JP5897831B2 - 直列共振型コンバータおよび直列共振型コンバータシステム - Google Patents

Description

本発明は、海底光伝送システムの給電装置などに用いられる直列共振型コンバータおよび複数の直列共振型コンバータを接続した直列共振型コンバータシステムに関する。

海底光伝送システムの給電装置は、高電圧定電流で陸上端局より直列接続された海底光中継器に電力を供給する。海底光伝送システムの給電装置は、伝送ルート、給電ルートの切り替えや海底光ケーブルの障害探索などにも使用されるため、低電流領域でも安定した電力の供給が求められる。そのためには、高品位な定電流コンバータが必要である。

海底光伝送システムの給電装置に適した高品位な定電流コンバータの条件として、高効率であること、雑音および騒音が少ないことが挙げられる。とくに、給電装置が自然空冷の場合、高効率であることは重要である。このような条件を満足するコンバータに共振型コンバータがある。共振型コンバータには直列共振型コンバータ（たとえば、特許文献１参照）と並列共振型コンバータがあるが、前者のほうが後者より出力電圧の変化に対して出力電流の変化が小さいため、給電装置用のコンバータに適している。

特開２００４−８８９５２号公報

海底光伝送システムの給電装置のように高電圧を出力する電源装置では、出力電圧を監視する際、人体に危険が及ぶ可能性がある。また、過電圧を検出するための検出回路に、高耐圧な部品を使用する必要があるため高コストになるという問題もある。

そこで、出力トランスの一次側から電圧を取得し、その電圧を降圧トランス（後述する電圧検出トランスに対応）に通した後、電圧検出を行う方法が考えられる。ただし、この方法では出力トランスのリーケージインダクタンスにより電圧の検出精度が低下してしまう。

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、直列共振型コンバータから出力される電圧を高精度に検出する技術を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の直列共振型コンバータは、一次側に入力される入力電圧を昇圧して、二次側から出力電圧を出力する出力トランスと、出力トランスの一次側に接続される共振コイルと、出力トランスの一次側に入力される入力電圧を降圧して、二次側から検出用の電圧を出力する電圧検出トランスと、一次側が共振コイルの両端に接続され、二次側が電圧検出トランスの二次側に接続されるトランスであって、検出用の電圧に含まれる、出力トランスの一次側に発生するリーケージインダクタンスによる歪成分を打ち消すための補正トランスと、を備える。さらに、出力トランスの二次巻線に接続された第１整流回路と、電圧検出トランスの二次巻線に接続された第２整流回路とを備えてもよい。

この態様によると、出力トランスの一次側に発生するリーケージインダクタンスを打ち消すことができ、出力電圧の検出精度を高めることができる。

補正トランスは、一次巻線と二次巻線が逆極性に設計され、一次巻線と二次巻線の巻数比が歪成分の振幅と、当該補正トランスの二次巻線に発生する当該歪成分に対する反位相成分の振幅とが対応するよう設計されてもよい。また、補正トランスの一次巻線に共振コイルが使用されてもよい。

本発明の別の態様は、直列共振型コンバータシステムである。この直列共振型コンバータシステムは、上述した直列共振型コンバータが複数設けられる直列共振型コンバータシステムであって、複数の直列共振型コンバータの複数の第１整流回路の出力が直列に接続されて、それぞれの直列共振型コンバータの出力電圧が合計され、複数の直列共振型コンバータの複数の第２整流回路の出力が直列に接続されて、それぞれの直列共振型コンバータの検出用の電圧が合計される。さらに、合計された検出用の電圧と、それぞれの直列共振型コンバータの検出用の電圧を検出する電圧検出回路を備えてもよい。

本発明によれば、直列共振型コンバータから出力される電圧を高精度に検出できる。

比較例に係る直列共振型コンバータの構成を示す図である。 実施の形態１に係る直列共振型コンバータの構成を示す図である。 図３（ａ）〜（ｅ）は、実施の形態１に係る直列共振型コンバータの動作例を示すタイミングチャートを示す図である。 実施の形態２に係る直列共振型コンバータの構成を示す図である。 実施の形態３に係る直列共振型コンバータシステムの構成を示す図である。 実施の形態４に係る直列共振型コンバータシステムの構成を示す図である。

図１は、比較例に係る直列共振型コンバータ１００の構成を示す図である。直列共振型コンバータ１００は、共振コイルＬ１、出力トランスＴ１、第１整流回路、電圧検出トランスＴ２および第２整流回路を備える。電圧検出回路１０は、図１では外付けされる形態で描いているが、直列共振型コンバータ１００と一体的に構成されてもよい。

直列共振型コンバータ１００には、図示しないスイッチング電源（たとえば、プッシュプル回路、フルブリッジ回路など）により生成された交流電圧が印加される。共振コイルＬ１は、出力トランスＴ１の一次側に接続される。出力トランスＴ１は、一次側に入力される入力電圧を昇圧して、二次側から出力電圧を出力する。出力トランスＴ１の一次巻線と二次巻線との巻数比を小さくするほど昇圧率を高くできる。より具体的には、一次巻線の巻数を小さくし、および／または二次巻線の巻数を大きくするほど昇圧率を高くできる。

図１に示す直列共振型コンバータ１００では、上記スイッチング電源により共振コイルＬ１の共振周波数と実質的に等しい駆動パルスでオン／オフ制御されることにより、出力トランスＴ１の一次側に共振電流が流れ、二次側に安定化した出力が得られる。

第１整流回路は出力トランスＴ１の二次巻線に接続され、出力トランスＴ１の二次側の電圧を整流する。図１では第１整流回路はダイオードブリッジ回路で構成される例を描いている。当該ダイオードブリッジ回路は、第１ダイオードＤ１、第２ダイオードＤ２、第３ダイオードＤ３および第４ダイオードＤ４を含む。

より具体的には、出力トランスＴ１の二次巻線のプラス端子に、第１ダイオードＤ１のアノード端子および第３ダイオードＤ３のカソード端子が接続され、出力トランスＴ１の二次巻線のマイナス端子に、第２ダイオードＤ２のアノード端子および第４ダイオードＤ４のカソード端子が接続される。直列共振型コンバータ１００のプラス出力端子に、第１ダイオードＤ１のカソード端子および第２ダイオードＤ２のカソード端子が接続され、直列共振型コンバータ１００のマイナス出力端子に、第３ダイオードＤ３のアノード端子および第４ダイオードＤ４のアノード端子が接続される。なお、図示しないが第１整流回路の後段には一般に、平滑化容量が接続される。

電圧検出トランスＴ２の一次巻線の両端はそれぞれ、出力トランスＴ１の一次巻線の両端に接続される。電圧検出トランスＴ２は、出力トランスＴ１の一次側に入力される入力電圧を降圧して、二次側から検出用の電圧を出力する。電圧検出トランスＴ２の一次巻線と二次巻線との巻数比を大きくするほど降圧率を高くできる。より具体的には、一次巻線の巻数を大きくし、および／または二次巻線の巻数を小さくするほど降圧率を高くできる。

第２整流回路は電圧検出トランスＴ２の二次巻線に接続され、電圧検出トランスＴ２の二次側の電圧を整流する。図１では第２整流回路はダイオードブリッジ回路で構成される例を描いている。当該ダイオードブリッジ回路は、第５ダイオードＤ５、第６ダイオードＤ６、第７ダイオードＤ７および第８ダイオードＤ８を含む。第５ダイオードＤ５、第６ダイオードＤ６、第７ダイオードＤ７および第８ダイオードＤ８の接続関係は、第１ダイオードＤ１、第２ダイオードＤ２、第３ダイオードＤ３および第４ダイオードＤ４の接続関係と同様である。なお、図示しないが第２整流回路の後段には一般に、平滑化容量が接続される。

電圧検出回路１０は、第２整流回路により整流された検出用の電圧から、出力トランスＴ１での昇圧および電圧検出トランスＴ２での降圧を参酌して、直列共振型コンバータ１００の出力電圧を測定する。この電圧が、設定された上限電圧または下限電圧を超えるときアラームを鳴らすなどにより、過電圧検出または低電圧検出を外部に通知する。

図１に示す比較例では、電圧検出回路１０が直列共振型コンバータ１００の出力電圧を検出する際、出力トランスＴ１のリーケージインダクタンスＬ２の影響を受ける。

図２は、実施の形態１に係る直列共振型コンバータ１００の構成を示す図である。実施の形態１に係る直列共振型コンバータ１００は、比較例に係る直列共振型コンバータ１００に、補正トランスＴ３が追加された構成である。補正トランスＴ３は、一次側が共振コイルＬ１の両端に接続され、二次側が電圧検出トランスＴ２の二次側に接続される。より具体的には、補正トランスＴ３の一次巻線の両端は、それぞれ共振コイルＬ１の両端に接続される。補正トランスＴ３の二次巻線のマイナス端子は電圧検出トランスＴ２の二次巻線のマイナス端子に接続され、電圧検出トランスＴ２の二次側で合成巻線を形成する。

補正トランスＴ３は、上述の検出用の電圧に含まれる、出力トランスＴ１の一次側に発生するリーケージインダクタンスＬ２による歪成分を打ち消すためのトランスである。補正トランスＴ３の一次巻線と二次巻線は逆極性に設計される。したがって、電圧検出トランスＴ２の二次巻線に流れる電流から補正トランスＴ３の二次巻線に流れる電流が減算されることになる。また、補正トランスＴ３の一次巻線と二次巻線との巻数比が上記歪成分の振幅と、補正トランスＴ３の二次巻線に発生する、当該歪成分に対して反位相の打消成分の振幅とが実質的に同一になるよう設計される。

図３（ａ）〜（ｅ）は、実施の形態１に係る直列共振型コンバータ１００の動作例を示すタイミングチャートを示す図である。電圧検出トランスＴ２は、出力トランスＴ１の一次側の電圧（ａ）を取得して、出力トランスＴ１の二次側の電圧（ｂ）を測定する。その際、電圧検出トランスＴ２の二次側に現れる電圧（ｃ）は、リーケージインダクタンスＬ２により波形が歪む。この歪は出力電圧が低くなるほど影響が大きくなる。そこで、共振コイルＬ１に現れる電圧（ｄ）を、電圧検出トランスＴ２の二次側に現れる電圧から減算することにより、リーケージインダクタンスＬ２の影響を打ち消すことができる。これにより、出力トランスＴ１の二次側の波形と同様の波形を得ることができる（ｅ）。

以上説明したように実施の形態１によれば、直列共振型コンバータから出力される電圧を高精度に検出できる。すなわち、出力トランスＴ１の一次側に接続されている共振コイルＬ１のインダクタンスを利用して、出力トランスＴ１のリーケージインダクタンスＬ２を打ち消すことにより検出精度を改善できる。リーケージインダクタンスＬ２を打ち消すことにより、過電圧検出、低電圧検出をより正確に行うことができる。また、既存の共振コイルＬ１を利用するため、補正トランスＴ３以外の新たな部品を追加する必要がなく、コスト増を抑制できる。

また、出力トランスＴ１で昇圧される前の電圧を取得し、さらに電圧検出トランスＴ２で降圧することにより、検出用の電圧を下げることができ、第２整流回路および電圧検出回路１０に使用される部品の耐圧を下げることができ、低コスト化を図ることができる。また、電圧検出トランスＴ２で絶縁しつつ降圧するため、１０００Ｖ以上の高電圧を検出する場合の安全性を高めることもできる。

図４は、実施の形態２に係る直列共振型コンバータ１００の構成を示す図である。実施の形態２に係る直列共振型コンバータ１００は、実施の形態１に係る直列共振型コンバータ１００と比較し、補正トランスＴ３の一次巻線に共振コイルＬ１を使用する。実施の形態１と同様に、補正トランスＴ３の一次巻線となる共振コイルＬ１と二次巻線Ｌ３とは逆極性に設計される。また、補正トランスＴ３の一次巻線となる共振コイルＬ１と二次巻線Ｌ３との巻数比が上記歪成分の振幅と、補正トランスＴ３の二次巻線に発生する、当該歪成分に対して反位相の打消成分の振幅とが実質的に同一になるよう設計される。実施の形態２でも実施の形態１と同様の効果を奏する。

図５は、実施の形態３に係る直列共振型コンバータシステム５００の構成を示す図である。実施の形態３に係る直列共振型コンバータシステム５００は、実施の形態１に係る直列共振型コンバータ１００が複数設けられるものである。図５では三つの直列共振型コンバータ１００の出力電圧を合計する構成を示しているが、直列共振型コンバータ１００の数は三つに限るものではなく、二つであってもよいし、四つ以上であってもよい。

三つの直列共振型コンバータの三つの第１整流回路の出力が直列に接続されて、それぞれの直列共振型コンバータの出力電圧が合計される。また、三つの直列共振型コンバータの三つの第２整流回路の出力が直列に接続されて、それぞれの直列共振型コンバータの検出用の電圧が合計される。電圧検出回路１０は、合計された検出用の電圧を検出する。これにより、三つの直列共振型コンバータの出力電圧の合計を測定できる。なお、この出力電圧の合計は１００００Ｖ以上になる場合もあり、電圧検出トランスＴ２で絶縁しつつ降圧する手法は非常に有効である。

図６は、実施の形態４に係る直列共振型コンバータシステム５００の構成を示す図である。実施の形態４では、電圧検出回路１０は、上述の合計された検出用の電圧を検出するとともに、それぞれの直列共振型コンバータの検出用の電圧を検出する。図６では便宜上、二つの直列共振型コンバータ１００しか描いていないが、三つ以上であってもよいことはいうまでもない。また、ユニットｂの直列共振型コンバータ単体の検出用の電圧を検出する構成しか描いていないが、ユニットａの直列共振型コンバータ単体の検出用の電圧も検出する。実施の形態４では直列共振型コンバータシステム５００全体の出力電圧と、直列共振型コンバータシステム５００を構成する個別の直列共振型コンバータの出力電圧を監視することができ、より安全にシステムを運用できる。

以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

１００ 直列共振型コンバータ、 Ｌ１ 共振コイル、 Ｌ２ リーケージインダクタンス、 Ｔ１ 出力トランス、 Ｔ２ 電圧検出トランス、 Ｔ３ 補正トランス、 １０ 電圧検出回路、 Ｌ３ 二次巻線、 ５００ 直列共振型コンバータシステム。

Claims (5)

1. 一次側に入力される入力電圧を昇圧して、二次側から出力電圧を出力する出力トランスと、
   前記出力トランスの一次側に接続される共振コイルと、
   前記出力トランスの一次側に入力される前記入力電圧を降圧して、二次側から検出用の電圧を出力する電圧検出トランスと、
   一次巻線が前記共振コイルの両端に接続され、二次巻線が前記電圧検出トランスの二次巻線と直列に接続されるトランスであって、前記検出用の電圧に含まれる、前記出力トランスの一次側に発生するリーケージインダクタンスによる歪成分を打ち消すための補正トランスと、
   を備えることを特徴とする直列共振型コンバータ。
2. 前記補正トランスは、
   一次巻線と二次巻線が逆極性に設計され、
   一次巻線と二次巻線の巻数比が前記歪成分の振幅と、当該補正トランスの二次巻線に発生する当該歪成分に対する反位相成分の振幅とが対応するよう設計されることを特徴とする請求項１に記載の直列共振型コンバータ。
3. 前記出力トランスの二次巻線に接続された第１整流回路と、
   前記電圧検出トランスの二次巻線に接続された第２整流回路と、
   をさらに備えることを特徴とする請求項１または２に記載の直列共振型コンバータ。
4. 請求項３に記載の直列共振型コンバータが複数設けられる直列共振型コンバータシステムであって、
   複数の直列共振型コンバータの複数の第１整流回路の出力が直列に接続されて、それぞれの直列共振型コンバータの出力電圧が合計され、
   複数の直列共振型コンバータの複数の第２整流回路の出力が直列に接続されて、それぞれの直列共振型コンバータの検出用の電圧が合計されることを特徴とする直列共振型コンバータシステム。
5. 前記合計された検出用の電圧と、それぞれの直列共振型コンバータの検出用の電圧を検出する電圧検出回路をさらに備えることを特徴とする請求項４に記載の直列共振型コンバータシステム。

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