JPH01174265A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、電源が直流であっても、交流であっても、
変換することができる電力変換装置に関するものである
。

［従来の技術］ 第１９図は、電気学会績「半導体電力変換回路」の１３
．５．４　　ゼロリアル出力変換回路の項の図１３．５
．１３　＜３１１頁）に示された案出カリプルＣｕｋコ
ンバータ（電力変換装Ｗ）の回路図である。

第１９図において、１は直流電源、２は第１トランス、
３は第２トランス、４はトランジスタ、５は第１コンデ
ンサ、６はダイオード、７は第２コンデンサ、８は負荷
である。電源１に第１トランス２の１次コイルと第２ト
ランス３の１次コイルと第１コンデンサ５とが順次に直
列に接続され、第２トランス３の１次コイルと第１コン
デンサ５の直列回路に並列にトランジスタ４が接続され
ている。また、第１トランス２の２次コイルと第２トラ
ンス３の２次コイルと第２コンデンサ７とが順次に直列
に接続されて負荷８に接続され、第２トランス３の２次
コイルと第２コンデンサ７の直列回路に並列にダイオー
ド６が接続されている２次に、第１９図に示す従来の回
路の動作について説明する。トランジスタ４は、周期的
にベースに加えられる制御信号電圧によって、周期的に
オン・オフのスイッチング動作をする。トランジスタ４
がオンの時は図の上から下方へ電流を流す。

トランジスタ４がオフの時、コンデンサ５には電源１の
電圧Ｅが充電されている。ダイオード６は図の上から下
方へ電流を流すことができる。

次に、トランジスタ４がオンとなると、第２０図に示す
ように、電ｆ１．１から電流が流れ、第１トランス２の
１次コイルには電圧Ｅが加わり、２次コイルにも電圧Ｅ
が誘起される６また、第１コンデンサ５に充電されてい
た電荷は第２トランス３の１次コイルとトランジスタ４
の回路を通って放電する。これによって、第２トランス
３の２次コイルに電圧が発生し、第２コンデンサ７と第
１トランス２の２次コイル、第２トランス３の２次コイ
ル間の合成電圧により、負荷８に電力が供給される。

次に、トランジスタ４がオフとなると、第２１図に示す
ように、第１コンデンサ５は再度充電される。また、第
２コンデンサ７は第２トランス３の２次コイルに発生す
る電圧によって電流がダイオード６を通る回路を流れて
充電される。また、第１トランス２の１次コイルに流れ
る電流によって２次コイルに電圧が誘起され、ダイオー
ド６を通って電流が矢印のように流れ、負荷８に電力が
供給される。

以上のように、第１９図に示すような従来のコンバータ
はトランジスタ４がオフのときもオンのときも負荷８に
電力を連続して供給する、しかしながら、電源の極性が
反対である場合はトランジスタ４が常にオフの状態であ
るので、トランスもコンデンサも動作しない。

［発明が解決しようとする問題点］ 従来の電力変換装置は以上のようにｉ成されているので
、電源１は直流電源でなければならず、負荷８には直流
電力のみ供給できる。従って、従来の電力変換装置は交
流電源のコンバータとしては使用できないという問題点
があった。

この発明は上記のような問題点を解消するためになされ
たもので、直流電源は勿論、交流電源でも変換すること
ができる交直両用の電力変換装置を得ることを目的とす
る。

Ｌ問題点を解決するための手段］ この発明に係る電力変換装置は、第１のトランスの１次
コイルに電源と第１の双方向スイッチを直列に接続し、
第２のトランスの１次コイルに第１のコンデンサを直列
に接続し、前記第２のトランスの１次コイルと第１のコ
ンデンサの直列回路を前記数１の双方向スイッチの端子
に接続し、前記第１のトランスの２次コイルに負荷と第
２の双方向スイ”ｙチを直列に接続し、前記第２のトラ
ンスの２次コイルに第２のコンデンサを直列に接続し、
前記第２のトランスの２次コイルと第２のコンデンサの
直列回路を前記第２の双方向スイッチの端子に接続して
なるものである。

［１ヤ用］ この発明における電力変換装置は、１次側と２次側の双
方向スイッチの組を、一方が開のときは他方は開となり
、一方が閉のときは他方が開となるように、周期的に開
閉させることにより、コンデンサの充放電作用と、トラ
ンスの電磁誘導作用とによって電源電力を変換して負荷
に供給することができる。そのとき、電源の極性が正負
何れであっても、双方向スイッチであり何れの方向にも
導通可能であり、何れの方向でも同様に動作するので、
電源の極性、波形が如何なるものであっても変換可能で
あり、交直両用である。

［発明の実施例］ 以下、この発明の一実施例を図について説明する。第１
図において、１は電源、２は第１トランス、３は第２ト
ランス、５は第１コンデンサ、７は第２コンデンサ、８
は負荷、１ｏは第１双方向スイッチ、１１は第２双方向
スイツチである。電源１は直流でも交流でもよく任意の
波形の電源でもよい。

第１双方向スイッチ１０及び第２双方向スイツチ１１は
設定された周波数で開口する双方向に導通可能なスイッ
チであり、トランジスタやＭＯＳＦＥＴ、ＳＩＴ、ＧＴ
Ｏなどの自己消弧性スイッチング素子とダイオードを組
み合わせた、双方向の電流をスイッチングできるスイッ
チである。第１０図乃至第１４図は双方向スイッチを例
示したものである。第１０図はＭＯ３ＦＥＴＩ３を２個
接続したもので、駆動回路１２によりＡ−に間の何れの
方向の電流であっても断続するスイッチを示す。第１１
図、第１３［７Ｉ及び第１４図はトランジスタ１４とダ
イオード１５によって構成した駆動回路１２によりＡ−
に間の双方向の断続をするスイッチである。第１２は静
電誘導トランジスタ（ＳＩＴ）１６により構成した駆動
回路１２によりＡ−に間の双方向断続をするスイッチで
ある。

５ＩＴ１６は低電圧では逆方向の電圧も断続できる。以
上の駆動装置１２は設定された周波数でこの双方向スイ
・・Ｉチを開開駆動する。

第１図において、電源１に、第１トランス２の１次コイ
ル２ａと第１双方向スイツチ１０とが直列に接続され、
第１双方向スイッチに並列に第１コンデンサ５と第２ト
ランス３の１次コイル３ａとの直列回路が接続されてい
る。また、第１１−ランス２の２次コイル２ｂと第２双
方向スイッチ１１とが直列に負荷８に接続され、第２双
方向スイツチ１１に並列に第２コンデンサ７と第２トラ
ンス３の２次コイル３ａとの直列回路が接続されている
。

第１双方向スイッチ１０及び第２双方向スイッチ１１は
、設定された同一周波数で開田するが、開閉の位相はず
れており、はぼ一方が開のときは他方は閉であり、一方
が閏のときは他方は開となるように駆動される。

次に、動作について説明する。第３Ａ図乃至第４Ｃ図は
第１図に示す第１実施例の動作を示す。

説明を簡単にするために、電源１は図示の極性の直流電
源、トランス２．３の各１次、２次コイルの巻数比は１
、コンデンサ５．７の静電容量は同じとする７、電源の
電圧をＥｓとする。また、各双方向スイッチは華に「ス
イ・・Ｉチ」という。

第３Ａ図乃至第３Ｃ図は電源１の図の上方が十極、下方
が一極である場合の諸状態を示す。第３、ＡＩ”２１は
第１スイ・ソ千１０はオフ、第２スイッチＩＩははオン
の状態である６電源】によって電流は第１トランス２の
１次コイルから第１コンデンサ５、第２１〜ランス３の
１次コイルを順次通って流れる。第１コンデンサ５は電
圧Ｅ、に充電される。

第２トランス３の２次コイルに誘起される電圧によって
、これに接続されている第２コンデンサ７に電圧Ｅ、が
充電される。

次に、第３Ｂ図に示すように、第１スイ・ソ千１０はオ
ン′、第２スイツチ１１はオフになると、１次側の電流
１７は第１トランス２の１次コイルから第１スイツチ１
０を通って流れ、第１トランス２の電流の増加方向と逆
方向に電圧Ｅ２が発生し第１トランス２の２次コイルに
電圧Ｅ２が誘起される６また、第１コンデンサ５は放電
し、放電電流１８は第１スイツチ１０から第２トランス
３の１次コイルを通って流れる。そのため、第２トラン
ス３の１次コイルに電流１８と反対方向の電圧Ｅ３が発
生し、第２トランス３の２次コイルにも電圧Ｅ３が誘起
される。また、第２コンデンサ７の電圧Ｅ７は放電する
。これらの電圧が負荷８に加わるが、電圧の方向を考慮
して、負荷８に加わる電圧は（Ｅ）十Ｅ３　　Ｅ２）と
なる。

次に、第３Ｃ図に示すように、第１スイッチ１０はオフ
、第２スイツチ１１はオンになると、１次側の電流は、
第１トランス２の１次コイル、第１コンデンサ５、第２
１〜ランス３の１次コイルを順次通って流れるが、第１
コンデンサ５が充電され、電流が減少しようとするため
、第１トランス２の１次コイルには電流と同方向の電圧
Ｅ２が発生し、第１トランス２の２次コイルにも電圧Ｅ
２が誘起される。また、第１コンデンサ５は充電される
。また、第２トランス３では、第３Ｂ図の電流方向と反
対方向の電流が流れようとするため、第２トランス３の
１次コイルに電流と反対方向の電圧Ｅ３が発生し、第２
トランス３の２次コイルにも電圧Ｅ３が誘起される。こ
の第２トランス３の２次コイルに発生する電圧Ｅ３によ
り、第２コンデンサ７から第２スイッチ１１を通って流
れる電流１９が発生し、第２コンデンサ７に電圧Ｅ７が
充電される。負荷８には第１トランス２の２次コイルか
ら第２スイツチ１１を通る回路が形成され、第１トラン
ス２の２次コイルに発生する電圧Ｅ２が加わり電流が流
れる。

このようにして、第１スイツチ１０及び第２スイ・・メ
チ１１を高周波数でスイ・ソ千ングさせてやれば、第３
Ｂ図及び第３Ｃ図について説明したように、負荷８には
電圧（Ｅ７　＋Ｅ８　　Ｅ２　）またはＥ２が加えられ
る。両者の電圧はほぼ等しいので全期間を通じてほぼ一
定の直流電圧を負荷８に供給することができる。

第４Ａ図乃至第４Ｃ図は、電源１の極性を第３Ａ図乃至
第３Ｃ図に示すものと逆にした場合の動作を示す。第４
Ａ図は第１スイツチ１０はオフ、第２スイツチ１１はオ
ンの状態である。電源１によって電流は、第２トランス
３の１次コイル、第１コンデンサ５．第１トランス２の
１次コイルを順次通って流れる。第１コンデンサ５は電
圧Ｅ５に充電される。第２トランス３の２次コイルに誘
起される電圧によって、これに接続されている第２コン
デンサ７に充電され電圧Ｅ７どなる。

次に、第４Ｂ図に示すように、第１スイツチ１０はオン
、第２スイツチ１１はオフになると、１次側の電流２０
は第１スイツチ１０から第１トランス２の１次コイルを
通って流れ、第１トランス２の電流の増加方向と逆方向
に電圧Ｅ２が発生し、第１トランス２の２次コイルに電
圧Ｅ２が誘起される。また、第１コンデンサ５は放電し
、放電電流２１は第２トランス３の１次コイルから第１
スイツチｌＯを通って流れる。そのため、第２トランス
３の１次コイルに電流２１と反対方向の電圧Ｅ、が発生
し５第２トランス３の２次コイルにも電圧ＥＳが誘起さ
れる。また、第２コンデンサ７の電圧Ｅ７は放電する。

これらの電圧が負荷８に加わるが、電圧の方向を考慮し
て、負荷８に加わる電圧は（Ｅ）＋Ｅ、−Ｅ２）となる
。

次に、第４Ｃ図に示すように、第１スイッチ１０はオフ
、第２スイツチ１１はオン′になると、１次側の電流は
、第２トランス３の１次コイル、第１コンデンサ５、第
１トランス２の１次コイルを順次通って流れるが、電流
が減少しようとするため、第１トランス２の１次コイル
には電流と同方向の電圧Ｅ２が発生し、第１トランス２
の２次コイルにも電圧Ｅ２が誘起される。また、第１コ
ンデンサ５は充電される。また、第２トランス３では上
記のように電流が流れようとするため、第２トランス３
の１次コイルに電流と反対方向の電圧Ｅ３が発生し、第
２トランス３の２次コイルにも電圧Ｅ３が誘起される。

この第２トランス３の２次コイルに発生する電圧ＥＳに
より第２コンデンサ７から第２スイツチ１１を通って流
れる電流２２が発生し、第２コンデンサ７に電圧Ｅ７が
充電される。負荷８には第１トランス２の２次コイルか
ら第２スイッチ１１を通る回路が形成され、第１トラン
ス２の２次コイルに発生する電圧Ｅ２が加わり電流が流
れる。

このようにして、第１スイッチ１０及び第２スイッチ１
１の開開により第４Ｂ図及び第４Ｃ図について説明した
ように、前述と同様で方向が反対の直流電力を負荷８に
供給することができる。

以上の説明はトランス２．３の１次コイルと２次コイル
の巻数比が１であり、コンデンサ５．７の静電容量が同
一であると仮定したが、トランスのコイル巻数比、コン
デンサの静電容量を変えることにより、電圧を昇圧また
は降圧する電力変換回路を構成することができる。例え
ば、トランスの１次コイルと２次コイルの巻数比を１対
２．コンデンサの静電容量を２対１にすることにより２
倍昇圧の電力変換回路を構成することができる。

第２図はこの発明の第２実施例を示し、第１トランス２
の鉄心と第２トランス３の鉄心を共通の鉄心としたもの
であり、その他の構成及び動作は前述の実施例と同様で
ある。この第２実施例ではＩ−ランスの鉄心を共通にし
たので、さらにリアルの小さい電力変換をすることがで
きる。

第５Ａ図、第５Ｂ図はこの発明の第３実施例の構成及び
動作を示す。第３実施例は第１実施例に前述と同様の双
方向の第３スイッチ２４．第４スイッチ２５並びに第３
コンデンサ２３．第４コンデンサ２６を１４加したもの
である。電源１に第１スイツチ１０と第３スイッチ２４
とが直列に接続され、第１スイ・・Ｉチエ０に並列に第
１コンデンサ５と第２トランス３の１次コイルとの直列
回路が接続され、第３スイツチ２４に並列に第１トラン
ス２の１次コイルと第３コンデンサ２３との直列回路が
接続され、第４スイツチ２５と第２スイツチ１１とが直
列に負荷８に接続され、第４スイツチ２５に並列に第１
Ｉ−ランス２の２次コイルと第４コンデンサ２６との直
列回路が接続され、第２スイツチ１１に並列に第２コン
デンサ７と第２トランス３の２次コイルとの直列回路が
接続されている。

次に、第３実施例の動作について説明する。スイッチの
開開は、第１スイツチ１０と第４スイツチ２５は同じス
イッチングをし、第２スイツチ１１及び第３スイツチ２
４は第１スイツチ１０及び第４スイッチ２５と逆のオン
・オフ動作をするように制御される。

第５Ａ図において、第１スイッチ１０及び第４スイッチ
２５がオフ、第３スイツチ２４及び第２スイッチ１１が
オンとなっているので、−次側の電流２７は第１コンデ
ンサ５．第２トランス３の１次コイルを通って流れ、第
１コンデンサ５を充電する。また、第２トランス３を介
して第２コンデンサ７も充電する。第３コンデンサ２３
は放電して電流２８が形成され、第１トランス２を介し
て第４コンデンサ２６．第２スイツチ１１を通り負荷８
に電力を供給する電流２９が形成される。

この電流２９には第４コンデンサ２６の放電電流も加え
られる。

第５Ｂ図は第１スイツチ］０及び第４スイッチ２５はオ
ン、第３スイツチ２４及び第２スイツチ１１はオフの状
態を示す。このときは、第３コンデンサ２３及び第４コ
ンデンサ２６は充電、第１コンデンサ５及び第２コンデ
ンサ７は放電しており、第２コンデンサ７の放電電力及
び第１コンデンサ５の放電電力が第２トランス３を介し
て供給される電力が電流３０となって負荷８に供給され
る。

以上のようにしてリプルの少ない電力が負荷８に供給さ
れる。

第６Ａ図及び第６Ｂ図はこの発明の第４実施例を示し、
第１１〜ランス２の鉄心と第２トランス３の鉄心を共通
の鉄心にしたものである。その他の構成及び動作は、第
５Ａ図及び第５Ｂ図について説明した第３実施例と同様
である。この第４実施例では、電源１のリプルがさらに
少なくなる。

以上の実施例において、電源の極性が反対の場合も、第
１実施例について説明したのと全く同様に動作するのは
勿論である。したがって、スイッチングの周波数を高く
することにより電源が交流であっても変換することがで
きる。交流電源の場合、スイッチング周波数は、トラン
スの磁気飽和がなければ、電源周波数の２倍以上であれ
ばよいが、通常、６倍以」−が好ましい。

なお、スイッチング周波数を高くするとトランスを小形
にすることができる。

第７Ａ図乃至第９Ｂ図は以上の実施例に適用できる電圧
の波形の一例を示すものである。第７Ａ図は直流電源を
示し、これを変換して第７Ｂ図に示すように負荷に直流
電力を供給することができる。第８Ａ図は交流電源を示
し、これを変換して第８Ｂ図に示すような同一波形の交
流電力を負荷に供給することができる。第９Ａ図は交流
と直流とを重ねた任意の波形の電源を示し、これを変換
して第９Ｂ図に示すように同じ波形の電力を負荷に供給
することができる。

以上のように電力を変換できるのでこの発明による電力
変換回路は、ＤＣ−ＤＣコンバータ、ＡＣ−ＡＣコンバ
ータ、絶縁アンプ、蓄電池充電器、直流モータ駆動電源
、サーボモータ駆動電源、トランジスタ等の半導体素子
駆動電源等として使用することができる。

なお、以上の説明で、各図の左側に電源を、右側に負荷
を接続したが、右側に電源を、左側に負荷を接続しても
、変換の比率は逆転するが、同様に作動することは明ら
かである。

なお、コンデンサ５．７及び２３．２６の接続位置を第
１５図乃至第１８図に示すように変えても、第３Ａ図乃
至第６Ｂ図について説明したところと同様に動作するこ
とは明らかであるので、その詳細説明は省略する。

［発明の効果］ 以上のように、この発明によれば、双方向スイッチとト
ランスとコンデンサとを組み合わせて構成したので、電
源が直流であっても、交流であっても変換できる電力変
換装置が得られる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第６Ｂ図はこの発明の一実施例による電力変
換装置を示し、第１図は第１実施例の回路図、第２図は
第２実施例の回路図、第３Ａ図乃至第３Ｃ図は第１実施
例の動作説明図、第４Ａ図乃至第４Ｃ図は第１実施例の
他の動作説明図、第５Ａ図及び第５Ｂ図は第３実施例の
回路及び動作説明図、第６Ａ図及び第６Ｂ図は第４実施
例の回路及び動作説明図である。第７Ａ図乃至第９Ｂ図
は電圧波形図、第１０図乃至第１４図は双方向スイッチ
の各種の例の回路図である。第１５図乃至第１８図は前
記実施例の変形回路図である。第１９図は従来例による
電力変換回路図であり、第２０図及び第２１図は第１９
図に示す従来の電力変換回路の動作説明図である。 図において、１は電源、２は第１トランス、３は第２ト
ランス、５は第１コンデンサ、７は第２コンデンサ、８
は負荷、１０は第１双方向スイツチ、１１は第２双方向
スイツチ、２３は第３コンデンサ、２４は第３双方向ス
イツチ、２５は第４双方向スイツチ、２６は第４コンデ
ンサである。 なお、図中、同一符号は同一または相当部分を示す。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）交流または直流電力を変換する電力変換装置にお
   いて、第１のトランスの１次コイルに電源と第１の双方
   向スイッチを直列に接続し、第２のトランスの１次コイ
   ルに第１のコンデンサを直列に接続し、前記第２のトラ
   ンスの１次コイルと第１のコンデンサの直列回路を前記
   最１の双方向スイッチの端子に接続し、前記第１のトラ
   ンスの２次コイルに負荷と第２の双方向スイッチを直列
   に接続し、前記第２のトランスの２次コイルに第２のコ
   ンデンサを直列に接続し、前記第２のトランスの２次コ
   イルと第２のコンデンサの直列回路を前記第２の双方向
   スイッチの端子に接続してなることを特徴とする電力変
   換装置。
2. （２）前記第１のトランスと第２のトランスを同一の鉄
   心に設けたことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
   の電力変換装置。
3. （３）前記第１のトランスの１次コイルに直列に第３の
   コンデンサを接続し、前記第１のトランスの１次コイル
   と第３のコンデンサの直列回路に並列に第３の双方向ス
   イッチを接続し、前記第１のトランスの２次コイルに直
   列に第４のコンデンサを接続し、前記第１のトランスの
   ２次コイルと第４のコンデンサの直列回路に並列に第４
   の双方向スイッチを接続したことを特徴とする特許請求
   の範囲第１項記載の電力変換装置。