JPH09510079A - 電気エネルギー変換用電子回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 特に一つのコンデンサ（Ｃ１、Ｃ２、．．．、Ｃｎ）と二つのスイッチ（たとえば、Ｔ１、Ｔ’１；）をその各素子に備える多段変換器。素子は変換器周波数で繰り返す期間内で逐次動作する。前記変換器期間に一致する基本周波数を持つ任意の成分のエネルギーを消散するために負荷（Ｃ）にフィルタ回路（ＣＦ）が並列に設けられる。フィルタは一つまたは複数のＲＬＣ型直列回路を備える。

Description

【発明の詳細な説明】 電気エネルギー変換用電子回路 本発明は、フランス特許出願ＦＲ２６７９７１５Ａ１号に記載されている種類 の電気エネルギー変換用電子回路、およびそれを使用する電源装置に関する。 上記特許出願に記載されている変換器を、例として、添付の第１図に示す。こ れは本質的には電圧源ＳＥと電流源Ｃの間に一連の制御可能なスイッチング素子 ＣＬ１、ＣＬ２、．．．ＣＬｎを備えている。各スイッチング素子は二つのスイ ッチＴ１、Ｔ’１；Ｔ２、Ｔ’２；．．．；Ｔｎ、Ｔ’ｎを有する。二つのスイ ッチそれぞれの一つの極は一対の上流側極を構成し、各スイッチの他の極は一対 の下流側極を構成する。上流側素子の一対の下流側極は下流側素子の一対の上流 側極に接続され、第一の素子ＣＬ１の一対の上流側極は前記電流源Ｃに接続され 、最後の素子ＣＬｎの一対の下流側極は前記電圧源ＳＥに接続される。変換器は 各素子ごとにそれぞれコンデンサＣ１、Ｃ２、．．．Ｃｎも備える。ただし、前 記電圧源ＳＥが同じ役割を果たすのに適している時は最後の素子のコンデンサは 省くことができる。各コンデンサは、その素子の一対の下流側極を構成す る二つの極の間に接続される。変換器は、変換器の公称動作を管理し、任意の一 つの素子の二つのスイッチが常にそれぞれ逆の導通状態（ｌｃ１などの制御リン クによって表されている）にあるように連続する素子のスイッチに作用する制御 手段（図示せず）も有する。したがって、周期的に繰り返される変換器期間中に 、前記制御手段によって供給された素子制御信号に応答して、所与の素子の二つ のスイッチのうちの一つが逐次第一の導通状態になり、次いで第二の導通状態に なり、前記変換器期間の一部だけ時間的にずれた同じ素子制御信号に応答して、 連続する素子のスイッチが、期間の前記一部だけ時間的にずれてそれぞれ同様な やり方で動作する。 好ましくは、期間の前記の一部は素子の数ｎの逆数、すなわち、２π／ｎに等 しい。これは出力端子上で発生する調波に関して最適であって、変換器のコンデ ンサに充電された電圧を自然に平衡状態にすることを可能にする。ただし他のず れも考えることができる。 そのような変換器では、連続するコンデンサＣ１、Ｃ２、．．．Ｃｎはそれぞ れ上昇する平均充電電圧を有する。各前記素子に関連するコンデンサの平均充電 電圧は、前記電圧源ＳＥ によって供給される電圧ＶＥに変換器の素子の数の逆数と、素子のランク、すな わち、ｎ＝３つまり変換器が素子を三つだけ有する場合には、ＶＥ／３、２ＶＥ ／３、ＶＥとを乗じた積に等しい。 上記説明を満たす変換器を指すために「多段変換器」という用語を以下に使用 する。 本発明の目的は、そのような多段変換器において、公称動作条件から逸脱する ことが避けられないにもかかわらず、各コンデンサの充電を上記説明に応じた状 態に維持するための手段を論じることである。 上記多段変換器のコンデンサの一つで電荷の公称値がどのように変化すべきか を一層容易に調べるために、任意のスイッチング素子ＣＬＫとそのスイッチＴｋ 、Ｔ’ｋ、素子に連結されたコンデンサＣｋ、さらに後続の素子ＣＬＫ＋１と、 そのスイッチＴｋ＋１およびＴ’ｋ＋１を示す第２図を参照する。 各素子内のスイッチ、ＴｋとＴ’ｋまたはＴｋ＋１とＴ’ｋ＋１の間の結合が 与えられているものとすると、第２図に示す隣接する二つの素子ＣＬｋとＣＬｋ ＋１は四つの状態を持つ。 ａ）ＴｋとＴｋ＋１が導通しておらず、したがって、Ｃｋに おける電荷が変化しない第一の状態、 ｂ）ＴｋとＴｋ＋１が共に導通しており、したがって、それらの状況の下では Ｔ’ｋとＴ’ｋ＋１が非導通状態にあるため、Ｃｋにおける電荷がいずれも変化 しない第二の段階、 ｃ）Ｔｋが導通しており、Ｔｋ＋１が導通していない第三の状態。この場合、 電流源Ｃは、Ｉに等しい電流ＩｋをＴｋ中に流させるが、Ｔ’ｋを流れる電流Ｉ ’ｋは零である。電流Ｉｋ＋１を零にするのはＴｋ＋１の状態であり、一方電流 Ｉ’ｋ＋１はＩに等しいので、コンデンサＣｋを流れる電流Ｉ’ｃｋはＩに等し い。 ｄ）Ｔｋが導通しておらず、Ｔｋ＋１が導通している第四の状態。したがって 、電流源Ｃは、Ｉに等しい電流Ｉ’ｋ＋１をＴ’ｋ中に流させるが、Ｔｋを流れ る電流Ｉｋは零である。Ｔｋ＋１の状態が電流Ｉｋ＋１をＩに等しくし、一方電 流Ｉ’ｋ＋１は零であるので、コンデンサＣｋを流れる電流ＩｃｋはＩに等しい 。 上記第三の状態および第四の状態においては、電流Ｉ’ｃｋ＝Ｉ’ｋ＋１およ びＩｃｋ＝Ｉｋ＋１は符号が逆の追加の電荷をコンデンサＣｋに供給する。第一 の状態は負であると言い、 第二の状態は正であると言う。それら二つの状態に対応する電流は電流源によっ て発生される。電流源が完全に正確な直流を発生し、かつその他のことが全て等 しいままであるものとすると、段階ｃ）およびｄ）の間に電流源によって発生さ れる電流は、ＴｋおよびＴｋ＋１の導通期間を通じて常に同じで、逆向きである （上記のように、それらは公称値が等しく、時間的にずれている）。これは、Ｃ ｋにおける電荷が正に変化し、次いで等しい量だけ負に変化するため、変換器の 一つの周期にわたっては変化しないことを意味する。 電流ＩｃｋとＩ’ｃｋは、電圧源の電圧と、電流源中を流れる電流と、コンデ ンサＣｋにおける充電電圧Ｖｃｋによって決定される。より一般的な表現では、 電流源のインピーダンスが無限大でないと、電流源を流れる電流はその端子間電 圧に、したがってコンデンサにおける電圧Ｖｃｋに依存する。たとえば、どのよ うな理由にせよ、充電電圧Ｖｃｋがその公称値ＶＥｘｋ／ｎより高くなったとす ると、放電電流Ｉ’ｃｋは通常の値より大きくなろうとし、充電電流Ｉｃｋは通 常のう値より小さくなろうとし、それによってコンデンサＣｋにおける電荷をそ れが持つべき値に戻そうとする。これは、多段変換器の動作が安 定していて、電圧源と電流源の両方における振幅のいずれの方向への変化にも対 応できることを説明するものである。それでも動的意味ではこれが問題をひき起 こすことを以下に説明する。 第３図は第１図および第２図の多段変換器のｎ＝３である状況における動作の 例である。正弦波に変調された交番電圧を電流源Ｃに供給するためにパルス幅変 調（ＰＷＭ）制御が行われる。すなわち、変換器の動作における連続する期間ｐ １、ｐ２、ｐ３（線ｔ）中に、以下に「変調」波と呼ぶ、出力電圧を変調するた めの波に応じて変化する時間間隔中にスイッチＴ１、Ｔ２、Ｔ３は順次導通する 。各時刻に、対応するスイッチＴ’１、Ｔ’２、Ｔ’３は逆の位置にある。 もちろん、周知のように、スイッチの動作を変調する他のモードで同じ結果を 得ることも可能である。また明らかに、変換器は電流源Ｃに他の任意の波形また は安定化ＤＣ電圧を供給する働きをすることもできる。 最初に変換器の動作における期間ｐ１について考えることにする。この期間中 は、スイッチＴ１、Ｔ２、Ｔ３の任意の一つが導通し、他の二つは導通しない。 二つの素子とその間のコン デンサからなる各セットについて、これは上記状態ｃ）とｄ）に対応する。この 状態ではコンデンサは追加の負電荷と正電荷を順次受け取るので、その合計値は 公称値が零である。隣接する素子ＣＬ１とＣＬ２が状態ｄ）にある間は、隣接す る素子ＣＬ２とＣＬ３は状態ｃ）にあって、コンデンサＣ２に追加の負電荷を供 給する電流と同じ電流からコンデンサＣ１が追加の正電荷を受ける。 第３図も、期間ｐ２、ｐ３等の間に多段変換器がどのように動作するかを例に よって示す。その期間中はスイッチＴ１、Ｔ２、Ｔ３の導通期間は短くなり、次 いで期間の３分の１を超えるまでより長くなる。その場合、これらの期間は重な り合う。線ＶＩは、理想的な場合に、特にコンデンサの容量が問題の追加の電荷 がそれらのコンデンサの端子間電圧を大きく変えないようなものである場合に、 電流源に伝えられるはずの電圧を示す。電圧ＶＩは、電圧源ＳＥの負極を電圧基 準としてとって、電圧源ＳＥからの電圧ＶＥの一部で表される。この電圧ＶＩは 変換器の前記周波数であるチョッパ周波数Ｆｄの大きい基本波と、チョッパ周波 数より高い周波数の小振幅の高調波とを含む。それらの高調波は低域フィルタに よって容易に除去される。 電流は可変であり、かつ上記段階ｃ）およびｄ）の間では電流は変化するため の時間を持つので、上記二つの状態は等しい追加量の電荷を変換器のコンデンサ に運ばない。スイッチの動作期間が変調波の周波数より大幅に長い場合だけ、こ の変化が無視できる。 電流源に供給されるＡＣは正確には正弦波ではないが、対称的に歪んでいるも のと予想される。同様に、制御信号のレベルの誤差またはそれらが発生する信号 のレベルの誤差、あるいは含まれている種々のスイッチのスイッチング時間の違 いが、スイッチの導通持続時間を変換器の動作期間にわたって不均一にし、また はスイッチの導通段階を時間的にずらし、あるいはコンデンサを充電または放電 する電流を不平衡にすることは避けられない。したがって、一般に、上記のよう な種類の多段変換器では、最初に述べたような公称動作条件を満たすことは実際 には可能ではない。残念なことに、追加電荷に常に誤差が含まれると、コンデン サの電荷に一つの方向または他の方向の誤差が生ずることになり、したがって、 その平均充電電圧に誤差が生じて、電流源に供給される電圧での変換器の動作周 波数に歪みを生ずることになる。 この効果を第３図に波形ＶＩ’で示す。この波形は波形ＶＩに類似する。ただ し、公称充電電圧より低い電圧に充電されていると仮定されているコンデンサＣ １（第１図）が、変換器が一定振幅のパルスｖｉ１、ｖｉ２、ｖｉ３を供給する ことを阻止し、その代わりに、変換器は、コンデンサＣ１がそれ自体の充電電圧 を電流源Ｃに供給する時は、より小さい振幅のパルス（見やすくするために尺度 は誇張してある）ｖｉ１’などのパルスを常に供給し、電流源Ｃに供給されてい る電圧からコンデンサＣ１がそれ自体の電圧を差し引く時は、より大きい振幅の パルスｖｉ２’などのパルスを常に供給し、最後にコンデンサＣ１が回路にない 時は、変更されない振幅のパルスｖｉ３’などのパルスを常に供給する。したが って、これが前記チョッパ周波数の擾乱成分を信号ＶＩ’に混入することが容易 に分かる。 第４図は七つの段を有する変換器におけるそのような擾乱成分のスペクトルの 例を示すものであって、チョッパ周波数Ｆｄ、すなわち変換器の周波数における 線に加えて周波数２Ｆｄ、３Ｆｄ等における線も見える。 コンデンサがそれぞれの公称電圧まで充電された時はそれらの線は存在しない 。それらの線が現れた時は、一般に有害であ る。 しかし、特に、スイッチが受ける電圧は、隣接する二つのコンデンサの公称充 電電圧の差、すなわち、電圧源の電圧を変換器の段数で除した商にもはや実質的 に等しくない。これはスイッチを危険にさらすことがある。 当然、上記のように、コンデンサにおける電荷誤差は自然に再吸収される傾向 があるが、それには時間がかかる。 また、この自発過程は電流源を経由して行われる。したがって、電流源が電流 を流すことを強制しない時はその自発過程は効果を発揮できず、いずれにしても 電流源を流れる電流が小さい時は常に遅くなる。 上記観察に基づいて、本発明は、変換器の各コンデンサにおける平均電荷がそ の公称値により良く維持されるような多段変換器を提案するものである。 本発明によれば、多段変換器がさらに、電流源に加えられる電圧の基本周波数 から、変換器中の段数をｎとして、前記変換器周波数（チョッパ周波数とも呼ば れる）のｎ倍に等しい周波数まで及び、前記二つの周波数を含まない周波数帯に 含まれる周波数を有する任意の成分のエネルギーを、少なくとも部分的 に優先的に消散するためのフィルタ回路を前記電流源に並列に接続することによ ってこの目的が達成される。 ある実施例においては、フィルタ回路は少なくとも一つのＲＬＣ型直列回路を 含む。共通抵抗に直列に複数のＬＣ直列回路を設けることもできる。しかし、複 数のＲＬＣ直列回路を並列に設けることもできる。 ここで考えている各ＲＬＣ直列回路では、抵抗の抵抗値を、前記エネルギーを できるだけ高速に消散するには十分に小いが、変換器のスイッチに損傷を与える 過大な電流を阻止するには十分に大きくすると有利である。 本発明の種々の目的および諸特徴は、添付図面を参照して行う、非限定な例で 示した本発明の各実施例についての以下の説明から一層明らかになるであろう。 上で説明した第１図は、既知の多段変換器の回路図である。 上で説明した第２図は、第１図の多段変換器における隣接する二段の組の回路 図である。 上で説明した第３図は、第１図および第２図の多段変換器が三つの段を有する 場合の、その変換器の動作を示す波形図である。 第４図は、コンデンサにおける電荷不均衡の場合に、第１図の変換器によって 出力され、７段変換器に適用できる、電圧スペクトルの例を示す。 第５図は、本発明の第一の実施例によって変更した、第１図、第２図および第 ３図のタイプの多段変換器の回路図である。 第６図は、第５図の変換器の変形を示す部分回路図である。 第７図は、同じ周波数に同調されているが、容量およびインダクタンスが異な る種々なＲＬＣ回路のインピーダンス／周波数（Ｚ／Ｆ）応答曲線を示すグラフ である。 多段変換器については再び説明はしない。第１図、第２図および第３図の回路 図は特許明細書ＦＲ２６９７７１５Ａ１号に記載されている種類の変換器に対応 する。詳細については同特許を参照されたい。第４図は、本発明が解決策を提案 している対象である擾乱の例を示すものである。 第５図は第１図の変換器を示し、各素子には同じ参照番号を付与している。そ の出力端子に、すなわち電流源と並列に、電流源に加えられる電圧の基本周波数 から、変換器中の段数をｎとして、前記変換器周波数（チョッパ周波数とも呼ば れる）のｎ倍に等しい周波数まで及ぶ周波数帯域に含まれる周波数の任 意の成分のエネルギーを、少なくとも部分的に優先的に消散させるためのフィル タ回路ＣＦが付加されている。前記二つの周波数は前記周波数帯域には含まれな い。 さらに詳しくいえば、フィルタ回路は、抵抗Ｒａ、Ｒｍと、インダクタＬａ、 Ｌｍと、コンデンサＣａ、Ｃｍとをおのおの有する一つまたは複数のＲＬＣ型直 列回路を含む。 一変形例では、第６図に示すように、複数の直列共振回路Ｌａ１、Ｃａ１；Ｌ ａ２、Ｃａ２に直列に共通抵抗Ｒａｘが設けられる。第５図に示す解決策と比較 して、この変形例は安価であるが実際に実現することはより困難である。 理想的には、フィルタ回路ＣＦは、変換器によって電流源に供給される電圧の 基本周波数までは無限大のインピーダンスを持ち、変換器によって電流源に供給 される電圧の基本周波数より上の、スイッチの基本周波数に変換器の素子数を乗 じた動作周波数（第３図のパルスｖｉ１、ｖｉ２、ｖｉ３参照）に一致する周波 数ｎＦｄまでは零インピーダンスであり、それより高い周波数では有限インピー ダンスである。 変換器のスイッチを過大な電流が流れることを避けるために、零インピーダン スは望ましくない。抵抗Ｒａ、Ｒｍ、Ｒａｘの 最低抵抗値はこれに基づいて定義される。ある種の応用例ではそれは１オームの オーダーである。 所与の範囲内の有限インピーダンスと、他の範囲内の低インピーダンスは不可 能である。したがって、本発明は少なくとも一つの直列共振回路を提供する。そ のような回路の周波数応答を第７図に示す。この図は、１０オームの抵抗Ｒと、 ２３μＦ、２，３μＦおよび０．２３μＦの容量Ｃとを全て有する三つのＲＬＣ 回路について、インピーダンス（Ｚ）を周波数（Ｆ）の関数としてプロットした 曲線を与えるものである。インダクタンス値は各場合に３ｋＨｚの周波数で共振 を行うようなものである。 ６００Ｈｚでは、回路のインピーダンスは約１０Ω、１０²Ω、または１０³Ω である。値の拡大は３０ｋＨｚにおけるものに類似する。小さい容量（０．２３ μＦ）およびそれに対応して高いインダクタンスの場合、顕著なＶ形特性が存在 する。小さい容量の利点は、任意の可能な擾乱成分のスペクトルを含む周波数帯 域の外側では、インピーダンスが高いことである。欠点は、帯域内では、成分の 基本周波数においてのみインピーダンスが低いことである。第５図に示す本発明 の一つの解決策 は、複数のＲＬＣ回路を、たとえば第４図の大きい振幅の各線に一つずつ、並列 に設け、他の線は無視することである。しかし、その解決策は数多くのＲＬＣ回 路を要するために大きくなり、かつ高くつき、多くの電力を消費する。第６図の 解決策は、実際には類似している。 しかし、ある種の応用例（比較的低電圧であり、その場合には消費電力は比例 して多くなることがあり、擾乱成分の振幅は限られたものである）では、したが って、本発明はまたより大きい容量Ｃを選択し、それによってＶ形特性が緩やか になり、ＲＬＣ回路の数を減少し、最終的には、そのような回路をただ一つ使用 することを可能にする。 明らかに上記説明は非限定的な例としてのみ示したもので、特に数値は各応用 例に合わせて変更できる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 カレール，フイリツプ フランス国、31400・トウールーズ、リ ユ・サン・トマ・ダカン・11 (72)発明者 メナール，テイエリー フランス国、31500・トウールーズ、リ ユ・ラバ・ドウ・サビニヤツク・57

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．特に、電圧源（ＳＥ）と電流源（Ｃ）の間に、一連の制御可能なスイッチン グ素子（ＣＬ１、ＣＬ２、．．．、ＣＬｎ）を備え、各素子は二つのスイッチ（ Ｔ１、Ｔ’１；Ｔ２、Ｔ’２；．．．；Ｔｎ、Ｔ’ｎ）を有し、二つのスイッチ それぞれの一つの極が一対の上流側極の一部分をなし、各スイッチの他の極が一 対の下流側極の一つを構成し、上流側素子の一対の下流側極が下流側素子の一対 の上流側極に接続され、第一の素子（ＣＬ１）の一対の上流側極が前記電流源（ Ｃ）に接続され、最後の素子（ＣＬｎ）の一対の下流側極が前記電圧源（ＳＥ） に接続され、さらに各素子ごとにコンデンサ（Ｃ１、Ｃ２、．．．、Ｃｎ）を備 え、ただし、前記電圧源（ＳＥ）が同じ役割を果たすのに適している時は最後の 素子のコンデンサは省くことができ、各コンデンサは、対応する素子の一対の下 流側極を構成する二つの極の間に接続され、さらに所与の任意の素子の二つのス イッチが常にそれぞれの逆の導通状態にあるように連続するスイッチに作用する ことによって変換器の公称動作を管理する制御手段も備え、前記制御手段によっ て供給さ れた素子制御信号（ＣＴ１、ＣＴ２、．．．、ＣＴｎ）に応答して、周期的に繰 り返される期間中に、所与の素子の二つのスイッチのうちの一つが逐次第一の導 通状態になり、次いで第二の導通状態になり、前記期間の一部だけ時間的にずれ ている同じ素子制御信号に応答して、連続する素子のスイッチが同様に、ただし 前記期間の一部だけ時間的にずれてそれぞれ動作するようにし、連続するコンデ ンサ（Ｃ１、Ｃ２、．．．、Ｃｎ）がそれぞれ上昇する公称平均充電電圧を有し 、前記各素子のコンデンサの公称平均充電電圧が前記電圧源（ＳＥ）からの電圧 （ＶＥ）に素子の数の逆数と、素子のランクとを乗じた積に等しい多段変換器に おいて、電流源に加えられる電圧の基本周波数から、変換器中の段数をｎとして 、前記変換器周波数（チョッパ周波数とも呼ばれる）のｎ倍に等しい周波数まで 及び、前記二つの周波数を含まない周波数帯域に含まれる周波数を有する任意の 成分のエネルギーを、少なくとも部分的に優先的に消散させるためのフィルタ回 路（ＣＦ）を、前記電流源（Ｃ）に並列にさらに備えることを特徴とする多段変 換器。 ２．前記フィルタ回路（ＣＦ）が、抵抗（Ｒａ）と直列共振回路（Ｌａ、Ｃａ） とを備える少なくとも一つのＲＬＣ型直列回 路を備えることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の多段変換器。 ３．前記フィルタ回路（ＣＦ）が、複数の直列共振回路（Ｌａ１、Ｃａ１；Ｌａ ２、Ｃａ２）と直列に共通抵抗（Ｒａｘ）を備えることを特徴とする請求の範囲 第２項に記載の多段変換器。 ４．前記フィルタ回路（ＣＦ）が、前記変換器周波数（Ｆｄ）と、比較的より高 い振幅で存在する調波の少なくともいくつかのための、直列共振回路を備えるこ とを特徴とする請求の範囲第２項または第３項に記載の多段変換器。 ５．考察している任意のＲＬＣ直列回路について、抵抗の抵抗値が、抵抗に直列 接続されている任意の共振回路の共振周波数に対応する周波数で変換器に供給さ れるエネルギーをできるだけ高速に消散させるには十分に小さいが、同時に、変 換器のスイッチに損傷を与える過大な電流を避けるには十分に大きいことを特徴 とする請求の範囲第２項または第３項に記載の多段変換器。