JP6087628B2 - Ａｃ／ｄｃ変換回路 - Google Patents

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Description

本発明は、別々のＡＣ供給電圧に接続されることができる複数のフルブリッジ整流器を有するＡＣ／ＤＣ変換回路に関する。
ダイオードから構成される３つのブリッジ整流器であって、前記整流器の第１端子が、三相ＡＣ入力電圧の異なる位相に接続され、前記整流器の対応する第２端子が、互いに結合される３つのブリッジ整流器を有するＡＣ／ＤＣ変換回路が、US 2006/0083035 A1から知られている。３つの整流器回路の出力部は、３つの別々のＤＣ電圧源として用いられている。
本発明の目的は、この背景に基づき、異なるＡＣ電圧をＤＣ電圧に変換するための別の手段を提供することであり、ここで、この解決策は、一般的な三相ＡＣ入力電圧に対して高効率で動作することが望ましい。更に、高調波歪みが少なく、且つ力率が１になる電源電流を得るための手段を提供すること、及び／又はＡＣ電源からＤＣ電圧へと、ＤＣ電圧からＡＣ電源へとの両方のエネルギの流れのための手段を提供することが、望ましい。
この目的は、請求項１に記載のＡＣ／ＤＣ変換回路、及び請求項２に記載の方法によって達成される。好ましい実施例は、従属請求項において開示されている。
本発明の第１の態様によるＡＣ／ＤＣ変換回路は、多数N≧2個のＡＣ供給電圧をＤＣ電圧に変換するのに役立つ。前記ＡＣ／ＤＣ変換回路は、以下の構成要素を有する。
−前記ＡＣ／ＤＣ変換回路は、多数N個のフルブリッジ変換器であって、これらの変換器の各々が、前記ＡＣ供給電圧のうちの別々の１つとの接続のための第１端子、及び対応する第２端子を持ち、全ての変換器の前記第２端子が互いに結合される多数N個のフルブリッジ変換器を有する。参照の目的のため、前記フルブリッジ変換器は、以下では、それらが、外部から供給されるＡＣ電圧を処理することを示す「外部変換器」と呼ばれるだろう。当業者には知られているように、「フルブリッジ変換器」は、各々、第１及び対応する第２（ＡＣ入力）端子の間に２つの弁素子を有する２つの並列分岐内に接続される４つの電気弁素子（例えばトランジスタ）を有し、（前記弁が、適切に配向され、制御される場合に）前記分岐の中間点の間にＤＣ電圧が発生する。
−前記ＡＣ／ＤＣ変換回路は、多数N個の「中間変換器」であって、これらのN個の中間変換器の各々が、その一次側において、上記の外部変換器のうちの１つの（ＤＣ）出力を受け取る多数N個の中間変換器を有する。
−前記ＡＣ／ＤＣ変換回路は、多数N個の変圧器であって、前記N個の変圧器の各々が、その一次側において、上記の中間変換器のうちの１つの（ＡＣ）出力を受け取る多数N個の変圧器を有する。
−前記ＡＣ／ＤＣ変換回路は、多数N個の整流器であって、これらの整流器の各々が、上記の変圧器のうちの１つの二次側に接続される多数N個の整流器を有する。参照の目的のため、これらの整流器は、以下では、それらが、前記ＡＣ／ＤＣ変換回路の内部ＡＣ電圧を処理することを示す「内部整流器」と呼ばれるだろう。詳細には、前記内部整流器は、前記変圧器の前記一次側に時間変化電圧が印加されることによって前記変圧器の前記二次側に生成されるＡＣ電圧を受け取る。
第２の態様によれば、本発明は、多数N≧2個のＡＣ供給電圧をＤＣ電圧に変換するための方法であって、
−前記ＡＣ電圧を、N個のフルブリッジ「外部」変換器であって、前記N個のフルブリッジ「外部」変換器の対応する第２端子が互いに結合されるN個のフルブリッジ「外部」変換器の別々の第１端子に供給するステップと、
−前記外部変換器の出力を、N個の別々の「中間」変換器のＤＣ端子に供給するステップと、
−前記中間変換器のＡＣ端子を、N個の別々の変圧器の一次側に供給するステップと、
−上記の変圧器の出力を整流するステップとを有する方法に関する。
上記の方法は、特に、上記の種類のＡＣ／ＤＣ変換回路を用いて実行され得る。このＡＣ／ＤＣ変換回路と、前記方法との両方とも、それらは、異なるＡＣ供給電圧を処理することにより、別々の外部変換器、中間変換器、変圧器及び内部整流器で、並列に取り扱われる必要がある最大電圧を制限するという利点を持つ。更に、それらは、前記変圧器を適切に選択することによって、結果として生じるＤＣ電圧を所望のレベルに調整することを可能にする。
以下に、上記のＡＣ／ＤＣ変換回路及び方法の両方に関する、本発明の様々な好ましい実施例を記載する。
第１の好ましい実施例においては、処理される前記ＡＣ供給電圧が、位相シフト正弦波電圧、とりわけ、同じ周波数の正弦波電圧であり得る。
（外部変換器、中間変換器、変圧器及び内部整流器の個数Nに対応する）処理されるＡＣ電圧の個数Nは、とりわけ、3という値をとり得る。これは、上記の実施例との組み合わせにおいて、前記処理されるＡＣ電圧が、従来の三相ＡＣ送電網電圧である、即ち、それらが、互いに対して１２０°だけ位相シフトされている３つの正弦波電圧から成る、とりわけ重要な事例をカバーする。
一般に、前記外部／中間変換器及び／又は前記内部整流器内の前記電気弁素子は、処理されるべきＡＣ及び／又はＤＣ電圧によってもたらされる要件に対処するのに適している任意の素子であり得る。好ましい実施例においては、前記外部変換器、前記中間変換器及び／又は前記内部整流器は、電気弁素子としてのＭＯＳＦＥＴから構成される。ＭＯＳＦＥＴは、同じ目的のために用いられ得る他の電子部品と比較して少ない電気損失で動作する利点を持つ。本発明の特別な利点は、三相の380VのＡＣ電圧が処理される標準的な状況において、前記回路内に生じる電圧が400V未満に制限されることから、多くのアプリケーションにおいてＭＯＳＦＥＴの使用が可能になることである。更に、前記内部整流器のためにもＭＯＳＦＥＴを用いることによって、双方向の電力の流れが可能になる。
前記外部変換器の前記第２端子は、好ましくは、これらの電線における高周波信号を抑制するためにチョークコイルを介して互いに結合される。
各外部変換器の出力端子は、好ましくは、それらにおいて現れるＤＣ電圧を平滑化するためにコンデンサを介して互いに接続される。
更に、各外部変換器の出力端子は、中間変換器、例えば、ハーフブリッジ変換器のＤＣ端子に結合される。前記中間変換器のＡＣ端子は、コンデンサと、場合によりインダクタとから成る共振回路網によって、対応する前記変圧器に結合され得る。前記インダクタの機能は、前記変圧器の漏れインダクタンスによって、同様に実現されることができ、故に、共振回路を設けるのに必ずしもディスクリートのインダクタは必要とされない。
前記変圧器は、別個の構成要素として実現され得る。しかしながら、好ましい実施例においては、前記変圧器は、共通の三脚鉄心において構成される。この方法においては、コンパクトな設計と、電気的結合との両方が達成され得る。
前記変圧器の二次側に現れる（ＡＣ）電圧は、様々な方法で処理されることができる。好ましい実施例においては、 各変圧器の二次側は、第１端子と、第２端子であって、全ての変圧器の前記第２端子が、互いに結合される第２端子とを有する。その場合、前記変圧器の前記第１端子の電圧は、全て、供給基準点と関連付けられる。
上記の実施例の更なる発展例においては、前記内部整流器は、ハーフブリッジ整流器であり、それらの各々が、前記変圧器の前記二次側の前記第１端子のうちの１つに接続される。これらのハーフブリッジ整流器の２つの出力端子であって、前記２つの出力端子に高電位及び低電位のＤＣ出力電圧が現れる２つの出力端子は、（例えば、異なる負荷を動作させるために）例えば別々に用いられ得る。より好ましくは、全ての内部整流器の正の出力線は互いに結合され、全ての負の出力線は、並列配置で互いに結合される。
本発明のこれら及び他の態様を、下記の実施例に関して説明し、明らかにする。これらの実施例は、一例として、添付図面を用いて説明されている。
本発明によるＡＣ／ＤＣ変換回路を概略的に図示する。 このような変換回路の或る特定のレイアウトを図示する。
図における同様の参照符号は、同一又は同様の構成要素を指す。
建物のエネルギ効率を高める様々な方法が調査されている。或るあり得る解決策は、現在は低周波ＡＣ電圧に基づいている建物の配電幹線を、ＤＣ幹線と置き換えることである。理由は、今日では、照明を含むアプリケーションの大部分が、所謂電子負荷であり、これは、それらが、事実上ＤＣ電圧が供給される何らかの電子回路を含むことを意味するからである。
現在、送電網のＡＣ電圧の、ＤＣ電圧への変換は、各装置において、最小限の原価で、局所的に行われる必要があり、事実上、装置の実現可能なエネルギ効率を制限している。それ故、この機能を中心に集めること、従って、数多くの小さな装置におけるＡＣ／ＤＣ変換コストを節約しながら、ずっと効率的な解決策に全力を注ぐことが提案されている。同時に局所発電が考慮に入れられる場合、現在は、エネルギの流れは、典型的には、それが何らかの有用な機能に供給されるまでに、ＤＣ供給源（例えば、太陽光発電パネル）から始まり、或る量の損失を伴ってＡＣに変換され、次いで、再び損失を伴って再びＤＣに変換される。この場合には、２度、ＡＣ／ＤＣ変換損失が生じる。これは、ＤＣ配電網においてはショートカットされる。
それでも、局所発電が、利用可能ではない、若しくは十分には利用可能ではない状況のために、又は余剰局所容量を送電網に返すために、建物内のＤＣ配電網と公共ＡＣ送電網との間の接続は存続するだろう。当然、中央ＡＣ／ＤＣ変換器の平均効率が、少なくとも、以前の分散されたＡＣ／ＤＣ変換機能の効率と同じ高さであることは重要である。更に、これは、三相電源接続において、ずっと高い電力量（例えば100kW）に対して達成されなければならない。システムが１に近い力率を維持することも必要とされる。
ＤＣ配電システムの他の重要なパラメータは、ＤＣ電圧のレベル、及びその導体対接地の電圧である。配電を単純化する目的を達成するためには、アプリケーションの好ましいＤＣ電圧レベルに近づくＤＣシステムを持つことは有利であり、既存のアプリケーションにおける適合努力を最小限にする。今日では、これは、単相230VのＡＣ電源電圧の整流及び付加的な力率補正段の結果として、約400Vである実ＤＣ電圧は、あまり高くすべきではない。なぜなら、これは、より高いＤＣ電圧ではスイッチ及び回路遮断器が深刻化する問題を持つので、取り付け安全性の問題をもたらすだろうからである。
強いリップル対保護接地を持たない電圧を持つことも有利である。なぜなら、これは、ハム、絶縁及び保護システムの問題をもたらすからである。
上記の問題に取り組む場合、第１の問題は、従来のＡＣ／ＤＣ変換器、例えば、三相制御整流器は、信頼性が高い動作のためには、650Vの範囲内のＤＣバス電圧を必要とすることである。これは、望ましいものより高い。これは、変換器におけるＭＯＳＦＥＴの使用を除外する。なぜなら、これらは、これらの電圧レベルを全く効率的に扱うことができないからである。唯一の選択肢は、ＩＧＢＴ装置を用いることである。しかしながら、ＩＧＢＴの問題は、これらの装置が、2.5乃至3V程度の最小電圧降下を持つことである。これは、最大達成可能効率に制限を課す。第３の問題は、このようなシステムによって生成されるＤＣ電圧は、通常、保護接地から独立していないことである。なぜなら、公共送電網は、しばしば、既に、保護接地を基準としているからである。
上記の問題を解決するため、本発明は、三相ＡＣ／ＤＣ変換器と、高周波変圧器を備える三相共振ＤＣ／ＤＣ変換器の組み合わせを提案する。これにより、全ての半導体装置に対する最大電圧が、多くて400Vに制限されることができる。これは、効率のよいＭＯＳＦＥＴの使用を可能にする。更に、ＡＣ／ＤＣ変換器部分の特別なトポロジが、必須の磁性部品の設計要件を非常に（２分の１に）減らし、従って、より低いコスト及びより高い効率に寄与する。生成されるＤＣ電圧は、高周波変圧器のために、任意に選択されることができ、それは、保護接地から絶縁される。これは、基準電位の自由な選択を提供する。
図１は、本発明によるＡＣ／ＤＣ変換回路１００の一般的な構成を図示している。ＡＣ／ＤＣ変換回路１００は、以下の構成要素、即ち、
−多数N=3個のフルブリッジ「外部」変換器１１、１２及び１３であって、各変換器の第１端子ａ１、ａ２、ａ３が、ＡＣ供給電圧Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３のうちの別々の１つに接続されるフルブリッジ「外部」変換器１１、１２及び１３と、
−３つの関連「中間変換器」２１、２２及び２３並びに変圧器３１、３２及び３３であって、前記変圧器の一次側の端子ｅ１、ｅ１'、ｅ２、ｅ２'及びｅ３、ｅ３'が、前記中間変換器のＡＣ端子に接続され、前記変換器のＤＣ端子ｄ１、ｄ１'、ｄ２、ｄ２'及びｄ３、ｄ３'が、上記の外部変換器の（ＤＣ）出力部に接続される中間変換器２１、２２及び２３並びに変圧器３１、３２及び３３と、
−３つの関連「内部」整流器４１、４２及び４３であって、これらの整流器の各々が、上記の変圧器の二次側の端子ｆ１、ｆ１'、ｆ２、ｆ２'及びｆ３、ｆ３'に接続され、前記内部整流器の出力部が、全体的なＤＣ出力端子ｇ、ｇ'に並列に接続される内部整流器４１、４２及び４３とを有する。
図２は、ＡＣ／ＤＣ変換回路１００の特定のレイアウトをより詳細に示している。変換回路１００は、３つのフルブリッジ「外部」変換器１１、１２及び１３を有し、ここで、各変換器モジュールは、第１端子ａ１、ａ２、ａ３で、直接又はＥＭＩフィルタ（図示せず）を用いて、送電網（位相Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３）に接続され、対応する第２端子ｂ１、ｂ２、ｂ３は、３つのチョークコイルＬ１の第１端子に接続され、各チョークコイルの第２端子は、他のチョークコイルの第２端子と接続される。このように、フルブリッジ変換器１１乃至１３の各々が、出力線ｄ１、ｄ１'、ｄ２、ｄ２'及びｄ３、ｄ３'において、各々、400Vより大きくない浮遊ＤＣ電圧を生成する。
上記の３つのＤＣ電圧は、別のハーフブリッジ（又はフルブリッジ）変換器モジュール２１、２２及び２３によって、共振ＤＣ／ＤＣ変換器の形態の三相変圧器３１、３２、３３（又は３つの単相変圧器）に供給される。これらの変圧器の一次側は、入力端子ｅ１、ｅ１'、ｅ２、ｅ２'及びｅ３、ｅ３'を持つ。
端子ｆ１、ｆ１'、ｆ２、ｆ２'及びｆ３、ｆ３'を持つ変圧器の二次側は、整流器４１、４２及び４３に接続される。整流器４１、４２及び４３は、また、三相変換器又はフルブリッジモジュールの形態であることができ、従って、双方向のエネルギの流れを可能にする。
変圧器のために、あらゆる所望のＤＣ出力電圧が、適切な巻数比を選択することによって、達成されることができ、前記電圧の基準を任意の所望の方法で接地とすることができる。システムの全体にわたってＭＯＳＦＥＴが用いられることから、半導体損失は、十分な数の装置を並列させることによって、実質的に除去されることができる。計算は、従来のシステムが97%までに制限されているのに対して、98.5%乃至99%の最大効率が達成されることができることを示している。これは、事実上、損失が３分の２に減少したことを意味する。
上記の変換回路１００は、とりわけ、建物内のＤＣ配電網中の中央送電網結合モジュールとして用いられることができる。より小さな変形例においては、それは、電気自動車若しくはプラグインハイブリッドのための充電システム又は、園芸照明のための変換器にも関連し得る。
要約すると、本発明は、N≧2個のＡＣ供給電圧Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３をＤＣ電圧に変換するための、ＡＣ／ＤＣ変換回路１００及び方法に関する。これは、前記ＡＣ供給電圧を、フルブリッジ変換器の第１端子に供給することによって達成される。ここで、これらの変換器の第２端子は、互いに結合される。前記変換器の出力は、中間変換器に供給される。前記中間変換器の出力は、変圧器の一次側に供給される。ここで、これらの変圧器の二次側には、更なる整流器が設けられる。この回路設計は、380Vの三相ＡＣ電流を処理するために、限られた電圧性能、例えば500VのＭＯＳＦＥＴを用いることを可能にし、従って、高い効率を達成する。
最後に、本願においては、「有する」という用語は、他の要素又はステップを除外せず、単数形表記は、複数性を除外せず、幾つかの手段の機能を単一のプロセッサ又は他のユニットが実現してもよいことを指摘しておく。本発明は、一つ一つの新規な特有の特徴、及び特有の特徴の一つ一つの組み合わせにある。更に、請求項の参照符号は、請求項の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。

Claims (20)

  1. N≧2個のＡＣ供給電圧をＤＣ電圧に変換するためのＡＣ／ＤＣ変換回路であり、
    N個のフルブリッジ外部変換器であって、前記N個のフルブリッジ外部変換器の各々が、前記N≧2個のＡＣ供給電圧のうちの別々の１つとの接続のための第１端子、及び第２端子を持ち、これらの第２端子が互いに結合されるN個のフルブリッジ外部変換器と、
    N個の中間変換器であって、前記N個の中間変換器の各々が、前記中間変換器のＤＣ端子において、前記N個のフルブリッジ外部変換器のうちの異なる関連する１つの出力を受け取るN個の中間変換器と、
    N個の変圧器であって、前記N個の変圧器の各々が、前記変圧器の一次側において、前記N個の中間変換器のうちの異なる関連する１つの出力を受け取るN個の変圧器と、
    N個の共振回路であって、前記N個の共振回路の各々が、前記N個の中間変換器のうちの異なる関連する１つと、前記N個の変圧器のうちの異なる関連する１つとの間に配置されるN個の共振回路と、
    N個の内部整流器であって、前記N個の内部整流器の各々が、前記N個の変圧器のうちの異なる関連する１つの二次側に接続されるN個の内部整流器とを有するＡＣ／ＤＣ変換回路であって、
    前記N個の内部整流器の各々が、ソース端子及びドレイン端子を持つ第１及び第２ＭＯＳＦＥＴを有し、Ｎ個の前記第１ＭＯＳＦＥＴの前記ドレイン端子が、直接、第１ノードに電気的に接続され、Ｎ個の前記第２ＭＯＳＦＥＴの前記ソース端子が、直接、第２ノードに電気的に接続され、前記第１ノードと前記第２ノードとの間に生じる電位が、前記ＤＣ電圧を構成し、
    前記N個の内部整流器の各々において、前記第１ＭＯＳＦＥＴの前記ソース端子が、直接、前記第２ＭＯＳＦＥＴの前記ドレイン端子に電気的に接続されると共に、前記N個の変圧器のうちの異なる関連する１つの二次側に接続されるＡＣ／ＤＣ変換回路。
  2. 前記供給電圧が、位相シフト正弦波電圧であることを特徴とする、請求項１に記載の変換回路。
  3. 前記N個の数が、3であることを特徴とする、請求項１に記載の変換回路。
  4. 少なくとも１つの外部変換器、及び／又は少なくとも１つの中間変換器が、ＭＯＳＦＥＴを有することを特徴とする、請求項１に記載の変換回路。
  5. 前記外部変換器の前記第２端子が、チョークコイルを介して互いに結合されることを特徴とする、請求項１に記載の変換回路。
  6. 少なくとも１つの外部変換器の出力端子が、コンデンサを介して接続されることを特徴とする、請求項１に記載の変換回路。
  7. 前記共振回路網が、コンデンサ及び／又はインダクタを有することを特徴とする、請求項１に記載の変換回路。
  8. 前記変圧器が、共通の鉄心において実現されることを特徴とする、請求項１に記載の変換回路。
  9. 各変圧器の二次側が、第１端子と、第２端子であって、全ての第２端子が、互いに結合される第２端子とを有することを特徴とする、請求項１に記載の変換回路。
  10. 前記内部整流器が、ハーフブリッジ整流器であり、それらの各々が、１つの変圧器の二次側の第１端子に接続されることを特徴とする、請求項１に記載の変換回路。
  11. N≧2個のＡＣ供給電圧をＤＣ電圧に変換するための方法であり、
    前記N≧2個のＡＣ供給電圧の各々を、N個のフルブリッジ外部変換器であって、前記N個のフルブリッジ外部変換器の第２端子が互いに結合されているN個のフルブリッジ外部変換器のうちの異なる関連する１つの第１端子に供給するステップと、
    前記N個のフルブリッジ外部変換器の各々の出力を、N個の中間変換器のうちの異なる関連する１つのＤＣ端子に供給するステップと、
    前記N個の中間変換器の各々の出力を、N個の共振回路のうちの異なる関連する１つを通して、N個の変圧器のうちの異なる関連する１つの一次側に供給するステップと、
    前記N個の変圧器の各々の出力を、Ｎ個の内部整流器のうちの異なる関連する１つで整流するステップとを有する方法であって、
    前記N個の内部整流器の各々が、ソース端子及びドレイン端子を持つ第１及び第２ＭＯＳＦＥＴを有し、Ｎ個の前記第１ＭＯＳＦＥＴの前記ドレイン端子が、直接、第１ノードに電気的に接続され、Ｎ個の前記第２ＭＯＳＦＥＴの前記ソース端子が、直接、第２ノードに電気的に接続され、前記第１ノードと前記第２ノードとの間に生じる電位が、前記ＤＣ電圧を構成し、
    前記N個の内部整流器の各々において、前記第１ＭＯＳＦＥＴの前記ソース端子が、直接、前記第２ＭＯＳＦＥＴの前記ドレイン端子に電気的に接続されると共に、前記N個の変圧器のうちの異なる関連する１つの二次側に接続される方法。
  12. 前記供給電圧が、位相シフト正弦波電圧であることを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
  13. 前記N個の数が、3であることを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
  14. 少なくとも１つの外部変換器、及び／又は少なくとも１つの中間変換器が、ＭＯＳＦＥＴを有することを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
  15. 前記外部変換器の前記第２端子が、チョークコイルを介して互いに結合されることを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
  16. 少なくとも１つの外部変換器の出力端子が、コンデンサを介して接続されることを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
  17. 前記共振回路網が、コンデンサ及び／又はインダクタを有することを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
  18. 前記変圧器が、共通の鉄心において実現されることを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
  19. 各変圧器の二次側が、第１端子と、第２端子であって、全ての第２端子が、互いに結合される第２端子とを有することを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
  20. 前記内部整流器が、ハーフブリッジ整流器であり、それらの各々が、１つの変圧器の二次側の第１端子に接続されることを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
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