JP6647760B2 - 変調方法、及び、この変調方法を用いた回路 - Google Patents

Description

本発明は、複数トランスの二次巻線を直列接続し、この直列回路に整流平滑回路を接続する構成のマルチレベルコンバータに用いる変調方法、及び、この変調方法を用いた回路に関するものである。

カスケードマルチセル型力率改善コンバータの負荷として用いられるマルチレベルＤＣ／ＤＣコンバータが特許文献１で開示されている。図４にこの方式の回路図を示す。１０はカスケードマルチセル型力率改善コンバータであり、二つの回路ブロック１３の入力が直列接続され、この直列回路に交流電源１１とチョーク１２の直列回路が接続されている。回路ブロック１３の中ではダイオード２１、ダイオード２２、ＭＯＳＦＥＴ３１、ＭＯＳＦＥＴ３２がブリッジ接続されており、このブリッジの直流出力にコンデンサ４１が接続されている。

図４のカスケードマルチセル型力率改善コンバータ１０以外はマルチレベルＤＣ／ＤＣコンバータである。ＭＯＳＦＥＴ３３、ＭＯＳＦＥＴ３４、ＭＯＳＦＥＴ３５、ＭＯＳＦＥＴ３６がブリッジ接続されてトランス駆動手段１４を構成している。二つのトランス駆動手段１４の直流入力はカスケードマルチセル型力率改善コンバータ１０の出力にそれぞれ接続されており、交流出力にはトランス１５とトランス１６の一次巻線が接続されている。トランス１５の二次巻線とトランス１６の二次巻線は直列接続され、この直列回路がダイオード２３、ダイオード２４、ダイオード２５、ダイオード２６からなる整流回路に接続され、この整流回路の出力にチョーク１７、コンデンサ４２からなる平滑回路が接続されている。平滑回路の出力には負荷１８が接続されている。

このマルチレベルＤＣ／ＤＣコンバータはトランス駆動手段１４によってトランス１５，１６の一次巻線にパルス電圧が印加され、その電圧が巻数比変換されたうえで二次巻線の直列回路によって加算されることでマルチレベル変換を可能にしている。
このような原理で動作しているため、このコンバータにはいくつかのバリエーションが考えられる。図４では電位の異なる二つの入力電源が各トランス駆動手段に接続されているが、図５の様に共通の直流電源１９に接続されていても構わない。また図６の様に、二つのトランス駆動手段１４の入力にコンデンサ４３、４４を接続し、これらを直列接続して、その直列回路を直流電源１９に接続しても構わない。

またトランス駆動手段は２個に限定されているわけではなく、２個以上の任意の数にすることができる。

なお、これまでの説明ではスイッチ素子としてＭＯＳＦＥＴを使う例を挙げたが、ＩＧＢＴと逆並列ダイオードの並列回路を使っても、全く同様の効果を奏する。

しかしながら特許文献１には二次巻線の直列回路に現れる電圧をマルチレベルにできると書かれているが、その具体的な変調方法については記されていない。したがって各トランス駆動手段が出力する電圧をどのように変調すればよいかわからない問題があった。

国際公開第２０１６／０３１０６１号

本発明はトランスの二次巻線を直列接続するタイプのマルチレベルコンバータにおいて、具体的な変調方法を開示するものである。

特許文献１で開示されているトランスの二次巻線を直列接続するタイプのマルチレベルコンバータは、二次巻線の直列回路に現れる電圧をマルチレベルにすることができるが、その具体的な変調方法についての記述がない。

本発明の第一の変調方法はトランス駆動手段の数が偶数である場合に適用され、
偶数個のトランスと、
前記トランスの各々の一次巻線に正電圧、負電圧、ゼロ電圧を与えるトランス駆動手段と、
前記トランスの全ての二次巻線を直列接続し、前記直列回路に接続された整流平滑回路と、
を有する回路の変調方法であって、
全ての前記トランス駆動手段が最大正電圧デューティと最大負電圧デューティを出力し、かつ同相である状態を変調度が最も大きい状態とし、
前記トランス駆動手段の正電圧および負電圧のデューティを第一の設定値まで減らすことを、前記変調度を下げるための第一の手順とし、
前記第一の手順でデューティを減らした前記トランス駆動手段の位相を前記第一の設定値まで進ませることを、前記変調度を下げるための第二の手順とし、
前記トランス駆動手段が出力する正電圧および負電圧のデューティを第二の設定値まで減らすことを、前記変調度を下げるための第三の手順とし、
前記第一の手順から前記第三の手順を前記トランス駆動手段に順次適用することを特徴とする。

本発明の第二の変調方法はトランス駆動手段の数が奇数である場合に適用され、
奇数個のトランスと、
前記トランスの各々の一次巻線に正電圧、負電圧、ゼロ電圧を与えるトランス駆動手段と、
前記トランスの全ての二次巻線を直列接続し、前記直列回路に接続された整流平滑回路と、
を有する回路の変調方法であって、
全ての前記トランス駆動手段が最大正電圧デューティと最大負電圧デューティを出力し、かつ同相である状態を変調度が最も大きい状態とし、
前記トランス駆動手段の正電圧および負電圧のデューティを第一の設定値まで減らすことを、前記変調度を下げるための第一の手順とし、
前記第一の手順でデューティを減らした前記トランス駆動手段の位相を前記第一の設定値まで進ませることを、前記変調度を下げるための第二の手順とし、
前記トランス駆動手段が出力する正電圧および負電圧のデューティを第二の設定値まで減らすことを、前記変調度を下げるための第三の手順とし、
前記トランス駆動手段が出力する正電圧および負電圧のデューティを第三の設定値まで減らすことを、前記変調度を下げるための第四の手順とし、
前記トランス駆動手段が出力する正電圧および負電圧のデューティを、最大デューティまで増やすことを、前記変調度を下げるための第五の手順とし、
前記トランス駆動手段を３個と残りの偶数個に分け、
前記残りの偶数個の前記トランス駆動手段が存在する場合は、前記第一の手順から前記第三の手順を前記残りの偶数個の前記トランス駆動手段に順次適用し、
前記３個の前記トランス駆動手段のうちの任意の一つに対して、前記第一の手順と前記第二の手順を適用し、
前記３個の前記トランス駆動手段の残りの二つのうちの任意の一つに対して、前記第三の手順を適用し、
前記３個の前記トランス駆動手段の残りの一つに対して、前記第四の手順を適用し、
前記３個の前記トランス駆動手段のうち前記第一の手順と前記第二の手順を適用した前記トランス駆動手段に前記第五の手順を適用することを特徴とする。

本発明の変調方法には、次の効果がある。

本発明の変調方法によって、二次巻線の直列回路に現れる電圧をマルチレベルにすることができる。これに加えて変調度がゼロになっても各トランス一次巻線の実効値電圧がゼロにならないため無負荷でも励磁電流を確保でき、この励磁電流を使ってＭＯＳＦＥＴをゼロ電圧スイッチングさせることができる。

図１は本発明の変調方法の第一の実施例である。 図２はトランス駆動手段の数が二つである場合に、変調度を下げるにしたがって各トランス駆動手段の波形をどのように変化させるかを説明した図である。 図３はトランス駆動手段の数が三つである場合に、変調度を下げるにしたがって各トランス駆動手段の波形をどのように変化させるかを説明した図である。 図４は特許文献１で開示されているカスケードマルチセル型力率改善コンバータと、その負荷であるマルチレベルＤＣ／ＤＣコンバータの回路図である。 図５は図４のマルチレベルＤＣ／ＤＣコンバータの別の実施例である。 図６は図４のマルチレベルＤＣ／ＤＣコンバータの別の実施例である。 図７はトランスの励磁電流を確保できない変調方法の例である。 図８は図４のマルチレベルＤＣ／ＤＣコンバータの別の実施例である。

本発明を実施するための形態は、以下の好ましい実施例の説明を添付図面と照らし合わせて読むと、明らかである。但し、図面はもっぱら解説のためのものであって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

トランス二次巻線直列回路の実効値電圧が最大になる状態を変調度１、最小になる状態を変調度０とする。変調度１は全てのトランス駆動手段が正電圧５０％、負電圧５０％を出力し、かつ同相である状態であり、変調度０はトランス二次巻線直列回路の電圧がゼロになる状態である。

もっとも簡単な変調方法は、各トランス駆動手段の正電圧および負電圧のデューティを５０％から０％に順次下げていく事である。例としてトランスが２個の場合のトランス駆動手段出力電圧と二次巻線直列回路電圧を図７に示す。ここでは１番目のトランス駆動手段７−１のデューティを５０％から２５％、０％に下げ、次に２番目のトランス駆動手段７−２のデューティを５０％から２５％、０％に下げている。

この方法の問題点は、デューティが０％になるとトランスの励磁電流がゼロになる事である。励磁電流にはデッドタイム期間中にＭＯＳＦＥＴの出力容量を放電させてゼロ電圧スイッチングさせる作用があり、これによりスイッチング損失とスイッチングノイズが小さくなる。したがって励磁電流がゼロになると、これらの効果が失われる問題がある。実施例１と実施例２はこの問題を解決する。

（実施例１の構成）
本発明の変調方法の第一の実施例は、図１に示す様に補償器３の入力に目標電圧生成手段１の出力と出力電圧検出手段２の出力を接続し、変調手段４の入力に補償器３の出力を接続し、変調手段４の出力にデューティ設定手段５−１〜５−ｎの入力と位相シフト量設定手段６−１〜６−ｎの入力をトランスの数だけ接続し、各デューティ設定手段５−１〜５−ｎの出力と各位相シフト量設定手段６−１〜６−ｎの出力を各トランス駆動手段７−１〜７−ｎの入力に接続し、各トランス駆動手段７−１〜７−ｎの出力を各トランス８−１〜８−ｎに接続している。
実施例１ではトランス駆動手段の数が偶数であるとする。

ここで図４のトランス駆動手段１４は図１のトランス駆動手段７の一部であり、図１のトランス駆動手段７はこれ以外にＭＯＳＦＥＴの駆動回路や駆動信号生成手段を含むものとする。

（実施例１の動作）
このように構成された実施例１の変調方法において、補償器３とは位相補償をする手段であり、積分器やＰＩ補償器、ＰＩＤ補償器などが使われる。アナログ回路の場合はオペアンプと抵抗、コンデンサを使って構成する誤差増幅回路が使われる。したがって補償器３の出力は変調度を表す信号となる。

次にトランスが２個の場合における変調手段４の動作を、図２を使って説明する。この図は変調度を１から下げるときに１番目のトランス駆動手段７−１の出力と２番目のトランス駆動手段７−２の出力をどのように変化させていくのかを表したものである。図２の左上が変調度１であり、以下矢印に沿って変調度が下がっていき、右下が変調度０となる。

変調度を１から下げるときはまず１番目のトランス駆動手段７−１のデューティを５０％から所定のデューティまで下げていく。この所定のデューティを残存デューティと呼ぶことにする。図２は残存デューティを３１．２５％にした場合を表している。この変調によりトランス二次巻線直列回路の電圧は、最大電圧を１として、１のデューティが減って１／２のデューティが増え、実効値電圧が下がっていく。

１番目のトランス駆動手段７−１のデューティを残存デューティまで下げたら、次に１番目のトランス駆動手段７−１の位相を進ませる。進ませるのは残存デューティの分までである。この変調によりトランス二次巻線直列回路の電圧は、１のデューティが減って０のデューティが増え、実効値電圧が下がっていく。

１番目のトランス駆動手段７−１の位相を残存デューティまで進ませたら、次に２番目のトランス駆動手段７−２のデューティを下げていく。下げるのは残存デューティまでである。この変調によりトランス二次巻線直列回路の電圧は、１／２のデューティが減って０のデューティが増え、実効値電圧が下がっていく。

２番目のトランス駆動手段７−２のデューティが残存デューティに達すると、１番目のトランス駆動手段７−１の出力と２番目のトランス駆動手段７−２の出力は逆相となって、トランス二次巻線直列回路の電圧がゼロになる。これが変調度０の状態である。

以上はトランスが２個の場合の説明だが、例えばトランスが４個の場合は続けて３番目のトランス駆動手段７−３と４番目のトランス駆動手段７−４に対して同じ変調方法を適用していけばよく、最終的に３番目のトランス駆動手段７−３の出力と４番目のトランス駆動手段７−４の出力が逆相となって、トランス二次巻線直列回路の電圧がゼロになる。
以上の考え方を拡張すると、図２で説明した変調方法をトランス２個のペアに対して順次適用すれば、トランスが偶数個の全ての場合に対応できることがわかる。

（実施例１の効果）
以上の作用により、本発明の変調方法の第一の実施例は、トランス二次巻線直列回路の電圧が最大となる変調度１の状態から、トランス二次巻線直列回路の電圧がゼロとなる変調度０の状態まで変調できる。しかも各トランスのデューティは最小値が残存デューティとなるので、全ての変調状態でトランスの励磁電流を一定値以上確保でき、ＭＯＳＦＥＴをゼロ電圧スイッチングさせることができる。

（実施例２の構成）
本発明の変調方法の第二の実施例の構成は、第一の実施例と同じく図１で表される。
ただし実施例２ではトランス駆動手段７の数が奇数であるとする。

（実施例２の動作）
実施例１ではトランス駆動手段７の数が偶数であり、２個のトランス駆動手段７に対する変調方法を順次適用すれば全体を変調できることを示した。
実施例２でもトランス駆動手段７を２個ずつペアにして、実施例１の変調方法を適用する。したがって最後に残った３個のトランス駆動手段を、励磁電流を確保しつつ変調度１から０まで変調できれば全体を変調できることになる。
そこで３個のトランス駆動手段に対する変調方法を次に説明する。

図３はトランス駆動手段が３個の場合に、変調度を１から下げるときに１番目のトランス駆動手段７−１、２番目のトランス駆動手段７−２、３番目のトランス駆動手段７−３の出力をどのように変化させていくのかを表したものである。図３の左上が変調度１であり、以下矢印に沿って変調度が下がっていき、右下が変調度０となる。

変調度を１から下げるときはまず１番目のトランス駆動手段７−１のデューティを残存デューティまで下げていく。この変調によりトランス二次巻線直列回路の電圧は、最大電圧を１として、１のデューティが減って２／３のデューティが増え、実効値電圧が下がっていく。

１番目のトランス駆動手段７−１のデューティを残存デューティまで下げたら、次に１番目のトランス駆動手段７−１の位相を進ませる。進ませるのは残存デューティまでである。この変調によりトランス二次巻線直列回路の電圧は、１のデューティが減って１／３のデューティが増え、実効値電圧が下がっていく。

１番目のトランス駆動手段７−１の位相を残存デューティまで進ませたら、次に２番目のトランス駆動手段７−２のデューティを下げていく。この変調によりトランス二次巻線直列回路の電圧は、２／３のデューティが減って１／３のデューティが増え、実効値電圧が下がっていく。

２番目のトランス駆動手段７−２のデューティが残存デューティに達すると、１番目のトランス駆動手段７−１の出力と２番目のトランス駆動手段７−２の出力は逆相となって、両者の和の電圧がゼロになる。ここまでは実施例１と同じ変調方法である。

次に３番目のトランス駆動手段７−３のデューティを減らす。この変調によりトランス二次巻線直列回路の電圧は、１／３のデューティが減って０のデューティが増え、実効値電圧が下がっていく。

３番目のトランス駆動手段７−３のデューティを減らしていくと、やがて２番目のトランス駆動手段７−２と３番目のトランス駆動手段７−３の波形の和がデューティ５０％の波形と同じになる。そこで、その和の電圧波形と逆相の１番目のトランス駆動手段７−１のデューティを増やす。この変調によりトランス二次巻線直列回路の電圧は、１／３のデューティが減って０のデューティが増え、実効値電圧が下がっていく。

１番目のトランス駆動手段７−１のデューティが最大値に達すると、トランス二次巻線直列回路の電圧がゼロになり、変調度が０になる。変調度１から０までの範囲で１番目のトランス駆動手段７−１から３番目のトランス駆動手段７−３のデューティはゼロになることがなく、励磁電流がゼロになる事はない。

（実施例２の効果）
以上の作用により、本発明の変調方法の第二の実施例は、トランス二次巻線直列回路の電圧が最大となる変調度１の状態から、トランス二次巻線直列回路の電圧がゼロとなる変調度０の状態まで変調できる。しかも各トランスのデューティはゼロにならないので、全ての変調状態でトランスの励磁電流を一定値以上確保でき、ＭＯＳＦＥＴをゼロ電圧スイッチングさせることができる。

本発明の変調方法を適用する回路として図４、図５、図６を挙げたが、これ以外に図８の回路に適用することもできる。図４、図５、図６ではトランス駆動手段とトランス一次巻線が直接接続されており、各トランス駆動手段の出力電圧が巻数比変換された電圧の和が二次巻線直列回路に現れる。
図８ではトランス駆動手段とトランス一次巻線の間に共振回路２０が挿入されているので、この関係は成り立たない。しかしながらトランス駆動手段１４の出力電圧が高くなれば、共振回路２０に印加される電圧が高くなって、より多くの電力が共振回路を通過する。したがって変調度を上げれば出力電力が増えるという関係は変わらない。この事から本発明の変調方法を図８の回路に適用することが可能である。図８では共振回路を一次側に挿入したが、二次側、例えば、二次巻線の直列回路と整流平滑回路の間に、挿入しても同じ効果を奏する。
ゼロ電圧スイッチングを実現できる負荷範囲を広げるために、図４の回路においてトランス駆動手段１４とトランス一次巻線の間にチョークを挿入する回路も一般に知られているが、同様の理由により、その場合でも本発明の変調方法を適用することが可能である。

本発明は複数トランスの二次巻線を直列接続し、この直列回路に整流平滑回路を接続する構成のマルチレベルコンバータに適用できる変調方法であり、全ての変調度でトランスの励磁電流を確保できることから、ＭＯＳＦＥＴのゼロ電圧スイッチングを実現でき、スイッチング損失、スイッチングノイズを低減できるため産業上の利用可能性が高い。

１ 目標電圧生成手段
２ 出力電圧検出手段
３ 補償器
４ 変調手段
５（５−１〜５−ｎ） デューティ設定手段
６（６−１〜６−ｎ） 位相シフト量設定手段
７（７−１〜７−ｎ） トランス駆動手段
８（８−１〜８−ｎ） トランス
１０ カスケードマルチセル型力率改善コンバータ
１１ 交流電源
１２ チョーク
１３ 回路ブロック
１４ トランス駆動手段
１５、１６ トランス
１７ チョーク
１８ 負荷
２１〜２６ ダイオード
３１〜３６ ＭＯＳＦＥＴ
４１〜４４ コンデンサ

Claims (7)

1. 偶数個のトランスと、
   前記トランスと同数個有し、前記トランスの各々の一次巻線に正電圧、負電圧、ゼロ電圧を与えるトランス駆動手段と、
   前記トランスの全ての二次巻線を直列接続した直列回路と、
   前記直列回路に接続された整流平滑回路と、
   を有する回路の変調方法であって、
   全ての前記トランス駆動手段が最大正電圧デューティと最大負電圧デューティを出力し、
   かつ同相である状態を変調度が最も大きい状態とし、
   １番目の前記トランス駆動手段の正電圧および負電圧のデューティを第一の設定値まで減らすことで、前記変調度を下げる第一の手順とし、
   前記第一の手順でデューティを減らした前記１番目のトランス駆動手段の位相を前記第一の設定値まで進ませることで、前記変調度を下げる第二の手順とし、
   ２番目の前記トランス駆動手段が出力する正電圧および負電圧のデューティを第二の設定値まで減らすことで、前記変調度を下げる第三の手順とし、
   残りの偶数個の前記トランス駆動手段が存在する場合は、３番目以降の奇数番目の前記トランス駆動手段に前記第一の手順と前記第二の手順を、４番目以降の偶数番目の前記トランス駆動手段に前記第三の手順を順次適用する変調方法。
2. ３以上の奇数個のトランスと、
   前記トランスと同数個有し、前記トランスの各々の一次巻線に正電圧、負電圧、ゼロ電圧を与えるトランス駆動手段と、
   前記トランスの全ての二次巻線を直列接続した直列回路と、
   前記直列回路に接続された整流平滑回路と、
   を有する回路の変調方法であって、
   全ての前記トランス駆動手段が最大正電圧デューティと最大負電圧デューティを出力し、
   かつ同相である状態を変調度が最も大きい状態とし、前記トランス駆動手段の正電圧および負電圧のデューティを第一の設定値まで減らすことで、前記変調度を下げる第一の手順とし、
   前記第一の手順でデューティを減らした前記トランス駆動手段の位相を前記第一の設定値まで進ませることで、前記変調度を下げる第二の手順とし、
   前記トランス駆動手段が出力する正電圧および負電圧のデューティを第二の設定値まで減らすことで、前記変調度を下げる第三の手順とし、
   前記トランス駆動手段が出力する正電圧および負電圧のデューティを第三の設定値まで減らすことで、前記変調度を下げる第四の手順とし、
   前記トランス駆動手段が出力する正電圧および負電圧のデューティを、最大デューティまで増やすことで、前記変調度を下げる第五の手順とし、
   前記トランス駆動手段を３個と残りの偶数個に分け、
   前記残りの偶数個の前記トランス駆動手段が存在する場合は、前記第一の手順から前記第三の手順を前記残りの偶数個の前記トランス駆動手段のうち１番目の前記トランス駆動手段から順次適用し、
   前記３個の前記トランス駆動手段のうちの任意の一つに対して、前記第一の手順と前記第二の手順を適用し、
   前記３個の前記トランス駆動手段の残りの二つのうちの任意の一つに対して、前記第三の手順を適用し、
   前記３個の前記トランス駆動手段の残りの一つに対して、前記第四の手順を適用し、
   前記３個の前記トランス駆動手段のうち前記第一の手順と前記第二の手順を適用した前記トランス駆動手段に前記第五の手順を適用する変調方法。
3. 前記各トランス駆動手段と前記各トランスの間、もしくは前記二次巻線の直列回路と前記整流平滑回路の間に、共振回路を有する請求項１、請求項２のいずれか１項に記載の変調方法。
4. 請求項１、請求項２、請求項３のいずれか１項に記載の変調方法を用いた回路。
5. 前記各トランス駆動手段がカスケードマルチセル型力率改善コンバータの負荷として接続されている請求項４記載の回路。
6. 前記回路が、電源装置であって、前記各トランス駆動手段が共通の入力電源に接続されている請求項４記載の回路。
7. 前記回路が、電源装置であって、前記各トランス駆動手段が直列接続され、前記各トランス駆動手段の直列回路が入力電源に接続されている請求項４記載の回路。

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