JP7229234B2 - 電圧調整回路 - Google Patents

Description

本発明は概して、電圧調整、特に非絶縁トランス回路を用いた商用電源の電圧調整に関するものである。

家庭や職場に供給される商用電源は、典型的には規定値よりも高い。例えばオーストラリアにおいて、商用電源はＡＣ２２０Ｖと規定されているが、商用電源は通常ＡＣ２５５Ｖで供給される。この、より高い電圧は、電化製品（つまり負荷）に、より高い電流をもたらし、最終的には電化製品によって浪費されるより高い電力につながる。

この高電圧によって生じる２つの深刻な影響がある。第１に、この高電圧電流は、電気的なストレスを電化製品にかけ、電化製品の寿命を縮めてしまう。第２に、この増大された電力は、消費電力やコストを高めることと同じである。

従来の電圧低下方法は、入力電圧に対して大幅な変更を伴い、大抵大きなエネルギ損失に至る。それ故に、このような従来の方法は、商用電源の電圧を下げることに適していない。

したがって、高効率な（すなわち調整時において最小限のエネルギ損失の）電圧低下技術を提供する必要性がある。

高効率な（つまり最小限のエネルギ損失の）電圧低下を提供しようとする構成が開示される。

本開示における一態様は、非絶縁直列変圧器を用いて一定の電圧（例えばＡＣ３０Ｖ）で商用電源の電圧を下げることができる電圧調整回路を提供する。

本開示における第１の態様によると、第１端部および第２端部を有する一次巻線ならびに第１端部および第２端部を有する第１の二次巻線を有する変圧器と、
上記第１の二次巻線の上記第２端部を、上記一次巻線の上記第２端部に接続するように構成された第１のスイッチと、を具備する電圧調整回路が提供される。
ここで、上記一次巻線の上記第１端部は入力電圧を受けるように構成され、上記一次巻線の上記第２端部は出力電圧を作り出すように構成され、上記第１の二次巻線の上記第１端部は中性ノードに接続され、上記一次巻線は上記入力電圧に基づいて１次電圧を作り出し、上記第１の二次巻線における２次電圧は上記一次巻線における上記１次電圧に対して位相が異なり、
上記第１のスイッチが接続されると、出力電圧が上記２次電圧になるように構成される。

本開示における他の態様がさらに開示される。

ここで、本発明の少なくとも１つの実施形態が以下の図を参照して記載される。
図１は、本開示における一態様に従った電圧調整トランス回路を示す。 図２Ａおよび２Ｂは、図１の電圧調整トランス回路の出力電圧波形の一例を示す。 図３は、図２Ａおよび２Ｂに示される出力電圧波形を生成するために、図１の電圧調整トランス回路に適用される制御信号を示す。 図４Ａ～４Ｃは、図１の電圧調整トランス回路の特定部分の等価回路を示す。

本発明におけるステップおよび／または特徴に対して、添付図の任意の１つ以上において言及がなされる。これらのステップおよび／または特徴は、同一の符号を有し、反対の意図が現れない限り、本発明の記述の目的において同一の機能または作用を有する。

図１は、入力フィルタ１２０、出力フィルタ１４０、直列変圧器１３０、第１のスイッチ１６０、および第２のスイッチ１７０を有する電圧調整トランス回路１００を示す。電圧調整トランス回路１００の入力電圧は、入力ノード１１０および中間（ニュートラル）ノード１８０に加えられる。電圧調整トランス回路１００の出力電圧は、出力ノード１５０と中性ノード１８０との間に提供される。

直列変圧器１３０は、一次巻線１３２、第１の二次巻線１３４および２の二次巻線１３６を含む。ドット（点）で示されているように、一次巻線１３２および第１の二次巻線１３４の巻き極性は、１８０°位相が異なる。さらにドットで示されているように、一次巻線１３２および第２の二次巻線１３６の巻き極性は、同位相である（すなわち０°の位相シフトである）。

（一次巻線１３２の１次電圧によって誘導される）第１の二次巻線１３４における２次電圧は、一次巻線１３２と第１の二次巻線１３４との間の巻数比によって決まる。この、一次巻線１３２と第１の二次巻線１３４との間の巻数比は、第１の二次巻線１３４における巻数を変えることによって調整される。第１の二次巻線１３４における巻数は、タップ（図示せず）を用いて変えられる。

スイッチ保護装置、ダイオードブリッジなどの他の部品は、本発明の目的の明確さのために省略されている。

入力ノード１１０は、フィルタ１２０に接続されている。フィルタ１２０はローパスフィルタであり、電圧調整トランス回路１００に影響を及ぼしかねない入力電圧の高周波成分を除去する。このローパスフィルタ１２０のカットオフ周波数は、入力ノード１１０におけるノイズが電圧調整トランス回路１００に最小限の影響となる値に設定される。入力フィルタ１２０はスイッチトキャパシタを有し、調整中に要求に応じて特性を変化させることを可能にする。本発明の一様態として、電圧調整トランス回路１００の入力は、商用電源である。
次に、入力フィルタ１２０は、一次巻線１３２の第１端部１３２Ａ（ドットのある側）に接続されている。一次巻線１３２の第２端部１３２Ｂは、出力フィルタ１４０に接続され、出力フィルタ１４０は、出力ノード１５０に接続されている。出力フィルタ１４０はローパスフィルタであり、出力電圧を平滑化して、電圧調整トランス回路１００から生じる不必要な高周波成分を除去する。このローパスフィルタ１４０のカットオフ周波数は５０／６０Ｈｚより上に設定され、（図３に関連して以下で説明される）制御信号３１０、３２０の影響を除去する。
第１の二次巻線１３４の第１端部１３４Ａ（ドットのある側）は中性ノード１８０に接続されている。第１の二次巻線１３４の第２端部１３４Ｂは、スイッチ１６０に接続されている。次に、このスイッチ１６０は、一次巻線１３２の第２端部１３２Ｂに接続されている。

スイッチ１６０が閉じられると（つまり接続されると）、第１の二次巻線１３４の第２端部１３４Ｂは、一次巻線１３２の第２端部１３２Ｂに接続される。スイッチ１７０は、この段階においては開いて（つまり、切り離されて）いなければならない。スイッチ１６０が閉じるのと同時にスイッチ１７０も閉じると、一次巻線１３２と第１の二次巻線１３４とにわたって事実上短絡が生じてしまう。換言すると、スイッチ１６０および１７０が同時に閉じると、入力ノード１１０と中性ノード１８０とにわたって短絡が生じる。

図４Ａは、スイッチ１６０が閉じてスイッチ１７０が開いているときの、一次巻線１３２と第１の二次巻線１３４との間の接続における等価回路を示している。図４Ａに見られるように、スイッチ１６０が閉じてスイッチ１７０が開いているときに、第２端部１３２Ｂにおける電圧は、第１の二次巻線１３４の２次電圧であり、かつ、出力ノード１５０における出力電圧は、出力フィルタ１４０によってフィルタ処理された第１の二次巻線１３４の２次電圧である。

スイッチ１６０が閉じてスイッチ１７０が開いているときに、電流は一次巻線１３２内を流れ、変圧器１３０のコア内に第１磁束を発生させる。この第１磁束はその後、第１の二次巻線１３４内に流れる電流を誘導する。この誘導電流は、第１磁束とは対極となる第２磁束を発生させる。第１磁束と第２磁束とが対極であるので、この回路ネットワークは、変圧器１３０のコア内における磁束の減少をもたらし、これは、一次巻線１３２にかかる１次電圧が下げられることを意味する。

スイッチ１６０が開いて（つまり、切り離されて）いるときは、第１の二次巻線１３４の第２端部１３４Ｂは、一次巻線１３２の第２端部１３２Ｂから切り離されている。スイッチ１７０は、この段階においては閉じても開いてもよい。この構成は、第１の二次巻線１３４における開回路をもたらし、これは、第１の二次巻線１３４にかかる２次電圧が生成されないことを意味する。

図４Ｂは、スイッチ１６０、１７０が開いたときの、一次巻線１３２と第１の二次巻線１３４との間の接続における等価回路を示している。図４Ｂに示されているように、スイッチ１６０が開いた後の、出力ノード１５０における出力電圧は、入力フィルタ１２０、一次巻線１３２および出力フィルタ１４０にわたる電圧降下によって効果的に下げられた入力電圧となる。
スイッチ１６０と１７０の両方が開いた状況は望ましくなく、スイッチ１６０および１７０を交互に閉じる移行の間にのみ生じる。

ここで、一次巻線１３２と第２の二次巻線１３６との間の接続が説明される。第２の二次巻線１３６の第１端部１３６Ａ（ドットのある側）は、中性ノード１８０に接続されている。第２の二次巻線１３６の第２端部１３６Ｂは、スイッチ１７０に接続されている。次に、スイッチ１７０は、中性ノード１８０に接続されている。

スイッチ１６０が開いた一方でスイッチ１７０が閉じる（つまり、接続される）と、第２の二次巻線１３６の第２端部１３６Ｂは、中性ノード１８０に接続される。この構成は、第２の二次巻線１３６における短絡をもたらす。この短絡された第２の二次巻線１３６におけるインピーダンスは、その後一次巻線１３２に反射される。これは、短絡された第２の二次巻線１３６からの反射インピーダンスによるゼロの公称インピーダンスを有する一次巻線をもたらす。
一次巻線１３２の第２端部１３２Ｂにおける電圧は、実質的には入力電圧であり、その一方で、出力ノード１５０における出力電圧は、実質的には、出力フィルタ１４０によってフィルタ処理された入力ノード１１０における入力電圧である。スイッチ１７０が閉じると、スイッチ１６０は、上述した一次巻線１３２および第１の二次巻線１３４にわたる短絡を引き起こすことを防止するために開いていなければならない。

図４Ｃは、スイッチ１７０が閉じてスイッチ１６０が開いたときの、一次巻線１３２と第２の二次巻線１３６との間の接続における等価回路を示している。図４Ｃに見られるように、出力電圧は、実質的には、入力ノード１１０における入力電圧である。

以下の表１は、入力ノード１１０に加えられる入力電圧と、出力ノード１５０における出力電圧と、スイッチ１６０、１７０の状態との間の関係性を示している。

一実施例では、ＡＣ２５０Ｖの入力電圧が、入力ノード１１０および中性ノード１８０に加えられる。一次巻線１３２と第１の二次巻線１３４との間の巻数比は、必要とされる電圧降下を供給するように算出される。一次巻線１３２によって誘導され、位相の異なる第１の二次巻線１３４の２次電圧は、１次電圧における、一次巻線１３２と第１の二次巻線１３４との間の巻数比となる。
例えば、一次巻線１３２と第１の二次巻線１３４との間の巻数比が１０：９である場合は、一次巻線１３２によって誘導され、位相の異なる第１の二次巻線１３４の２次電圧は、１次電圧の９／１０となる。したがって、位相の異なる第１の二次巻線１３４の２次電圧は、この例においてはＡＣ２２５Ｖとなる。

スイッチ１６０が閉じてスイッチ１７０が開くと、第２端部１３２Ｂにおける電圧は、ＡＣ２２５Ｖ（つまり、第１の二次巻線１３４の２次電圧）となる。スイッチ１６０が開いてスイッチ１７０が閉じると、第２端部１３２Ｂにおける電圧は、ＡＣ２５０Ｖとなる（入力フィルタ１２０および一次巻線１３２にわたる電圧降下は無視できると仮定している）。スイッチ１６０が開いてスイッチ１７０も開くと、第２端部１３２Ｂにおける電圧は、ＡＣ２５０Ｖとなる（入力フィルタ１２０および一次巻線１３２にわたる電圧降下は無視できると仮定している）。
後述されるように、スイッチ１６０および１７０は交互に閉じるので、第２端部１３２Ｂにおける電圧が変化する。この例において、第２端部１３２Ｂにおける電圧は、ＡＣ２２５Ｖ（スイッチ１６０が閉じてスイッチ１７０が開いた場合）とＡＣ２５０Ｖ（スイッチ１６０が開いてスイッチ１７０が閉じた場合）との間を行ったり来たりする。したがって、出力ノード１５０における出力電圧は、第２端部１３２Ｂにおける平均電圧となり、この平均電圧は、第２端部１３２Ｂおよび出力フィルタ１４０におけるＡＣ２２５ＶおよびＡＣ２５０Ｖのそれぞれの電圧の持続時間によって決まる。

上述したように、スイッチ１６０および１７０は、決して同時に閉じない。

図２Ａは、スイッチ１６０および１７０が（図３に示された制御信号と関連した）閉鎖／開放の連続（シークエンス）において切り替えられた場合の、第２端部１３２Ｂにおける出力電圧波形を示している。図２Ｂは、図２Ａに示された電圧波形の拡大図を示している。符号２１０によって示されている電圧レベルは、実質的には、入力ノード１１０における入力電圧である。スイッチ１６０が閉じると、符号２２０によって示されたレベルに出力電圧が降下する。

図３は、２つの制御信号３１０および３２０を示しており、第１の制御信号３１０は、スイッチ１６０のスイッチングを制御し、第２の制御信号３２０は、スイッチ１７０のスイッチングを制御する。第１の制御信号３１０がハイの場合は、スイッチ１６０は閉じている。第１の制御信号３１０がローの場合は、スイッチ１６０は開いている。第２の制御信号３２０がハイの場合は、スイッチ１７０は閉じている。第２の制御信号３２０がローの場合は、スイッチ１７０は開いている。

第１および第２の制御信号３１０および３２０は、パルス幅変調（ＰＷＭ）信号である。第１の制御信号３１０のパルス幅３１２は、スイッチ１６０が閉じた持続時間に相当する。したがって、第２端部１３２Ｂにおける電圧降下は、第１の制御信号３１０のパルス幅３１２によって調整される。

第１の制御信号３１０によるスイッチ１６０の閉鎖は、突入電流および電圧ノイズを引き起こす可能性がある。この突入電流および電圧ノイズを最小限に抑えるために、第１の制御信号３１０は、ハイレベルに保持される前に、複数のパルス３１４によって示されているように、パルス幅３１２の始めにおいてパルス化される。

パルス３１４の数、各パルス３１４の幅、およびパルス３１４の周波数が、電圧調整トランス回路１００の負荷によって決まり変化するので、第１の制御信号３１０のパルス３１４は、負荷に適応できる。さらに、パルス３１４の数、各パルス３１４の幅、およびパルス３１４の周波数は、電圧調整トランス回路１００の電力効率を決定する。電圧調整トランス回路１００の出力電圧がより高い負荷によって用いられている場合、パルス３１４の数は増大される。

さらに、電圧調整トランス回路１００の力率は、パルス幅３１２を変えることによって変化することができる。パルス幅３１２は、出力電圧波形を効果的に変える。

制御信号３１０および３２０のスイッチングは、プロセッサまたは結合プログラム可能論理回路（ＣＰＬＤ）（図示せず）によって制御される。制御信号３１０および３２０のデューティサイクルの変化は、出力電圧を制御するために用いられる。

制御信号３１０および３２０は典型的には、ローパスフィルタ１２０および１４０によって除去される８ｋＨｚで作動する。しかしながら、制御信号３１０および３２０は、異なるスイッチング周波数で作動することができる。

本発明の一様態として、電圧調整トランス回路１００および関連する構成要件は、最大電流に限定される。電流が最大電流を超えると、電圧調整トランス回路１００は停止され、バイパスリレー（図示せず）が、電圧調整トランス回路１００をバイパスするために駆動される。これは、電圧調整トランス回路１００が保護されて負担がかかりすぎないように（オーバーストレスにならないように）する。

特に表１において上述したように、スイッチ１６０および１７０は、同時に閉じてはならない。それ故に、スイッチ１７０の閉鎖開放からスイッチ１６０の開放閉鎖までの移行のときには、第１の制御信号３１０がハイレベル（つまりスイッチ１６０を閉鎖）に行く前に、第２の制御信号３２０は、ローレベル（つまりスイッチ１７０を開放）に行く。
制御信号３１０と３２０の双方がロー位置に保持される所定の期間３２２が、第２の制御信号３２０がローに行くのと、第１の制御信号３１０がハイに行くのとの間で持続され、スイッチ１６０と１７０の両方が決して同時に閉じないようにする。さらに、制御信号３１０と３２０の双方がローである移行期間は、スイッチング過渡現象を減衰させるための緩和期間を提供する。

同様に、スイッチ１６０の閉鎖開放からスイッチ１７０の開放閉鎖までの移行のときには、第２の制御信号３２０がハイレベル（つまりスイッチ１７０を閉鎖）に行く前に、第１の制御信号３１０は、ローレベル（つまりスイッチ１６０を開放）に行く。
制御信号３１０と３２０の双方がロー位置に保持される所定の期間３２４が、第１の制御信号３１０がローに行くのと、第２の制御信号３２０がハイに行くのとの間で持続され、スイッチ１６０と１７０の両方が決して同時に閉じないようにする。

上述したように、出力電圧１５０は、出力フィルタ１４０ならびに制御信号３１０および３２０によって決定される電圧２１０および２２０のそれぞれの持続時間によって決定される一次巻線１３２の第２端部１３２Ｂにおける出力電圧波形の平均値である。

上述された本発明の様態は、電圧調整に適用される。

上述した内容は、本発明の一部の実施形態のみを記載したものであり、それに加えて修正および／または変更が、本発明の精神と範囲から逸脱することなくされてよい。本発明の実施形態は、例示的なものであって発明を制限するものではない。

本明細書の文脈において、単語の"～を具備する／含む"は、"～を主に含み、～を必ずしも単に含まない"または"～を有する"または"～を包含する"であり、"～のみから成る"のではい。単語"～を具備する／含む"のバリエーションは、含むものに応じてさまざまな意味がある。

Claims (10)

1. 第１端部および第２端部を有する一次巻線と、第１端部および第２端部を有する第１の二次巻線と、第１端部および第２端部を有する第２の二次巻線とを有する変圧器と、
   前記第１の二次巻線の前記第２端部を、前記一次巻線の前記第２端部に接続するように構成された第１のスイッチと、
   前記第２の二次巻線の前記第２端部を、中性ノードに接続するように構成された第２のスイッチと
   を具備する電圧調整回路であって、
   前記一次巻線の前記第１端部は入力電圧を受けるように構成され、前記一次巻線の前記第２端部は出力電圧を作り出すように構成され、前記第１の二次巻線の前記第１端部は前記中性ノードに接続され、前記第２の二次巻線の前記第１端部は、前記中性ノードに接続され、前記一次巻線は前記入力電圧に基づいて１次電圧を作り出し、前記第１の二次巻線における２次電圧は前記一次巻線における前記１次電圧に対して位相が異なり、前記第１の二次巻線は前記一次巻線よりも巻数が少なく、
   前記第２のスイッチが接続されるとともに前記第１のスイッチが分離されたとき、前記出力電圧は前記入力電圧になるように構成され、
   前記第２のスイッチが分離されるとともに前記第１のスイッチが接続されたとき、前記出力電圧は前記２次電圧になるように構成される
   電圧調整回路。
2. 請求項１に記載の電圧調整回路であって、
   入力電圧を受け、入力電圧をフィルタ処理し、そのフィルタ処理された入力電圧を、前記一次巻線の前記第１端部に供給するように構成された入力フィルタをさらに含む
   電圧調整回路。
3. 請求項２に記載の電圧調整回路であって、
   前記入力フィルタはローパスフィルタである
   電圧調整回路。
4. 請求項１から３のいずれか１つに記載の電圧調整回路であって、
   出力電圧を受け、出力電圧をフィルタ処理し、そのフィルタ処理された出力電圧を提供するように構成された出力フィルタをさらに含む
   電圧調整回路。
5. 請求項４に記載の電圧調整回路であって、
   前記出力フィルタはローパスフィルタである
   電圧調整回路。
6. 請求項１から５のいずれか１つに記載の電圧調整回路であって、
   前記第１のスイッチを制御するための第１の制御信号および前記第２のスイッチを制御するための第２の制御信号を提供するように構成された、プロセッサまたは結合プログラム可能論理回路をさらに含む
   電圧調整回路。
7. 請求項６に記載の電圧調整回路であって、
   前記第１の制御信号および前記第２の制御信号は、パルス幅変調信号である
   電圧調整回路。
8. 請求項７に記載の電圧調整回路であって、
   前記第１の制御信号は第１の複数のパルスを含み、前記第１の複数のパルスの各々の始めは、前記電圧調整回路における電圧ノイズを減らすように構成された第２の複数のパルスを含む
   電圧調整回路。
9. 請求項８に記載の電圧調整回路であって、
   前記第２の複数のパルスは、前記電圧調整回路の負荷によって決まるように構成される
   電圧調整回路。
10. 請求項８から９に記載の電圧調整回路であって、
    前記第１の制御信号の、前記第１の複数のパルスの各々の幅が、前記電圧調整回路の電力効率を制御するように構成される
    電圧調整回路。

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