きに接続した2つの電力ダイオード(D1、D2)、および第2の可飽和誘導コイル(Lsat2)で構成された直列整流回路に接続され、前記2つの電力ダイオード(D1、D2)が、整流方向が前記2つの電力ダイオード(D1、D2)とは向きを逆にして互いに逆向きに接続した2つの調整ダイオード(d1、d2)によって分路され、前記DC-DCコンバータがまた、前記二次半巻線の共有ノード(47c)と、前記第2の直流電圧(Vs)の負電位をもたらす前記変換ユニット(UCc)の負の出力端子(7-)との間に接続された単一の平滑誘導コイル(48)を含み、前記第2の直流電圧(Vs)の正電位をもたらす前記変換ユニットの正の出力端子(7+)が、前記電力ダイオード(D1、D2)の共有ノード(6)に接続され、前記調整器(10)で生成された前記制御電圧(Vc)が、前記調整ダイオード(d1、d2)の共有ノード(8)と、前記第2の直流電圧(Vs)の前記負電位を与える前記変換ユニット(UCc)の前記負の出力端子(7-)との間に印加される、DC-DCコンバータ。
- 前記平滑誘導コイル(Lliss1、Lliss2)が、そのそれぞれの巻線(49a、49b)が巻き付けられた共有磁気回路(49c)を含み、前記共有磁気回路が、前記2つの平滑誘導コイル(Lliss1、Lliss2)に共通して付随するエアギャップ(49f)を有し、前記巻線(49a、49b)が、前記共有磁気回路(49c)だけを介して確保された互いとの疎結合を有し、前記2つの巻線(49a、49b)の巻方向が、これら巻線により前記共有磁気回路(49c)中に作り出される、かつ直流成分による磁束が前記エアギャップ(49f)を同じ方向に通過するようなものであることを特徴とする、請求項8に記載のDC-DCコンバータ。
- 前記トランス(40)の一次巻線(41)が、2つの個別基本磁気回路(51〜52)に巻き付けられて、直列に接続された前記2つの一次半巻線(41)を形成し、これら半巻線のそれぞれが、基本磁気回路(51〜52)上で、前記トランス(40)の二次巻線のそれぞれの半巻線(43〜44)との密結合(M1、M2)を有することを特徴とする、請求項9に記載のDC-DCコンバータ。
- 前記基本磁気回路(51〜52)のそれぞれがCの形に作られ、それによってエアギャップ(51a〜52a)を形成し、あるいはトロイドの形状に作られることを特徴とする、請求項12に記載のDC-DCコンバータ。
- 前記平滑誘導コイル(Lalis1、Lalis2)の前記巻線(43、44)がまた、前記トランス(40)の二次巻線を構成すること、ならびに、これらの巻線(43、44)のそれぞれが前記共有磁気回路(49c)上で密に、前記トランス(40)の巻線の半分(41b)と共に巻き付けられ、前記2つの半巻線が前記トランスの一次巻線を形成することを特徴とする、請求項11に記載のDC-DCコンバータ。
- 前記トランス(45)が、半巻線の2つの個別組(46a、47a; 46b、47b)が巻き付けられている磁気回路(53、60)を含み、これらの組が前記磁気回路(53、60)上の別々の場所に配置され、それぞれが一次半巻線(46a、46b)および二次半巻線(47a、47b)で構成され、各組の半巻線が密結合で巻き付けられることを特徴とする、請求項10に記載のDC-DCコンバータ。
- 前記共有磁気回路がリング形であることを特徴とする、請求項11、14および15のいずれか一項に記載のDC-DCコンバータ。
- 前記単一の誘導コイル(48)がリング形の磁気回路(61)を含むことを特徴とする、請求項10に記載のDC-DCコンバータ。
- 請求項8から17のいずれか一項に記載の複数のDC-DCコンバータ(70a〜70n)を含み、前記インバータ(2)を前記DC-DCコンバータ(70a〜70n)のすべてで共有することを特徴とする、配電設備。
- 請求項1から7のいずれか一項に記載の方法を実施するように設計された配電設備であって、多相インバータ(2a)と、少なくとも3つのユニットからなる少なくとも1つの群(74)として区分された複数の変換ユニット(75a、75b、75c)と、各群と結びつけられた、前記調整するステップを行う調整器(10)とを含むこと、ユニットの一群(74)の各変換ユニットが、前記第3の電圧(Ve)の前記変換工程を行うためのトランスを含み、前記ユニットの一群(74)のトランスが多ラインケーブル(73a〜73n)を用いて前記インバータ(2a)に接続されていること、前記調整器(10)が同じ前記制御電圧(Vc)を一群(74)の前記ユニットに印加すること、ならびに、変換ユニットの一群(74)において、変換ユニットの各出口が、その群の2つの出力端子(76a、76b)に変換ユニットの個々の出力電流の合計を第2の直流電流(Is)として供給するために、並列に接続されていることを特徴とする、配電設備。
- 変換ユニット(75a、75b、75c)の前記群(74)のそれぞれにおいて、変換ユニットを前記インバータ(2a)に三角形または星形に接続できることを特徴とする、請求項19に記載の配電設備。
- 請求項1から7のいずれか一項に記載の方法を実施するように設計された配電設備であって、多相インバータと、少なくとも3つのユニットからなる少なくとも1つの群(80; 100; 110)として区分された複数の変換ユニット(81a、81b、81c; 102a、102b、102c; 110a、110b、110c)と、各群と結びつけられた、前記調整するステップを行う調整器(10)とを含むこと、前記第3の電圧(Ve)の前記変換工程を行うために、ユニットの1つの群(80; 100; 110)の変換ユニット(81a、81b、81c; 102a、102b、102c; 110a、110b、110c)が、多相一次巻線を伴う共有トランス(82; 104; 111)と結びつけられ、かつ前記群内にある変換ユニット(81a、81b、81c; 102a、102b、102c; 110a、110b、110c)と同数の二次巻線を有し、このトランス(82; 104; 111)が多ラインケーブルを用いて前記インバータ(2a)に接続されること、前記調整器(10)が、同じ前記制御電圧(Vc)を一群(80; 100; 110)の前記ユニットに印加すること、ならびに、変換ユニット(81a、81b、81c; 102a、102b、102c; 110a、110b、110c)の一群において、変換ユニットの各出力端が、その群の2つの出力端子(83a、83b; 105a、105b; 113a、113b)に変換ユニットの個々の出力電流の合計を第2の直流電流(Is)として供給するために、並列に接続されていることを特徴とする、配電設備。
- 請求項2から7のいずれか一項に記載の方法を実施することを目的とする場合に、請求項21に記載の配電設備であって、変換ユニットの同じ群(102)の変換ユニット(102a、102b、102c)に属する平滑誘導コイルを、そのそれぞれの巻線(96a〜96f)が巻き付けられる共有磁気回路(90)上に一緒にまとめることができ、この共有磁気回路(90)が単一のエアギャップ(95)を有し、これらの巻線の互いの結合が、前記共有磁気回路(90)だけを介して確保され、前記巻線の巻方向が、これらの巻線を流れる直流成分による磁束が前記エアギャップ(95)を同じ方向に通過するようになるものであることを特徴とする、配電設備。
- 請求項22に記載の配電設備であって、変換ユニット(110a、110b、110c)の各群(110)において、前記共有磁気回路(90)上に一緒にまとめられた前記平滑誘導コイルがそれぞれまた、前記単一のトランス(111)の二次巻線(111a〜111f)として機能することもでき、前記一次巻線(114a〜114f)がそれぞれ2つの半巻線に分割され、それぞれが前記二次巻線のうちの1つに結合され、また2つの半巻線が接続された変換ユニット(110a、110b、110c)の平滑誘導コイルとしても機能することを特徴とする、配電設備。
- 配電設備であって、1ユニット当たり1つの割合で複数の二次巻線(123a、123b、123c; 133a、133b、133c)を含む共有トランス(122; 132)から電力供給される複数の変換ユニット(124a、124b、124c; 134a、134b、134c)を用いて構築された、請求項8から17のいずれか一項に記載の少なくとも1つのDC-DCコンバータを含むことを特徴とする、配電設備。
- 前記変換ユニット(124a、124b、124c)のそれぞれが、それ自体の調整器(125a、125b、125c)を備える、請求項24に記載の配電設備。
- 配電設備であって、
複数の変換ユニット(134a、134b、134c)を用いて構築された、請求項8から17のいずれか一項に記載の少なくとも1つのDC-DCコンバータを含み、変換ユニット(134a、134b、134c)が、共有トランス(132)によって電力供給される変換ユニットの少なくとも1つの群として構成され、共有変換器(132)が、その一次巻線(131)によって前記インバータ(130)に接続され、一群内にある変換ユニットと同数の二次巻線(133a、133b、133c)を含むこと、
一群の前記変換ユニットの1つ(134a)が、位相シフト手段がない単相全波整流器によって形成されたパイロット変換ユニットであること、
前記インバータ(130)が調整可能であること、
前記配電設備が、基準電圧信号(Vrefa)と、前記パイロット変換ユニット(134a)の出力電圧(Vsa)によって決まる信号との差の関連において、前記インバータ(130)を調整するように働く調整ループ(136)を含むこと、ならびに、
一群の他の変換ユニット(134b〜134c)が、それ自体の調整器(135b〜135c)を備えることを特徴とする、配電設備。
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