JP6905452B2 - Transformer - Google Patents

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Description

本発明は、変圧装置に関する。 The present invention relates to a transformer device.

伝統的な、鉄心を用いるトランスに代わり得るものとして、電気回路のみで変圧を行う新たな「変圧装置」が提案されている(例えば、特許文献1参照。)。かかる変圧装置によれば、飛躍的な小型軽量化を実現することができる。 As an alternative to the traditional transformer using an iron core, a new "transformer device" that transforms only by an electric circuit has been proposed (see, for example, Patent Document 1). According to such a transformer device, it is possible to realize a dramatic reduction in size and weight.

特開2015−80397号公報JP 2015-80397

しかしながら、上記のような変圧装置は、電気回路のみで入力端から出力端までが構成されているため、入出力間の絶縁抵抗を高いレベルにすることが困難であり、そのため、入出力間で無視できない程度の漏れ電流が流れる。そこで、この漏れ電流を低減することが、次なる課題である。また、上記のような変圧装置において変圧比を大きくしようとすると、必然的に回路構成要素が増えて、回路規模が大きくなるという課題もあった。 However, in a transformer device as described above, since the input end to the output end are configured only by an electric circuit, it is difficult to raise the insulation resistance between the input and output to a high level, and therefore, between the input and output. Leakage current that cannot be ignored flows. Therefore, reducing this leakage current is the next issue. Further, when trying to increase the transformation ratio in the above-mentioned transformer device, there is also a problem that the number of circuit components inevitably increases and the circuit scale becomes large.

かかる課題に鑑み、本発明は、電気回路のみで変圧を行う変圧装置に対し、入出力間での漏れ電流を低減し、回路規模の拡大を抑制しつつ大きな変圧比を実現することを目的とする。 In view of these problems, it is an object of the present invention to realize a large transformation ratio while suppressing the expansion of the circuit scale by reducing the leakage current between the input and output with respect to the transformer device that transforms only by the electric circuit. do.

本開示は、以下の発明を含む。但し、本発明は特許請求の範囲によって定められるものである。
これは、直流又は商用交流の周波数である低周波の電源と、負荷との間に設けられる変圧装置であって、それぞれの回路が、複数のスイッチを有し、高周波のスイッチングにより、入力に対して出力の極性を交互に反転させる、前段回路及び後段回路と、前記前段回路の出力端と前記後段回路の入力端との間に介在するトランスと、を備えている。
前記前段回路及び前記後段回路の少なくとも一方は、基本回路構成として、2の倍数である複数のスイッチを互いに直列に接続して成り、直列体のいずれか一端側から見て奇数番目のスイッチと偶数番目のスイッチとは交互にオン動作するスイッチ直列体と、前記スイッチ直列体における各スイッチの相互接続点及び前記スイッチ直列体の両端点を合計m個のノードとして、前記スイッチ直列体のいずれか一端側から1〜mの順番に見たとき、奇数ノードから引き出される複数の電路の集結先としての第1電路、及び、偶数ノードから引き出される一の電路であるか又は複数の電路の集結先としての第2電路と、前記スイッチ直列体の一端から引き出される第3電路、及び、他端から引き出される第4電路と、前記奇数ノードから前記第1電路までの間、及び、前記偶数ノードから前記第2電路までの間において、前記m個のノードのうち少なくとも(m−1)個のノードにそれぞれ対応して少なくとも1個存在しているように設けられているリアクタンス素子と、を備え、前記第1電路及び前記第2電路の電路対並びに前記第3電路及び前記第4電路の電路対のいずれか一方が入力、他方が出力となる。
The present disclosure includes the following inventions. However, the present invention is defined by the scope of claims.
This is a transformer provided between a low frequency power supply, which is the frequency of direct current or commercial alternating current, and a load, and each circuit has a plurality of switches, and by high frequency switching, with respect to the input. It is provided with a front-stage circuit and a rear-stage circuit that alternately invert the polarity of the output, and a transformer interposed between the output end of the front-stage circuit and the input end of the rear-stage circuit.
At least one of the first-stage circuit and the second-stage circuit is composed of a plurality of switches that are multiples of 2 connected in series to each other as a basic circuit configuration, and is an odd-th switch and an even number when viewed from either one end side of the series. The second switch is one end of the switch series, with the switch series that operates alternately on, the interconnection point of each switch in the switch series, and the end points of the switch series as a total of m nodes. When viewed in the order of 1 to m from the side, it is the first electric circuit as a collection destination of a plurality of electric circuits drawn from an odd number node, and one electric circuit drawn from an even number of nodes or as a collection destination of a plurality of electric circuits. The second electric circuit, the third electric circuit drawn from one end of the switch series, and the fourth electric circuit drawn from the other end, between the odd node and the first electric circuit, and from the even node. A reactorance element provided so as to exist at least one corresponding to at least (m-1) of the m nodes up to the second electric circuit is provided. One of the electric circuit pair of the first electric circuit and the second electric circuit and the electric circuit pair of the third electric circuit and the fourth electric circuit is an input, and the other is an output.

本発明の変圧装置によれば、電気回路で変圧を行う変圧装置において、入出力間での漏れ電流を低減し、回路規模の拡大を抑制しつつ大きな変圧比を実現可能とする。 According to the transformer device of the present invention, in a transformer device that transforms with an electric circuit, it is possible to reduce the leakage current between the input and output and realize a large transformation ratio while suppressing the expansion of the circuit scale.

第1例に係る変圧装置を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the transformer device which concerns on 1st example. (a)は、図1における4つのスイッチのうち、上側にある2つのスイッチがオンで、下側にある2つのスイッチ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。(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。FIG. 1A is a circuit diagram showing a state of actual connection when two switches on the upper side are on and two switches on the lower side are off among the four switches in FIG. 1. (B) is a circuit diagram in which the same circuit diagram as in (a) is rewritten in a stepped manner. (a)は、図1における4つのスイッチのうち、下側にある2つのスイッチがオンで、上側にある2つのスイッチ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。(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。FIG. 1A is a circuit diagram showing a state of actual connection when two switches on the lower side are on and two switches on the upper side are off among the four switches in FIG. 1. (B) is a circuit diagram in which the same circuit diagram as in (a) is rewritten in a stepped manner. 上が、変圧装置に対する入力電圧、下が、入力電流をそれぞれ表す波形図である。The upper part is a waveform diagram showing the input voltage to the transformer, and the lower part is a waveform diagram showing the input current. 変圧の中間段階での電圧、電流をそれぞれ表す波形図である。It is a waveform diagram which shows voltage and current in the intermediate stage of a transformer, respectively. 上が、変圧装置からの出力電圧(の包絡線)、下が、出力電流(の包絡線)をそれぞれ表す波形図である。The upper part is a waveform diagram showing the output voltage (envelope) from the transformer, and the lower part is a waveform diagram showing the output current (envelope). 第2例に係る変圧装置を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the transformer device which concerns on 2nd example. 上が、第2例の変圧装置に対する入力電圧、下が、入力電流をそれぞれ表す波形図である。The upper part is a waveform diagram showing the input voltage for the transformer device of the second example, and the lower part is a waveform diagram showing the input current. 上が、変圧装置からの出力電圧(の包絡線)、下が、出力電流(の包絡線)をそれぞれ表す波形図である。The upper part is a waveform diagram showing the output voltage (envelope) from the transformer, and the lower part is a waveform diagram showing the output current (envelope). 第3例に係る変圧装置を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the transformer device which concerns on 3rd example. 第4例に係る変圧装置を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the transformer device which concerns on 4th example. 後掲の図13との比較のための、図1とは少し異なる変圧装置である。It is a transformer device slightly different from FIG. 1 for comparison with FIG. 13 described later. 本発明の一実施形態に係る変圧装置を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the transformer device which concerns on one Embodiment of this invention. 図13の変圧装置に、インピーダンスを測定する回路を接続した図である。FIG. 3 is a diagram in which a circuit for measuring impedance is connected to the transformer device of FIG. 図13の前段回路に着目した場合の、キャパシタの位置が異なる変圧装置を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the transformer device which the position of a capacitor is different when paying attention to the pre-stage circuit of FIG. 図13の後段回路に着目した場合の、インダクタの位置が異なる変圧装置を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the transformer device which the position of the inductor is different when paying attention to the latter circuit of FIG. 高変圧比の一例として変圧比32:1を実現する変圧装置を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the transformer device which realizes the transformation ratio 32: 1 as an example of a high transformation ratio. 中点タップ付きのトランスを使用した変圧装置を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the transformer device using the transformer with the midpoint tap. 図18の等価回路である。It is an equivalent circuit of FIG. 1次側巻線,2次側巻線共に、中点タップ付きのトランスを使用した変圧装置を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the transformer device which used the transformer with the midpoint tap for both the primary side winding and the secondary side winding. 変圧装置を大局的に見た概略構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the schematic structure of the transformer device as a whole. 前段回路として選択しうる回路の基本形を示す図である。It is a figure which shows the basic form of the circuit which can be selected as a pre-stage circuit. 後段回路として選択しうる回路の基本形を示す図である。It is a figure which shows the basic form of the circuit which can be selected as a post-stage circuit. 電源が直流電源である場合に変圧装置の後段回路として選択しうる回路の基本形を示す図である。It is a figure which shows the basic form of the circuit which can be selected as the post-stage circuit of a transformer device when the power source is a DC power source.

[実施形態の要旨]
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。
[Summary of Embodiment]
The gist of the embodiment of the present invention includes at least the following.

(1)これは、直流又は商用交流の周波数である低周波の電源と、負荷との間に設けられる変圧装置であって、それぞれの回路が、複数のスイッチを有し、高周波のスイッチングにより、入力に対して出力の極性を交互に反転させる、前段回路及び後段回路と、前記前段回路の出力端と前記後段回路の入力端との間に介在するトランスと、を備えている。
前記前段回路及び前記後段回路の少なくとも一方は、基本回路構成として、2の倍数である複数のスイッチを互いに直列に接続して成り、直列体のいずれか一端側から見て奇数番目のスイッチと偶数番目のスイッチとは交互にオン動作するスイッチ直列体と、前記スイッチ直列体における各スイッチの相互接続点及び前記スイッチ直列体の両端点を合計m個のノードとして、前記スイッチ直列体のいずれか一端側から1〜mの順番に見たとき、奇数ノードから引き出される複数の電路の集結先としての第1電路、及び、偶数ノードから引き出される一の電路であるか又は複数の電路の集結先としての第2電路と、前記スイッチ直列体の一端から引き出される第3電路、及び、他端から引き出される第4電路と、前記奇数ノードから前記第1電路までの間、及び、前記偶数ノードから前記第2電路までの間において、前記m個のノードのうち少なくとも(m−1)個のノードにそれぞれ対応して少なくとも1個存在しているように設けられているリアクタンス素子と、を備え、前記第1電路及び前記第2電路の電路対並びに前記第3電路及び前記第4電路の電路対のいずれか一方が入力、他方が出力となる。
(1) This is a transformer device provided between a low-frequency power supply having a DC or commercial AC frequency and a load, and each circuit has a plurality of switches, and by high-frequency switching, It includes a front-stage circuit and a rear-stage circuit that alternately invert the polarity of the output with respect to the input, and a transformer interposed between the output end of the front-stage circuit and the input end of the rear-stage circuit.
At least one of the first-stage circuit and the second-stage circuit is composed of a plurality of switches that are multiples of 2 connected in series to each other as a basic circuit configuration, and is an odd-th switch and an even number when viewed from either one end side of the series. The second switch is one end of the switch series, with the switch series that operates alternately on, the interconnection point of each switch in the switch series, and the end points of the switch series as a total of m nodes. When viewed in the order of 1 to m from the side, it is the first electric circuit as a collection destination of a plurality of electric circuits drawn from an odd number node, and one electric circuit drawn from an even number of nodes or as a collection destination of a plurality of electric circuits. The second electric circuit, the third electric circuit drawn from one end of the switch series, and the fourth electric circuit drawn from the other end, between the odd node and the first electric circuit, and from the even node. A reactorance element provided so as to exist at least one corresponding to at least (m-1) of the m nodes up to the second electric circuit is provided. One of the electric circuit pair of the first electric circuit and the second electric circuit and the electric circuit pair of the third electric circuit and the fourth electric circuit is an input, and the other is an output.

上記のように構成された変圧装置では、複数のリアクタンス素子を含む前段回路及び後段回路の少なくとも一方が、電磁誘導ではなく、電気回路のみにより変圧を行うことができる。また、トランスにより1次−2次間の電気的絶縁を保って所望の変圧比で変圧を行うことができる。このような複合的変圧により、入出力間の電気的絶縁を確保しながら、大きな変圧比を実現可能とする。
こうして、電気回路で変圧を行う変圧装置において、入出力間での漏れ電流を低減し、回路規模の拡大を抑制しつつ大きな変圧比を実現可能とする。
In the transformer device configured as described above, at least one of the front stage circuit and the rear stage circuit including the plurality of reactance elements can be transformed only by the electric circuit instead of the electromagnetic induction. Further, the transformer can maintain the electrical insulation between the primary and secondary and perform the transformation at a desired transformation ratio. Such a composite transformer makes it possible to realize a large transformer ratio while ensuring electrical insulation between the input and output.
In this way, in a transformer device that transforms with an electric circuit, it is possible to reduce the leakage current between the input and output and realize a large transformation ratio while suppressing the expansion of the circuit scale.

(2)また、(1)の変圧装置において、前記トランスの2次側巻線は中点タップを有し、当該中点タップから当該2次側巻線の一端及び他端までがそれぞれ前記後段回路における前記リアクタンス素子でもある、という構成であってもよい。
この場合、トランスの巻線が後段回路のリアクタンス素子にもなるので、後段回路用にリアクタンス素子を別途設けなくてもよい。
(2) Further, in the transformer device of (1), the secondary winding of the transformer has a midpoint tap, and one end and the other end of the secondary winding from the midpoint tap are the latter stages, respectively. It may be configured to be the reactance element in the circuit.
In this case, since the winding of the transformer also serves as the reactance element of the post-stage circuit, it is not necessary to separately provide the reactance element for the post-stage circuit.

(3)また、(1)又は(2)の変圧装置において、前記トランスの1次側巻線は中点タップを有し、当該中点タップから当該1次側巻線の一端及び他端までがそれぞれ前記前段回路における前記リアクタンス素子でもある、という構成であってもよい。
この場合、トランスの巻線が前段回路のリアクタンス素子にもなるので、前段回路用にリアクタンス素子を別途設けなくてもよい。
(3) Further, in the transformer device of (1) or (2), the primary winding of the transformer has a midpoint tap, and from the midpoint tap to one end and the other end of the primary winding. May also be the reactance element in the pre-stage circuit.
In this case, since the winding of the transformer also serves as the reactance element of the pre-stage circuit, it is not necessary to separately provide the reactance element for the pre-stage circuit.

(4)また、(1)〜(3)のいずれかの変圧装置において、例えば、所望の変圧比を、前記前段回路及び前記後段回路のそれぞれの変圧比の合成値で不足する分の変圧比を前記トランスの変圧比で調整して実現することができる。
この場合、所望の任意の変圧比を正確に実現することができる。すなわち、前段回路及び後段回路のみでは所望の変圧比に正確に調整することが困難な場合でも、トランスの変圧比は任意に設定できるので、所望の任意の変圧比を正確に実現することができる。例えば、降圧の場合であれば、前段回路及び後段回路の変圧比の合成値は(1/偶数)の変圧比となるが、変圧装置全体として所望の変圧比が(1/奇数)である場合でも、トランスの変圧比の設定により、これを実現することができる。
(4) Further, in any of the transformer devices (1) to (3), for example, the desired transformation ratio is insufficient in the combined value of the transformation ratios of the front-stage circuit and the rear-stage circuit. Can be realized by adjusting the transformation ratio of the transformer.
In this case, any desired transformation ratio can be achieved accurately. That is, even when it is difficult to accurately adjust the desired transformation ratio only with the front-stage circuit and the rear-stage circuit, the transformation ratio of the transformer can be arbitrarily set, so that any desired transformation ratio can be accurately realized. .. For example, in the case of step-down, the combined value of the transformation ratios of the front-stage circuit and the rear-stage circuit is (1 / even), but the desired transformation ratio for the entire transformer is (1 / odd). However, this can be achieved by setting the transformer transformation ratio.

[実施形態の詳細]
まず、前提となる、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の構成例から説明する。
[Details of Embodiment]
First, a configuration example of a transformer device by switching and a circuit configuration using a reactance element, which is a premise, will be described.

《前提第1例》
図1は、第1例に係る変圧装置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10kHz以上である。
<< First example of premise >>
FIG. 1 is a circuit diagram showing a transformer device 1 according to the first example. In the figure, the transformer device 1 is provided between the AC power supply 2 and the load R (R is also a resistance value). The transformer device 1 includes a pair of capacitors C1 and C2, a pair of inductors L1 and L2, four switches S r1 , S r2 , S b1 and S b2 , and these switches S r1 , S r2 , S b1 and S. It includes a switching control unit 3 that controls on / off of b2. The switching frequency of the switching control unit 3 is, for example, 10 kHz or more.

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。
図1のような変圧装置1は、電源側の前段回路として2個のキャパシタC1,C2を含み、負荷側の後段回路として2個のインダクタL1,L2を含むので、「2C2L」の変圧装置と称することとする。
The capacitance values of the pair of capacitors C1 and C2 may be the same value or may be different from each other. The same applies to the inductance values of the pair of inductors L1 and L2.
The transformer device 1 as shown in FIG. 1 includes two capacitors C1 and C2 as the front-stage circuit on the power supply side and two inductors L1 and L2 as the rear-stage circuit on the load side. It will be referred to.

スイッチSr1,Sr2,Sb1,Sb2及びスイッチング制御部3により、変圧装置1の回路接続の状態を切り替えるスイッチ装置4が構成されている。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。スイッチSr1,Sr2,Sb1,Sb2は、例えば、SiC素子又はGaN素子からなる半導体スイッチング素子である。SiC素子又はGaN素子は、例えばSi素子に比べて、より高速なスイッチングが可能である。また、素子を多段に接続しなくても、充分な耐圧(例えば6kV/1個も可能)が得られる。 The switches S r1 , S r2 , S b1 , S b2, and the switching control unit 3 constitute a switch device 4 for switching the circuit connection state of the transformer device 1. The switches S r1 and S r2 operate in synchronization with each other, and the switches S b1 and S b2 operate in synchronization with each other. Then, the pair of the switches S r1 and S r2 and the pair of the switches S b1 and S b2 operate so as to be exclusively and alternately turned on. The switches S r1 , S r2 , S b1 , and S b2 are semiconductor switching elements including, for example, a SiC element or a GaN element. A SiC element or a GaN element can switch at a higher speed than, for example, a Si element. Further, a sufficient withstand voltage (for example, 6 kV / one can be obtained) can be obtained without connecting the elements in multiple stages.

なお、図1においては、電源は交流電源2である。スイッチング周波数(10kHz以上)が速いので、変圧装置1は、商用交流の周波数(50/60Hz)に適用可能であるが、当然に、電源が直流であっても適用可能である。
また、スイッチSr1,Sr2,Sb1,Sb2は、例えばFET(Field Effect Transistor)であれば、逆並列のダイオードを内蔵するので、このような素子を2個、互いに逆向きの直列接続にするなどして双方向スイッチを実現する。なお、入力電圧Vinが直流電圧の場合は片方向スイッチでよい。
In FIG. 1, the power source is the AC power source 2. Since the switching frequency (10 kHz or more) is fast, the transformer device 1 can be applied to a commercial AC frequency (50 / 60 Hz), but of course, it can be applied even if the power supply is a direct current.
Further, since the switches S r1 , S r2 , S b1 and S b2 have built-in anti-parallel diodes in the case of FETs (Field Effect Transistors), for example, two such elements are connected in series in opposite directions to each other. To realize a bidirectional switch. When the input voltage Vin is a DC voltage, a one-way switch may be used.

図1において、一対のキャパシタC1,C2は、接続点M1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、交流電源2が接続されている。一対のキャパシタC1,C2の直列体には入力電圧vinが印加され、入力電流iinが流れる。
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vが印加され、入力電流i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。
In FIG. 1, the pair of capacitors C1 and C2 are connected in series with each other at the connection point M1. The AC power supply 2 is connected to both ends of the series. The series of the pair of capacitors C1, C2 are applied input voltage v in flows input current i in is.
Further, the pair of inductors L1 and L2 are connected in series with each other at the connection point M2. Then, the both ends of the series connection body, are applied input voltage v m through the capacitors C1, C2 flows input current i m. A current flows through the load R when either the switch S r2 or S b2 is on. Here, the voltage applied to the load R is defined as v out , and the output current flowing from the transformer device 1 to the load R is defined as i out.

図2の(a)は、図1における4つのスイッチSr1,Sr2,Sb1,Sb2のうち、上側にある2つのスイッチSr1,Sr2がオンで、下側にある2つのスイッチSb1,Sb2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。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。また、図2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。
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。
In FIG. 2A, of the four switches S r1 , S r2 , S b1 and S b2 in FIG. 1, the two switches S r1 and S r2 on the upper side are on and the two switches on the lower side are on. It is a circuit diagram which shows the state of the substance connection when S b1 and S b2 are off. The switch device 4 in FIG. 1 is not shown. Further, FIG. 2B is a circuit diagram in which the same circuit diagram as in FIG. 2A is rewritten in a stepped manner.
On the other hand, in FIG. 3A, of the four switches S r1 , S r2 , S b1 and S b2 in FIG. 1, the two switches S b1 and S b2 on the lower side are on and the switches S b1 and S b2 on the upper side are on. It is a circuit diagram which shows the state of the physical connection when one switch S r1 and S r2 is off. Further, FIG. 3B is a circuit diagram in which the same circuit diagram as in FIG. 3A is rewritten in a stepped manner.

図2,図3の状態を交互に繰り返すことにより、キャパシタC1,C2の直列体の接続点M1を介して取り出される電圧は、さらに、インダクタL1,L2の直列体の接続点M2を介して取り出される電圧となる。すなわち、一対のキャパシタC1,C2を含む前段回路と、一対のインダクタL1,L2を含む後段回路を備えた回路構成であり、かつ、各段において、スイッチングにより、入力に対する出力の極性が反転する。なお、キャパシタC1,C2に関してはスイッチングにより交互に電流の向きが反転し、インダクタL1,L2に関してはスイッチングにより交互に電圧の向きが反転する。 By alternately repeating the states of FIGS. 2 and 3, the voltage taken out through the connection point M1 of the series of capacitors C1 and C2 is further taken out through the connection point M2 of the series of inductors L1 and L2. It becomes the voltage to be. That is, the circuit configuration includes a front-stage circuit including a pair of capacitors C1 and C2 and a rear-stage circuit including a pair of inductors L1 and L2, and in each stage, the polarity of the output with respect to the input is inverted by switching. The current directions of the capacitors C1 and C2 are alternately reversed by switching, and the voltage directions of the inductors L1 and L2 are alternately reversed by switching.

上記のような動作をする変圧装置1では、一定条件下で、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となることが確認されている(特許文献1より)。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。 In the transformer device 1 to the operation described above, under certain conditions, v in ≒ 4v out next without regard to (fluctuation of the value of R) load change, the output voltage, that is approximately 1/4 of the input voltage Has been confirmed (from Patent Document 1). Since there is no loss other than the load R, the output current is about 4 times the input current and the input impedance is 16 times the resistance value R.

一定条件とは、インダクタL1,L2のインダクタンスをL、キャパシタC1,C2のキャパシタンスをC、交流電源2の周波数をf、スイッチング周波数をfとした場合の回路パラメータ条件として、インダクタンスに関しては、2πfL<<R<<2πfL、である。また、キャパシタンスに関しては、1/(2πfC)<<R<<1/(2πfC)である。この回路パラメータ条件が満たされることにより、負荷変動に対して変圧比が一定であることを確実に実現し、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。 The constant conditions, the inductance of the inductor L1, L2 L, the capacitance of the capacitor C1, C2 C, frequency f o of the AC power source 2, as a circuit parameter condition when the switching frequency is f S, with respect to the inductance, 2πf o L << R << 2πf s L. The capacitance is 1 / (2πf s C) << R << 1 / (2πf o C). By satisfying this circuit parameter condition, it is surely realized that the transformation ratio is constant with respect to the load fluctuation, and a more stable transformation operation with less distortion can be obtained. The difference indicated by the inequality sign preferably has a difference of, for example, one digit or more, more preferably two digits or more.

図4は、上が、変圧装置1に対する入力電圧、下が、入力電流をそれぞれ表す波形図である。
図5は、変圧の中間段階での電圧v、電流i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(の包絡線)、下が、出力電流(の包絡線)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。
FIG. 4 is a waveform diagram showing the input voltage for the transformer device 1 on the upper side and the input current on the lower side.
Figure 5 is a waveform diagram showing the voltage v m at the intermediate stage of the transformer, the current i m respectively. This is actually composed of a pulse train by switching, and has a waveform as shown in the figure as a whole.
Further, FIG. 6 is a waveform diagram showing the output voltage (envelope) from the transformer device 1 on the upper side and the output current (envelope line) on the lower side. As is clear from the comparison of FIGS. 4 and 6, the voltage is transformed into 1/4, and the current is quadrupled accordingly.

ここで、再度、図1の変圧装置1の構成を確認すると、変圧装置1は、スイッチSr1,Sb1及びキャパシタC1,C2によって構成される前段回路、及び、スイッチSr2,Sb2及びインダクタL1,L2によって構成される後段回路を備えている。前段回路は、互いに直列接続され交流電源2からの入力電圧を受ける複数のキャパシタC1,C2、及び、当該キャパシタC1,C2の各々に印加されている電圧を、スイッチSr1,Sb1のオン/オフにより対象となる1個のキャパシタを交代しつつ、かつ、極性を反転させながら出力する回路となっている。同様に、後段回路は、互いに直列接続され、前段回路からの入力電圧を受ける複数のインダクタL1,L2、及び、当該インダクタL1,L2の各々に印加されている電圧を、スイッチSr2,Sb2のオン/オフにより対象となる1個のインダクタを交代しつつ、かつ、極性を反転させながら出力する回路となっている。 Here, when the configuration of the transformer device 1 of FIG. 1 is confirmed again, the transformer device 1 is a pre-stage circuit composed of switches S r1 , S b1 and capacitors C1 and C2, and switches S r2 , S b2 and an inductor. It is provided with a post-stage circuit composed of L1 and L2. In the pre-stage circuit, the voltages applied to each of the plurality of capacitors C1 and C2 connected in series to each other and receiving the input voltage from the AC power supply 2 and the capacitors C1 and C2 are set to turn on / on the switches S r1 and S b1. It is a circuit that outputs while alternating one target capacitor by turning it off and inverting the polarity. Similarly, the rear-stage circuits are connected in series with each other, and the voltages applied to the plurality of inductors L1 and L2 that receive the input voltage from the front-stage circuit and the inductors L1 and L2 are set to the switches S r2 and S b2. It is a circuit that outputs while alternating one target inductor and inverting the polarity by turning on / off.

変圧装置として変圧機能を発揮するためには、少なくとも前段回路及び後段回路の一方が、上述のような回路となっていることが必要である。但し、回路のバリエーションは他にもある(詳細後述)。 In order to exert the transformer function as a transformer device, it is necessary that at least one of the front stage circuit and the rear stage circuit is a circuit as described above. However, there are other circuit variations (details will be described later).

《前提第2例》
図7は、第2例に係る変圧装置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例と同様である。
<< Second example of premise >>
FIG. 7 is a circuit diagram showing the transformer device 1 according to the second example. The substance of the transformer device 1 is the same as that of FIG. 1, but the difference from FIG. 1 is that the AC power supply 2 and the load R are interchanged. In this case, the input / output is reversed, but the input voltage is boosted four times. With boosting, the output current becomes 1/4. The circuit parameter conditions are the same as in the first example.

図8は、上が、第2例の変圧装置1に対する入力電圧、下が、入力電流をそれぞれ表す波形図である。また、図9は、上が、変圧装置1からの出力電圧(の包絡線)、下が、出力電流(の包絡線)をそれぞれ表す波形図である。図8,図9の対比により明らかなように、電圧は4倍に変圧され、それに伴って、電流は1/4となる。
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。
FIG. 8 is a waveform diagram showing the input voltage for the transformer device 1 of the second example on the upper side and the input current on the lower side. Further, FIG. 9 is a waveform diagram showing the output voltage (envelope) from the transformer device 1 on the upper side and the output current (envelope line) on the lower side. As is clear from the contrast between FIGS. 8 and 9, the voltage is transformed four times, and the current is reduced to one quarter accordingly.
As described above, the transformer device 1 shown in FIG. 1 or FIG. 7 has input / output reversibility.

《前提第3例》
図10は、第3例に係る変圧装置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例と同様である。
<< Third example of premise >>
FIG. 10 is a circuit diagram showing a transformer device 1 according to a third example. In this transformer device 1, the arrangement of the switches S r1 , S r2 , S b1 and S b2 is different from that in FIG. 1, but the other configurations are the same as those in FIG. That is, in FIG. 10, the switches S b2 and S r2 on the inductor L1 and L2 sides are upside down from those in FIG. Regarding the operation timing, as in the case of FIG. 1, the switches S r1 and S r2 operate in synchronization with each other, and the switches S b1 and S b2 operate in synchronization with each other. Then, the pair of the switches S r1 and S r2 and the pair of the switches S b1 and S b2 operate so as to be exclusively and alternately turned on. The circuit parameter conditions are the same as in the first example.

図10の回路では、インダクタ側にあるスイッチSb2,Sr2は、図1の回路とは逆相でスイッチング動作を行うことになる。
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。
In the circuit of FIG. 10, the switches S b2 and S r2 on the inductor side perform switching operations in the opposite phase to the circuit of FIG.
According to such a switch arrangement and operation, the phase of the output with respect to the input can be inverted as compared with the case of FIG.

《前提第4例》
図11は、第4例に係る変圧装置1を示す回路図である。この変圧装置1では変圧比を大きくとるために、前段回路を拡大している。前段回路の基本は図1と同様の「2C」を8段構成にして「16C」としている。この場合、スイッチ16個(Sr1,Sb1,・・・,Sr8,Sb8)の他、キャパシタは例えば16個(絶縁目的にキャパシタを要する場合は(16+1)個)、必要となる。このような前段回路は、入力電圧Vinに対してVin/16を出力することがわかっている。後段回路は図1と同様であり、スイッチSr9,Sb9及びインダクタL1,L2を有する。後段回路は、入力電圧Vin/16に対してVin/32を出力する。
<< Premise 4th example >>
FIG. 11 is a circuit diagram showing a transformer device 1 according to a fourth example. In this transformer device 1, the pre-stage circuit is expanded in order to obtain a large transformation ratio. The basis of the pre-stage circuit is "16C" by forming an 8-stage configuration of "2C" similar to that in FIG. In this case, in addition to 16 switches (S r1 , S b1 , ..., S r8 , S b8 ), for example, 16 capacitors ((16 + 1) when a capacitor is required for insulation purposes) are required. It is known that such a pre-stage circuit outputs Vin / 16 with respect to the input voltage Vin. The subsequent circuit is the same as in FIG. 1, and has switches S r9 and S b9 and inductors L1 and L2. The subsequent circuit outputs Vin / 32 with respect to the input voltage Vin / 16.

《変圧装置のインピーダンス》
図12は、後掲の図13との比較のための、図1とは少し異なる変圧装置1である。図1との違いは、前段回路にキャパシタC3、後段回路にインダクタL3がそれぞれ、追加されていることである。このようにキャパシタC3及びインダクタL3が追加されてはいるが、これらの素子は変圧に寄与しないので、この変圧装置1もタイプとしては「2C2L」である。キャパシタC3は低周波に対する絶縁目的で設けられ、インダクタL3は高周波に対する絶縁目的で設けられている。なお、例えばキャパシタンスは、C1,C2,C3とも、4.7μFとした。
《Transformer impedance》
FIG. 12 is a transformer device 1 slightly different from FIG. 1 for comparison with FIG. 13 described later. The difference from FIG. 1 is that the capacitor C3 is added to the front-stage circuit and the inductor L3 is added to the rear-stage circuit. Although the capacitor C3 and the inductor L3 are added in this way, since these elements do not contribute to the transformation, the transformer device 1 is also a type of "2C2L". The capacitor C3 is provided for the purpose of insulating against low frequencies, and the inductor L3 is provided for the purpose of insulating against high frequencies. For example, the capacitance was set to 4.7 μF for all C1, C2, and C3.

《トランス付きの実施形態》
さて次に、図13は、本発明の一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。そして、前段回路と後段回路との間に、トランス5が設けられている。すなわち、スイッチSr1,Sb1及びキャパシタC1,C2による前段回路の出力電路対が、トランス5の1次巻線に接続されている。トランス5の2次側巻線の出力電圧は、後段回路への入力電圧となる。その他の回路構成及び回路の詳細は、図1と同様である。なお、例えばトランス5の巻き数比は1:1であり、巻き数は37回巻である。
<< Embodiment with transformer >>
Next, FIG. 13 is a circuit diagram showing a transformer device 1 according to an embodiment of the present invention. In the figure, the transformer device 1 is provided between the AC power supply 2 and the load R (R is also a resistance value). A transformer 5 is provided between the front-stage circuit and the rear-stage circuit. That is, the output circuit pair of the pre-stage circuit by the switches S r1 and S b1 and the capacitors C1 and C2 is connected to the primary winding of the transformer 5. The output voltage of the secondary winding of the transformer 5 is the input voltage to the subsequent circuit. Other circuit configurations and circuit details are the same as in FIG. For example, the number of turns of the transformer 5 is 1: 1 and the number of turns is 37.

《インピーダンス比較》
図14は、図13の変圧装置1に、インピーダンスを測定する回路を接続した図である。すなわち、変圧装置1の入力端及び出力端の間に、交流電源6(100V,50Hz)から正弦波の電圧を印加し、流れる電流を電流センサ7で測定してインピーダンスを求める。図12の変圧装置1(トランスなし)についても同様にインピーダンスを求める。
《Impedance comparison》
FIG. 14 is a diagram in which a circuit for measuring impedance is connected to the transformer device 1 of FIG. That is, a sine wave voltage is applied from the AC power supply 6 (100 V, 50 Hz) between the input end and the output end of the transformer device 1, and the flowing current is measured by the current sensor 7 to obtain the impedance. The impedance is obtained in the same manner for the transformer device 1 (without a transformer) shown in FIG.

結果は、図12の変圧装置1(トランスなし)の場合、約300Ω、図13の変圧装置1(トランスあり)の場合、約20MΩであった。このように、トランス5を挿入することによって変圧装置1の入力端−出力端の絶縁性能を大幅に向上させることができる。また、トランス5の挿入位置を前段回路と後段回路との間にすることで、トランス5に印加される電圧の周波数はスイッチング周波数であり、高周波(例えば10kHz以上)である。従って、使用するトランスは高周波トランスであり、小型・軽量なものを使用することができる。また、巻き数比を任意に設定できるので、電気回路の規模増大を抑制しつつ、大きな変圧比を実現可能とする。 The result was about 300Ω in the case of the transformer device 1 (without a transformer) in FIG. 12, and about 20MΩ in the case of the transformer device 1 (with a transformer) in FIG. In this way, by inserting the transformer 5, the insulation performance between the input end and the output end of the transformer device 1 can be significantly improved. Further, by setting the insertion position of the transformer 5 between the front circuit and the rear circuit, the frequency of the voltage applied to the transformer 5 is a switching frequency, which is a high frequency (for example, 10 kHz or more). Therefore, the transformer used is a high-frequency transformer, and a compact and lightweight transformer can be used. Further, since the turns ratio can be set arbitrarily, it is possible to realize a large transformation ratio while suppressing an increase in the scale of the electric circuit.

また、トランス5を用いることで、例えば、所望の変圧比を、前段回路及び後段回路のそれぞれの変圧比の合成値で不足する分の変圧比をトランスの変圧比で調整して実現することができる。この場合、所望の任意の変圧比を正確に実現することができる。すなわち、前段回路及び後段回路のみでは所望の変圧比に正確に調整することが困難な場合でも、トランスの変圧比は任意に設定できるので、所望の任意の変圧比を正確に実現することができる。例えば、降圧の場合であれば、前段回路及び後段回路の合成変圧比は(1/偶数)の変圧比となるが、変圧装置全体として所望の変圧比が(1/奇数)である場合でも、トランスの変圧比の設定により、これを実現することができる。具体例で言えば、例えば前段回路の変圧比が(1/2),トランス5の変圧比が(1/3.75)、後段回路の変圧比が(1/2)であれば、全体としては(1/15)という変圧比が得られる。 Further, by using the transformer 5, for example, it is possible to realize a desired transformation ratio by adjusting the transformation ratio of the transformer, which is insufficient in the combined value of the transformation ratios of the front stage circuit and the rear stage circuit. can. In this case, any desired transformation ratio can be achieved accurately. That is, even when it is difficult to accurately adjust the desired transformation ratio only with the front-stage circuit and the rear-stage circuit, the transformation ratio of the transformer can be arbitrarily set, so that any desired transformation ratio can be accurately realized. .. For example, in the case of step-down, the combined transformation ratio of the front-stage circuit and the rear-stage circuit is (1 / even), but even when the desired transformation ratio of the entire transformer is (1 / odd). This can be achieved by setting the transformer transformation ratio. Specifically, for example, if the transformation ratio of the front-stage circuit is (1/2), the transformation ratio of the transformer 5 is (1 / 3.75), and the transformation ratio of the rear-stage circuit is (1/2), the whole is A transformation ratio of (1/15) is obtained.

《リアクタンス素子の位置の変形例》
ここで、前段回路におけるキャパシタの挿入位置のバリエーションについて説明する。図15は、図13の前段回路1fに着目した場合の、キャパシタC1,C2の位置が異なる変圧装置1を示す回路図である。互いに直列に接続されたスイッチSr1,Sb1の全体を「スイッチ直列体」として見た場合、スイッチ直列体の一端をノードn11、他端をノードn13、相互接続点をノードn12として、2つのキャパシタの設け方は、図13以外にも下記の例がある。
<< Deformation example of the position of the reactance element >>
Here, variations in the insertion position of the capacitor in the pre-stage circuit will be described. FIG. 15 is a circuit diagram showing a transformer device 1 in which the positions of capacitors C1 and C2 are different when focusing on the pre-stage circuit 1f of FIG. When the entire switches S r1 and S b1 connected in series with each other are viewed as a "switch series", one end of the switch series is node n11, the other end is node n13, and the interconnection point is node n12. In addition to FIG. 13, there are the following examples of how to provide the capacitor.

図15において、(a)の前段回路1fでは、ノードn12とトランス5の1次巻線とを繋ぐ電路にキャパシタC1が設けられ、ノードn13と接続点M1との間にキャパシタC2が設けられる。
(b)の前段回路1fでは、ノードn11と接続点M1との間にキャパシタC1が設けられ、ノードn12とトランス5の1次巻線とを繋ぐ電路にキャパシタC2が設けられる。
(c)の前段回路1fでは、ノードn11と接続点M1との間にキャパシタC1が設けられ、接続点M1とトランス5の1次巻線とを繋ぐ電路にキャパシタC2が設けられる。
(d)の前段回路1fでは、ノードn13と接続点M1との間にキャパシタC1が設けられ、接続点M1とトランス5の1次巻線とを繋ぐ電路にキャパシタC2が設けられる。
In FIG. 15, in the pre-stage circuit 1f of (a), the capacitor C1 is provided in the electric circuit connecting the node n12 and the primary winding of the transformer 5, and the capacitor C2 is provided between the node n13 and the connection point M1.
In the pre-stage circuit 1f of (b), the capacitor C1 is provided between the node n11 and the connection point M1, and the capacitor C2 is provided in the electric circuit connecting the node n12 and the primary winding of the transformer 5.
In the pre-stage circuit 1f of (c), the capacitor C1 is provided between the node n11 and the connection point M1, and the capacitor C2 is provided in the electric circuit connecting the connection point M1 and the primary winding of the transformer 5.
In the pre-stage circuit 1f of (d), the capacitor C1 is provided between the node n13 and the connection point M1, and the capacitor C2 is provided in the electric circuit connecting the connection point M1 and the primary winding of the transformer 5.

図13及び図15に示したキャパシタの設け方の要領は、以下のように表現できる。
すなわち、前段回路におけるキャパシタは少なくとも2つ必要であり、ノードn11,n12,n13のそれぞれの相互間に少なくとも1つ存在するように挿入する必要がある。例えば、図13において、ノードn11とn12との間にはトランス5の1次巻線経由でキャパシタC1があり、ノードn12とn13との間にはキャパシタC2があり、そして、ノードn11とn13との間にはキャパシタC1,C2がある。
The procedure for providing the capacitors shown in FIGS. 13 and 15 can be expressed as follows.
That is, at least two capacitors are required in the pre-stage circuit, and at least one capacitor needs to be inserted between the nodes n11, n12, and n13. For example, in FIG. 13, there is a capacitor C1 between the nodes n11 and n12 via the primary winding of the transformer 5, a capacitor C2 between the nodes n12 and n13, and the nodes n11 and n13. There are capacitors C1 and C2 between them.

別の例を挙げると、図15の(c)において、ノードn11とn12との間にはキャパシタC1,C2があり、ノードn12とn13との間にはキャパシタC2があり、そして、ノードn11とn13との間にはキャパシタC1がある。 To give another example, in FIG. 15C, there are capacitors C1 and C2 between nodes n11 and n12, capacitors C2 between nodes n12 and n13, and nodes n11. There is a capacitor C1 between the n13 and the capacitor C1.

この法則は、前段回路が「2C」のみならず「4C」、「6C」と増大しても同様に適用することができる。「2C」に対する倍数をn(自然数)とすると、前段回路におけるキャパシタは少なくとも2n個必要であり、各ノードのそれぞれの相互間に少なくとも1つ挿入する必要がある。 This law can be applied similarly even if the pre-stage circuit increases not only to "2C" but also to "4C" and "6C". Assuming that the multiple of "2C" is n (natural number), at least 2n capacitors are required in the pre-stage circuit, and at least one capacitor needs to be inserted between the respective nodes.

次に、後段回路におけるインダクタの挿入位置のバリエーションについて説明する。
図16は、図13の後段回路1rに着目した場合の、インダクタL1,L2の位置が異なる変圧装置1を示す回路図である。互いに直列に接続されたスイッチSr2,Sb2の全体を「スイッチ直列体」として見た場合、スイッチ直列体の一端をノードn21、他端をノードn23、相互接続点をノードn22として、2つのインダクタの設け方は、図13以外にも下記の例がある。
Next, variations in the insertion position of the inductor in the subsequent circuit will be described.
FIG. 16 is a circuit diagram showing a transformer device 1 in which the positions of the inductors L1 and L2 are different when focusing on the subsequent circuit 1r of FIG. When the entire switches S r2 and S b2 connected in series with each other are viewed as a "switch series", one end of the switch series is node n21, the other end is node n23, and the interconnection point is node n22. In addition to FIG. 13, there are the following examples of how to provide the inductor.

図16において、(a)の後段回路1rでは、ノードn22と負荷とを繋ぐ電路にインダクタL1が設けられ、ノードn23と接続点M2との間にインダクタL2が設けられる。
(b)の後段回路1rでは、ノードn21と接続点M2との間にインダクタL1が設けられ、ノードn22と負荷とを繋ぐ電路にインダクタL2が設けられる。
(c)の後段回路1rでは、ノードn21と接続点M2との間にインダクタL1が設けられ、接続点M2と負荷とを繋ぐ電路にインダクタL2が設けられる。
(d)の後段回路1rでは、ノードn23と接続点M2との間にインダクタL1が設けられ、接続点M2と負荷とを繋ぐ電路にインダクタL2が設けられる。
In FIG. 16, in the subsequent circuit 1r of (a), the inductor L1 is provided in the electric circuit connecting the node n22 and the load, and the inductor L2 is provided between the node n23 and the connection point M2.
In the subsequent circuit 1r of (b), the inductor L1 is provided between the node n21 and the connection point M2, and the inductor L2 is provided in the electric circuit connecting the node n22 and the load.
In the subsequent circuit 1r of (c), the inductor L1 is provided between the node n21 and the connection point M2, and the inductor L2 is provided in the electric circuit connecting the connection point M2 and the load.
In the subsequent circuit 1r of (d), the inductor L1 is provided between the node n23 and the connection point M2, and the inductor L2 is provided in the electric circuit connecting the connection point M2 and the load.

図13及び図16に示したインダクタの設け方の要領は、以下のように表現できる。
すなわち、後段回路におけるインダクタは少なくとも2つ必要であり、ノードn21,n22,n23のそれぞれの相互間に少なくとも1つ挿入する必要がある。例えば、図13において、ノードn21とn22との間には負荷R経由でインダクタL1があり、ノードn22とn23との間にはインダクタL2があり、そして、ノードn21とn23との間にはインダクタL1,L2がある。
The procedure for providing the inductors shown in FIGS. 13 and 16 can be expressed as follows.
That is, at least two inductors are required in the subsequent circuit, and at least one inductor needs to be inserted between the nodes n21, n22, and n23. For example, in FIG. 13, there is an inductor L1 between the nodes n21 and n22 via the load R, an inductor L2 between the nodes n22 and n23, and an inductor between the nodes n21 and n23. There are L1 and L2.

別の例を挙げると、図16の(b)において、ノードn21とノードn22との間にはインダクタL1,L2があり、ノードn22とn23との間にはインダクタL2があり、そして、ノードn21とn23との間にはインダクタL1がある。 To give another example, in FIG. 16B, there are inductors L1 and L2 between nodes n21 and n22, inductors L2 between nodes n22 and n23, and node n21. There is an inductor L1 between and n23.

《高変圧比の変圧装置》
図17は、高変圧比の一例として変圧比32:1を実現する変圧装置1を示す回路図である。仮に、トランスを使用しないとすると、変圧比32:1を実現する変圧装置1は図11に示したように、例えば前段回路が8段の「16C2L」の構成となる。この場合、回路素子数が増大する。しかしながら、図17のように、例えば変圧比8:1のトランス5を中間に介在させれば、前段回路及び後段回路共に、最もシンプルな1段(2C2L)の構成でよい。すなわち、降圧の場合、入力電圧Vinは前段回路で(Vin/2)に降圧され、トランスで(Vin/16)にまで降圧され、最終的に後段回路で(Vin/32)を出力することができる。
《Transformers with high transformation ratio》
FIG. 17 is a circuit diagram showing a transformer device 1 that realizes a transformation ratio of 32: 1 as an example of a high transformation ratio. Assuming that a transformer is not used, the transformer device 1 that realizes a transformation ratio of 32: 1 has, for example, a “16C2L” configuration in which the front-stage circuit has eight stages, as shown in FIG. In this case, the number of circuit elements increases. However, as shown in FIG. 17, if a transformer 5 having a transformation ratio of 8: 1 is interposed in the middle, both the front-stage circuit and the rear-stage circuit may have the simplest one-stage (2C2L) configuration. That is, in the case of step-down, the input voltage Vin may be stepped down to (Vin / 2) in the pre-stage circuit, stepped down to (Vin / 16) in the transformer, and finally output (Vin / 32) in the post-stage circuit. can.

このような変圧装置1は、例えば、数百Vの交流入力、電力1kW程度の回路の場合、前段回路、および後段回路の1段分の体積は500cm程度、絶縁トランスは200cm程度である。この場合、図11のトランス無し変圧装置1では、体積が、500×8+500×1+200×0=4500cm、図17のトランス付き変圧装置1では500×1+500×1+200×1=1200cmとなる。すなわち、図17のトランス付き変圧装置1の体積は、図11のトランス無し変圧装置1の体積の約27%になり、コンパクト化が実現できる。 In such a transformer device 1, for example, in the case of a circuit having an AC input of several hundred V and a power of about 1 kW, the volume of one stage of the front stage circuit and the rear stage circuit is about 500 cm 3 and the isolation transformer is about 200 cm 3. .. In this case, the volume of the transformerless transformer 1 of FIG. 11 is 500 × 8 + 500 × 1 + 200 × 0 = 4500 cm 3 , and the volume of the transformerless transformer 1 of FIG. 17 is 500 × 1 + 500 × 1 + 200 × 1 = 1200 cm 3 . That is, the volume of the transformer-equipped transformer 1 in FIG. 17 is about 27% of the volume of the transformer-less transformer 1 in FIG. 11, and compactification can be realized.

《中点タップトランスの活用》
図18は、中点タップ付きのトランス5を使用した変圧装置1を示す回路図である。例えば、図13と比較すれば明らかなように、後段回路として存在するはずのインダクタが、図18の変圧装置1では、中点タップ付きのトランス5の巻線で代用(兼用)されている。図18において、一対のスイッチSr2,Sb2を互いに直列に接続して成るスイッチ直列体は、トランス5の2次側巻線の両端に接続されている。負荷Rは、2次巻線の中点タップと、スイッチ直列体の相互接続点であるノードn22との間に接続されている。
<< Utilization of midpoint tap transformer >>
FIG. 18 is a circuit diagram showing a transformer device 1 using a transformer 5 with a midpoint tap. For example, as is clear from comparison with FIG. 13, the inductor that should exist as a post-stage circuit is substituted (combined) with the winding of the transformer 5 with a midpoint tap in the transformer device 1 of FIG. In FIG. 18, a switch series body formed by connecting a pair of switches S r2 and S b2 in series with each other is connected to both ends of the secondary winding of the transformer 5. The load R is connected between the midpoint tap of the secondary winding and the node n22, which is the interconnection point of the switch series.

図19は、図18の等価回路である。すなわち、トランス5の2次巻線は例えば、中点タップから一端までがインダクタL1、中点タップから他端までがインダクタL2と考えることができる。中点タップは、2つのインダクタL1,L2の接続点M2である。このように考えると、図19の後段回路は、図13の後段回路と同様である。従って、トランス5はそれ自身の持つ巻き数比で変圧を行い、その一方で、インダクタL1,L2を含む後段回路は1/2の変圧(降圧)を行うことができる。 FIG. 19 is an equivalent circuit of FIG. That is, the secondary winding of the transformer 5 can be considered, for example, the inductor L1 from the midpoint tap to one end and the inductor L2 from the midpoint tap to the other end. The midpoint tap is the connection point M2 of the two inductors L1 and L2. Considering this way, the latter-stage circuit of FIG. 19 is similar to the latter-stage circuit of FIG. Therefore, the transformer 5 can perform transformation at its own turns ratio, while the subsequent circuit including the inductors L1 and L2 can perform half transformation (step-down).

トランス5の巻き数比を任意に設計することにより、変圧装置1全体としての変圧比を任意に設計することできる。例えば、回路全体の変圧比を4:1としたい場合、変圧比の巻き数比を1:1とすることで実現可能であり、回路全体の変圧比を8:1としたい場合、変圧比の巻き数比を2:1とすることで実現可能である。すなわち、前段回路2:1、トランス2:1、後段回路2:1の変圧比で降圧することができる。 By arbitrarily designing the turns ratio of the transformer 5, the transformation ratio of the transformer device 1 as a whole can be arbitrarily designed. For example, if you want to set the transformation ratio of the entire circuit to 4: 1, it can be realized by setting the turns ratio of the transformation ratio to 1: 1. If you want to set the transformation ratio of the entire circuit to 8: 1, the transformation ratio of This can be achieved by setting the turns ratio to 2: 1. That is, the step-down can be performed with a transformation ratio of the front circuit 2: 1, the transformer 2: 1, and the rear circuit 2: 1.

図18,図19の場合、後段回路のインダクタが2つとも不要になるため、体積、重量を大きく削減可能である。例えば、数百μH、10A程度のインダクタの体積と重量はそれぞれ1つあたり約100cm、0.3〜0.5kgである。この場合、インダクタ削減により、体積は約20%削減、重量は約30%削減が可能となる。 In the case of FIGS. 18 and 19, since both inductors in the subsequent circuit are not required, the volume and weight can be significantly reduced. For example hundreds .mu.H, the 10A about the inductor volume and weight, respectively one per about 100 cm 3, a 0.3~0.5Kg. In this case, by reducing the inductor, the volume can be reduced by about 20% and the weight can be reduced by about 30%.

図20は、1次側巻線,2次側巻線共に、中点タップ付きのトランス5を使用した変圧装置1を示す回路図である。この場合、前段回路も後段回路と対称な同様の構成となる。
この場合、図18と比較してさらに、前段回路の2つのキャパシタが不要になるため、さらなる体積の削減が可能である。例えば、数百V耐圧、数μFのコンデンサの体積は1つあたり20〜50cm程度であるため、体積は約10%の削減が期待できる。このような変圧装置1も、トランス5の巻き数比を任意に設計することで、全体としての変圧比を任意に設計することできる。例えば、回路全体の変圧比を4:1としたい場合、変圧比の巻き数比を4:1とすることで実現可能であり、回路全体の変圧比を8:1としたい場合、変圧比の巻き数比を8:1とすることで実現可能である。
FIG. 20 is a circuit diagram showing a transformer device 1 using a transformer 5 with a midpoint tap for both the primary winding and the secondary winding. In this case, the front-stage circuit has the same configuration as the rear-stage circuit.
In this case, as compared with FIG. 18, since the two capacitors in the pre-stage circuit are not required, the volume can be further reduced. For example several hundred V withstand voltage, because the volume of the capacitor having μF is about 20~50cm per 3, volume can be expected reduction of about 10%. In such a transformer device 1, the transformation ratio as a whole can be arbitrarily designed by arbitrarily designing the turns ratio of the transformer 5. For example, if the transformation ratio of the entire circuit is to be 4: 1, it can be realized by setting the turns ratio of the transformation ratio to 4: 1, and if the transformation ratio of the entire circuit is to be 8: 1, the transformation ratio is This can be achieved by setting the turns ratio to 8: 1.

《前段回路及び後段回路のバリエーション》
前段回路及び後段回路には種々のバリエーションがあるので、以下に補足説明する。
図21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。そして、前段回路1fと後段回路1rとの間に、トランス5が介在している。
<< Variations of front-stage circuit and rear-stage circuit >>
Since there are various variations in the front-stage circuit and the rear-stage circuit, a supplementary explanation will be given below.
FIG. 21 is a block diagram showing a schematic configuration of the transformer device 1 as a whole. That is, the transformer device 1 is provided between the power supply 2 and the load R, and has input ports P1 and P2 on the front end side connected to the power supply 2, and output ports P3 and P4 on the rear end side. It is provided with 1f and a rear-stage circuit 1r having output ports P7 and P8 on the rear end side connected to the load R and input ports P5 and P6 on the front end side. A transformer 5 is interposed between the front circuit 1f and the rear circuit 1r.

図22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。但し、ここに示すのは基本形であり、リアクタンス素子(キャパシタ、インダクタ)を設ける電路上の位置については、さらに応用形もある(例えば図15)。
FIG. 22 is a diagram showing a basic form of a circuit that can be selected as the pre-stage circuit 1f.
As the pre-stage circuit of the transformer device 1, any of the following (F1) to (F5) can be selected. However, what is shown here is the basic type, and there is also an applied type regarding the position on the electric circuit where the reactance element (capacitor, inductor) is provided (for example, FIG. 15).

(F1)は、図22の(a)に示す前段回路1f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。
(F1) is the pre-stage circuit 1f shown in FIG. 22 (a).
That is, in (F1), both ends of a series formed by connecting a pair of capacitors in series at a capacitor connection point are connected to input port P1 and input port P2, respectively, and the capacitor connection point is connected to output port P4. This is a pre-stage circuit in which the first switch between the input port P1 and the output port P3 and the second switch between the input port P2 and the output port P3 are alternately turned on by switching.

(F2)は、図22の(b)に示す前段回路1fを1ユニットとして、複数ユニットで多段化した前段回路である。多段化には、出力ポートP3に直結する線路にもキャパシタが必要になる。
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。
(F2) is a pre-stage circuit in which the pre-stage circuit 1f shown in FIG. 22 (b) is regarded as one unit and is multi-staged with a plurality of units. In order to increase the number of stages, a capacitor is also required for the line directly connected to the output port P3.
That is, (F2) is a unit in which a capacitor is inserted in the line directly connected to the output port P3 in the pre-stage circuit of (F1), and the input ports P1 and P2 of a plurality of units are connected in series to each other to form a plurality of units. This is a pre-stage circuit in which the output ports P3 and P4 of the above are connected in parallel with each other.

(F3)は、図22の(c)に示す前段回路1f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。
(F3) is the pre-stage circuit 1f shown in FIG. 22 (c).
That is, in (F3), both ends of a series formed by connecting a pair of inductors in series at the inductor connection points are connected to the output port P3 and the output port P4, respectively, and the inductor connection points are connected to the input port P2. This is a pre-stage circuit in which the first switch between the input port P1 and the output port P3 and the second switch between the input port P1 and the output port P4 are alternately turned on by switching.

(F4)は、図22の(d)に示す前段回路1fを1ユニットとして、複数ユニットで多段化した前段回路である。多段化には、入力ポートP1に直結する線路にもインダクタが必要になる。
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。
(F4) is a pre-stage circuit in which the pre-stage circuit 1f shown in FIG. 22 (d) is regarded as one unit and is multi-staged with a plurality of units. In order to increase the number of stages, an inductor is also required for the line directly connected to the input port P1.
That is, in the pre-stage circuit of (F3), the input ports P1 and P2 of a plurality of units are connected in series to each other, and the output ports of the plurality of units are connected to each other, with the line directly connected to the input port P1 having an inductor inserted as one unit. This is a pre-stage circuit in which P3 and P4 are connected in parallel with each other.

(F5)は、図22の(e)に示す前段回路1f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。
(F5) is the pre-stage circuit 1f shown in FIG. 22 (e).
That is, (F5) is a pre-stage circuit of a full bridge circuit composed of four switches, input from input ports P1 and P2 and output from output ports P3 and P4.

図23は、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。但し、ここに示すのは基本形であり、リアクタンス素子(キャパシタ、インダクタ)を設ける電路上の位置については、さらに応用形もある(例えば図16)。
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。
FIG. 23 is a diagram showing a basic form of a circuit that can be selected as the subsequent circuit 1r. However, what is shown here is the basic type, and there is also an applied type regarding the position on the electric circuit where the reactance element (capacitor, inductor) is provided (for example, FIG. 16).
As the subsequent circuit of the transformer device 1, any of the following (R1) to (R5) can be selected.

(R1)は、図23の(a)に示す後段回路1r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。
(R1) is the subsequent circuit 1r shown in FIG. 23 (a).
That is, in (R1), both ends of a series formed by connecting a pair of inductors in series at the inductor connection points are connected to the input port P5 and the input port P6, respectively, and the inductor connection points are connected to the output port P8. This is a post-stage circuit in which the first switch between the input port P5 and the output port P7 and the second switch between the input port P6 and the output port P7 are alternately turned on by switching.

(R2)は、図23の(b)に示す後段回路1rを1ユニットとして、複数ユニットで多段化した後段回路である。多段化には、出力ポートP7に直結する線路にもインダクタが必要になる。
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。
(R2) is a post-stage circuit in which the post-stage circuit 1r shown in FIG. 23 (b) is regarded as one unit and is multi-staged with a plurality of units. In order to increase the number of stages, an inductor is also required for the line directly connected to the output port P7.
That is, in (R2), the input ports P5 and P6 of a plurality of units are connected in series with each other, with the line directly connected to the output port P7 in the subsequent circuit of (R1) having an inductor inserted as one unit, and a plurality of units are connected. This is a post-stage circuit in which the output ports P7 and P8 of the above are connected in parallel with each other.

(R3)は、図23の(c)に示す後段回路1r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。
(R3) is the subsequent circuit 1r shown in FIG. 23 (c).
That is, in (R3), both ends of a series formed by connecting a pair of capacitors in series at a capacitor connection point are connected to an output port P7 and an output port P8, respectively, and the capacitor connection points are connected to an input port P6. This is a post-stage circuit in which the first switch between the input port P5 and the output port P7 and the second switch between the input port P5 and the output port P8 are alternately turned on by switching.

(R4)は、図23の(d)に示す後段回路1rを1ユニットとして、複数ユニットで多段化した後段回路である。多段化には、入力ポートP5に直結する線路にもキャパシタが必要になる。
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。
(R4) is a post-stage circuit in which the post-stage circuit 1r shown in FIG. 23 (d) is regarded as one unit and is multi-staged with a plurality of units. In order to increase the number of stages, a capacitor is also required for the line directly connected to the input port P5.
That is, (R4) is a unit in which a capacitor is inserted in the line directly connected to the input port P5 in the subsequent circuit of (R3), and the input ports P5 and P6 of a plurality of units are connected in series to each other to form a plurality of units. This is a post-stage circuit in which the output ports P7 and P8 of the above are connected in parallel with each other.

(R5)は、図23の(e)に示す後段回路1r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。
(R5) is the subsequent circuit 1r shown in FIG. 23 (e).
That is, (R5) is a post-stage circuit of a full bridge circuit composed of four switches, input from input ports P5 and P6, and output from output ports P7 and P8.

そして、上記の前段回路(F1)〜(F5)のうちのいずれか一つと、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。 Then, it is configured to include any one of the above-mentioned front stage circuits (F1) to (F5) and any one of the rear stage circuits (R1) to (R5), and the front stage circuit is (F5). ), The combination that the subsequent circuit is (R5) may be excluded as long as it is a transformer device.

上記のように、各種の変圧比を容易に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可能とする。
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、上述の各変圧装置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。
As described above, various transformation ratios can be easily realized.
Further, a plurality of sets of transformer devices including any of the above-mentioned front-stage circuits and rear-stage circuits may be configured in a longitudinal manner. In this case, a large transformation ratio can be realized for both step-down and step-up.
In each of the above embodiments, the power source is an AC power source 2, but each of the above-mentioned transformer devices 1 can also be applied to a DC power source and can also be used as a DC / DC converter.

《直流電源の場合の後段回路のバリエーション》
電源が直流電源である場合に変圧装置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。なお、ダイオードは一種のスイッチである。すなわち、順方向に電圧がかかれば導通(オン)し、逆方向に電圧がかかれば非導通(オフ)となる。
<< Variation of the post-stage circuit in the case of DC power supply >>
When the power source is a DC power source, any of the following (R1) to (R5) can be selected as the subsequent circuit of the transformer device 1. The diode is a kind of switch. That is, if a voltage is applied in the forward direction, it becomes conductive (on), and if a voltage is applied in the reverse direction, it becomes non-conducting (off).

(R1)は、図24の(a)に示す後段回路1r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。
(R1) is the subsequent circuit 1r shown in FIG. 24 (a).
That is, in (R1), both ends of a series formed by connecting a pair of inductors in series at the inductor connection points are connected to the input port P5 and the input port P6, respectively, and the inductor connection points are connected to the output port P8. In the subsequent circuit, the first diode between the input port P5 and the output port P7 and the second diode between the input port P6 and the output port P7 are alternately conducted according to the polarity of the input voltage. be.

(R2)は、図24の(b)に示す後段回路1rを1ユニットとして、複数ユニットで多段化した後段回路である。多段化には、出力ポートP7に直結する線路にもインダクタが必要になる。
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。
(R2) is a post-stage circuit in which the post-stage circuit 1r shown in FIG. 24 (b) is regarded as one unit and is multi-staged with a plurality of units. In order to increase the number of stages, an inductor is also required for the line directly connected to the output port P7.
That is, in (R2), the input ports P5 and P6 of a plurality of units are connected in series with each other, with the line directly connected to the output port P7 in the subsequent circuit of (R1) having an inductor inserted as one unit, and a plurality of units are connected. This is a post-stage circuit in which the output ports P7 and P8 of the above are connected in parallel with each other.

(R3)は、図24の(c)に示す後段回路1r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。
(R3) is the subsequent circuit 1r shown in FIG. 24 (c).
That is, in (R3), both ends of a series formed by connecting a pair of capacitors in series at a capacitor connection point are connected to an output port P7 and an output port P8, respectively, and the capacitor connection point is connected to an input port P6. In the subsequent circuit, the first capacitor between the input port P5 and the output port P7 and the second capacitor between the input port P5 and the output port P8 are alternately conducted according to the polarity of the input voltage. be.

(R4)は、図24の(d)に示す後段回路1rを1ユニットとして、複数ユニットで多段化した後段回路である。多段化には、入力ポートP5に直結する線路にもキャパシタが必要になる。
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。
(R4) is a post-stage circuit in which the post-stage circuit 1r shown in FIG. 24 (d) is regarded as one unit and is multi-staged with a plurality of units. In order to increase the number of stages, a capacitor is also required for the line directly connected to the input port P5.
That is, (R4) is a unit in which a capacitor is inserted in the line directly connected to the input port P5 in the subsequent circuit of (R3), and the input ports P5 and P6 of a plurality of units are connected in series to each other to form a plurality of units. This is a post-stage circuit in which the output ports P7 and P8 of the above are connected in parallel with each other.

(R5)は、図24の(e)に示す後段回路1r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。
(R5) is the subsequent circuit 1r shown in FIG. 24 (e).
That is, (R5) is a post-stage circuit of a full bridge circuit composed of four diodes, input from input ports P5 and P6, and output from output ports P7 and P8.

なお、図24の(a)〜(d)におけるダイオードの向きは、個々のダイオードが図示と逆向き(アノード・カソードが逆)であってもよい。 The directions of the diodes in FIGS. 24 (a) to 24 (d) may be opposite to those shown in the drawings (the anode and cathode are opposite).

以上のように、電源が直流電源である場合は、後段の回路バリエーションが多くなり、まず、交流電源の場合と同様に、図22の前段回路(F1)〜(F5)のうちのいずれか一つと、図23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。
また、図22の前段回路(F1)〜(F5)のうちのいずれか一つと、図24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。
As described above, when the power supply is a DC power supply, there are many circuit variations in the subsequent stage. First, as in the case of the AC power supply, any one of the front stage circuits (F1) to (F5) in FIG. 22 A transformer that is configured to include any one of the latter-stage circuits (R1) to (R5) in FIG. 23 and excludes a combination in which the first-stage circuit is (F5) and the second-stage circuit is (R5). It may be a device.
Further, it is configured to include any one of the front-stage circuits (F1) to (F5) of FIG. 22 and any one of the rear-stage circuits (R1) to (R5) of FIG. 24, and the front stage. A transformer device that excludes the combination of the circuit being (F5) and the subsequent circuit being (R5) may be used.

《まとめ》
以上、総括すると、本明細書の実施形態として開示する変圧装置は、直流又は商用交流の周波数である低周波の電源と、負荷との間に設けられる変圧装置である。そして、この変圧装置は、前段回路と後段回路とを備え、前段回路の出力端と後段回路の入力端との間にはトランスが介在する。前段回路及び後段回路はそれぞれ、複数のスイッチを有し、高周波のスイッチングにより、入力に対して出力の極性を交互に反転させるものである。
"summary"
In summary, the transformer device disclosed as the embodiment of the present specification is a transformer device provided between a low-frequency power source having a frequency of direct current or commercial alternating current and a load. This transformer device includes a front-stage circuit and a rear-stage circuit, and a transformer is interposed between the output end of the front-stage circuit and the input end of the rear-stage circuit. The front-stage circuit and the rear-stage circuit each have a plurality of switches, and the polarity of the output is alternately inverted with respect to the input by high-frequency switching.

そして、前段回路及び後段回路の少なくとも一方は、2の倍数である複数のスイッチを互いに直列に接続して成り、直列体のいずれか一端側から見て奇数番目のスイッチと偶数番目のスイッチとは交互にオン動作するスイッチ直列体を備えている。 At least one of the front-stage circuit and the rear-stage circuit is formed by connecting a plurality of switches that are multiples of 2 in series with each other, and the odd-numbered switch and the even-numbered switch when viewed from one end side of the series body are It is equipped with a series of switches that operate alternately on.

また、スイッチ直列体における各スイッチの相互接続点及びスイッチ直列体の両端点を合計m個のノードとして、スイッチ直列体のいずれか一端側から1〜mの順番に見たとき、奇数ノードから引き出される複数の電路の集結先としての第1電路、及び、偶数ノードから引き出される一の電路であるか又は複数の電路の集結先としての第2電路と、スイッチ直列体の一端から引き出される第3電路、及び、他端から引き出される第4電路と、がある。 Further, when the interconnection points of the switches in the switch series and the points at both ends of the switch series are regarded as a total of m nodes and viewed in the order of 1 to m from any one end side of the switch series, they are pulled out from the odd nodes. The first electric circuit as the aggregation destination of a plurality of electric circuits, the second electric circuit which is one electric circuit drawn from even-numbered nodes, or the second electric circuit as the aggregation destination of a plurality of electric circuits, and the third electric circuit drawn from one end of the switch series. There is an electric circuit and a fourth electric circuit drawn from the other end.

リアクタンス素子は、奇数ノードから第1電路までの間、及び、偶数ノードから第2電路までの間において、m個のノードのうち少なくとも(m−1)個のノードにそれぞれ対応して少なくとも1個存在しているように設けられている。そして、第1電路及び第2電路の電路対及び第3電路及び第4電路の電路対のいずれか一方が入力、他方が出力となる。 At least one reactance element corresponds to at least (m-1) of m nodes between the odd-numbered nodes and the first electric circuit and between the even-numbered nodes and the second electric circuit. It is provided to exist. Then, either one of the electric circuit pair of the first electric wire and the second electric wire and the electric circuit pair of the third electric wire and the fourth electric wire becomes an input, and the other becomes an output.

上記電路等に関しての一般的記述を、例えば図13に当てはめてみると、前段回路には、スイッチ直列体(Sr1,Sb1)における各スイッチの相互接続点(n12)及びスイッチ直列体の両端点(n11,n13)を合計m個(ここでは3個)のノードとして、スイッチ直列体のいずれか一端側から1〜m(1〜3)の順番に見たとき、奇数ノード(n11,n13)から引き出される複数の電路の集結先としての第1電路(接続点M1からトランス5の1次巻線への電路)、及び、偶数ノード(n12)から引き出される一の電路であるか又は複数の電路の集結先としての第2電路(ノードn12からトランス5の1次巻線への電路)と、スイッチ直列体の一端から引き出される第3電路(ノードn11から交流電源2への電路)、及び、他端から引き出される第4電路(ノードn13から交流電源2への電路)と、がある。 Applying the general description of the electric circuit and the like to FIG. 13, for example, in the front circuit, the interconnection point (n12) of each switch in the switch series (S r1 , S b1) and both ends of the switch series When the points (n11, n13) are regarded as a total of m (3 in this case) nodes and viewed in the order of 1 to m (1 to 3) from any one end side of the switch series, the odd nodes (n11, n13) ) As a collection destination of a plurality of electric circuits (the electric circuit from the connection point M1 to the primary winding of the transformer 5), and one electric circuit drawn from the even node (n12) or a plurality of electric circuits. The second electric circuit (the electric circuit from the node n12 to the primary winding of the transformer 5) and the third electric circuit (the electric circuit from the node n11 to the AC power source 2) drawn from one end of the switch series, There is also a fourth electric circuit (electric circuit from the node n13 to the AC power supply 2) drawn from the other end.

そして、リアクタンス素子(キャパシタC1,C2)は、奇数ノードから第1電路までの間、及び、偶数ノードから第2電路までの間において、m個のノードのうち、少なくとも(m−1)個(ここでは2個)のノード(n11,n13)に対応して少なくとも1個存在する。そして、第1電路及び第2電路の電路対及び第3電路及び第4電路の電路対のいずれか一方(ここでは後者)が入力、他方(ここでは前者)が出力となる。 The reactance elements (capacitors C1 and C2) are at least (m-1) out of m nodes between the odd-numbered nodes and the first electric circuit and between the even-numbered nodes and the second electric circuit (m-1). Here, there is at least one corresponding to two) nodes (n11, n13). Then, one of the electric circuit pair of the first electric wire and the second electric wire and the electric circuit pair of the third electric wire and the fourth electric wire (here, the latter) is an input, and the other (here, the former) is an output.

一方、図13の後段回路には、スイッチ直列体(Sr2,Sb2)における各スイッチの相互接続点(n22)及びスイッチ直列体の両端点(n21,n23)を合計m個(ここでは3個)のノードとして、スイッチ直列体のいずれか一端側から1〜m(1〜3)の順番に見たとき、奇数ノード(n21,n23)から引き出される複数の電路の集結先としての第1電路(接続点M2から負荷Rへの電路)、及び、偶数ノード(n22)から引き出される一の電路であるか又は複数の電路の集結先としての第2電路(ノードn22から負荷Rへの電路)と、スイッチ直列体の一端から引き出される第3電路(ノードn21からトランス5の2次巻線への電路)、及び、他端から引き出される第4電路(ノードn23からトランス5の2次巻線への電路)と、がある。 On the other hand, in the subsequent circuit of FIG. 13, the interconnection points (n22) of each switch in the switch series (S r2 , S b2 ) and the end points (n21, n23) of the switch series are a total of m (3 in this case). When viewed in the order of 1 to m (1 to 3) from any one end side of the switch series, the first as a collection destination of a plurality of electric circuits drawn from odd nodes (n21, n23). An electric circuit (electric circuit from the connection point M2 to the load R) and a second electric circuit (electric circuit from the node n22 to the load R) which is one electric circuit drawn from an even number of nodes (n22) or is a collection destination of a plurality of electric circuits. ), A third electric circuit drawn from one end of the switch series (electric circuit from the node n21 to the secondary winding of the transformer 5), and a fourth electric circuit drawn from the other end (secondary winding of the transformer 5 from the node n23). There is an electric circuit to the line).

そして、リアクタンス素子(インダクタL1,L2)は、奇数ノードから第1電路までの間、及び、偶数ノードから第2電路までの間において、m個のノードのうち、少なくとも(m−1)個(ここでは2個)のノード(n21,n23)に対応して少なくとも1個存在する。そして、第1電路及び第2電路の電路対及び第3電路及び第4電路の電路対のいずれか一方(ここでは後者)が入力、他方(ここでは前者)が出力となる。 The reactance elements (inductors L1 and L2) are at least (m-1) out of m nodes between the odd-numbered nodes and the first electric circuit and between the even-numbered nodes and the second electric circuit (m-1). Here, there is at least one corresponding to two) nodes (n21, n23). Then, one of the electric circuit pair of the first electric wire and the second electric wire and the electric circuit pair of the third electric wire and the fourth electric wire (here, the latter) is an input, and the other (here, the former) is an output.

なお、その他の回路バリエーションでも同様の関係となる。 The same relationship applies to other circuit variations.

このような回路構成を備えた変圧装置では、複数のリアクタンス素子を含む前段回路及び後段回路の少なくとも一方が、電磁誘導ではなく、電気回路のみにより変圧を行うことができる。また、トランスにより1次−2次間の電気的絶縁を保って所望の変圧比で変圧を行うことができる。このような複合的変圧により、入出力間の電気的絶縁を確保しながら、大きな変圧比を実現可能とする。 In a transformer device having such a circuit configuration, at least one of a front-stage circuit and a rear-stage circuit including a plurality of reactance elements can be transformed only by an electric circuit instead of electromagnetic induction. Further, the transformer can maintain the electrical insulation between the primary and secondary and perform the transformation at a desired transformation ratio. Such a composite transformer makes it possible to realize a large transformer ratio while ensuring electrical insulation between the input and output.

《補記》
なお、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
<< Supplement >>
It should be noted that the embodiments disclosed this time are exemplary in all respects and are not restrictive. The scope of the present invention is indicated by the claims and is intended to include all modifications within the meaning and scope equivalent to the claims.

1 変圧装置
1f 前段回路
1r 後段回路
2 交流電源、電源
3 スイッチング制御部
4 スイッチ装置
5 トランス
6 交流電源
7 電流センサ
C1〜C3 キャパシタ
L1〜L3 インダクタ
b1〜Sb9 スイッチ
r1〜Sr9 スイッチ
M1,M2 接続点
n11,n12,n13,n21,n22,n23 ノード
P1〜P8 ポート
R 負荷
1 Transformer 1f Front circuit 1r Rear circuit 2 AC power supply, power supply 3 Switching control unit 4 Switch device 5 Transformer 6 AC power supply 7 Current sensor C1 to C3 Capacitor L1 to L3 Inductor S b1 to S b9 Switch S r1 to S r9 Switch M1 , M2 Connection points n11, n12, n13, n21, n22, n23 Nodes P1 to P8 Port R Load

Claims (4)

用交流の周波数である低周波の電源と、負荷との間に設けられる交流の変圧装置であって、
それぞれの回路が、複数のスイッチを有し、高周波のスイッチングにより、入力に対して出力の極性を交互に反転させる、前段回路及び後段回路と、
前記前段回路の出力端と前記後段回路の入力端との間に介在するトランスと、を備え、
前記前段回路及び前記後段回路は、基本回路構成として、
2の倍数である複数のスイッチを互いに直列に接続して成り、直列体のいずれか一端側から見て奇数番目のスイッチと偶数番目のスイッチとは交互にオン動作するスイッチ直列体と、
前記スイッチ直列体における各スイッチの相互接続点及び前記スイッチ直列体の両端点を合計m個のノードとして、前記スイッチ直列体のいずれか一端側から1〜mの順番に見たとき、奇数ノードから引き出される複数の電路の集結先としての第1電路、及び、偶数ノードから引き出される一の電路であるか又は複数の電路の集結先としての第2電路と、
前記スイッチ直列体の一端から引き出される第3電路、及び、他端から引き出される第4電路と、
前記奇数ノードから前記第1電路までの間、及び、前記偶数ノードから前記第2電路までの間において、前記m個のノードのうち少なくとも(m−1)個のノードにそれぞれ対応して少なくとも1個存在しているように設けられているリアクタンス素子と、を備え、
前記第1電路及び前記第2電路の電路対並びに前記第3電路及び前記第4電路の電路対のいずれか一方が入力、他方が出力となる、変圧装置。
A low frequency power with a frequency of the commercial AC, a transformer for an AC provided between the load,
Each circuit has a plurality of switches, and the polarity of the output is alternately inverted with respect to the input by high-frequency switching.
A transformer interposed between the output end of the front-stage circuit and the input end of the rear-stage circuit is provided.
The preceding circuit and the subsequent circuits has a basic circuit configuration,
A switch series that consists of multiple switches that are multiples of 2 connected in series to each other, and the odd-numbered switch and even-numbered switch are turned on alternately when viewed from one end of the series.
When the interconnection points of the switches in the switch series body and the end points of the switch series body are regarded as a total of m nodes, and viewed in order from one end side of any one end side of the switch series body, from an odd number node. A first electric circuit as a collection destination of a plurality of electric lines to be drawn out, and a second electric line as a collection destination of one electric line or a plurality of electric lines drawn out from even-numbered nodes.
A third electric circuit drawn from one end of the switch series and a fourth electric circuit drawn from the other end.
Between the odd-numbered nodes and the first electric circuit, and between the even-numbered nodes and the second electric circuit, at least one of the m nodes corresponds to at least (m-1) nodes, respectively. It is equipped with a reactance element that is provided so that it exists individually.
A transformer device in which either one of the first electric circuit and the second electric circuit pair and the third electric circuit and the fourth electric circuit pair is an input and the other is an output.
前記トランスの2次側巻線は中点タップを有し、当該中点タップから当該2次側巻線の一端及び他端までがそれぞれ前記後段回路における前記リアクタンス素子でもある、請求項1に記載の変圧装置。 The first aspect of claim 1, wherein the secondary winding of the transformer has a midpoint tap, and one end and the other end of the secondary winding are also reactance elements in the subsequent circuit, respectively. Transformer. 前記トランスの1次側巻線は中点タップを有し、当該中点タップから当該1次側巻線の一端及び他端までがそれぞれ前記前段回路における前記リアクタンス素子でもある、請求項1又は請求項2に記載の変圧装置。 Claim 1 or claim, wherein the primary winding of the transformer has a midpoint tap, and from the midpoint tap to one end and the other end of the primary winding are also the reactance elements in the pre-stage circuit, respectively. Item 2. The transformer device according to item 2. 所望の変圧比を、前記前段回路及び前記後段回路のそれぞれの変圧比の合成値で不足する分の変圧比を前記トランスの変圧比で調整して実現する請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の変圧装置。 Any of claims 1 to 3 which realizes a desired transformer ratio by adjusting the transformer ratio for which the combined value of the transformer ratios of the front-stage circuit and the rear-stage circuit is insufficient with the transformer ratio of the transformer. The transformer device according to item 1.
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