JPH11503898A - 交流直流変換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 電流ループ（１）から電力を取り出して機能ユニット（２）への電流供給を行う交流直流変換器であり、電流ループは一定の周波数および振幅をもつ交流電流が流されるとともに機能ユニット（２）との間で送受信される信号を伝送する。この変換器は電流ループ（１）に結合された誘導結合器（４）を備え、電流ループの一部が誘導結合器（４）の一次巻線を構成する。誘導結合器（２）の二次側には、機能ユニット（２）への直流供給のためにスイッチモードより動作する整流手段（ＬＲ）と、電子スイッチ（Ｓ）を制御する電圧レギュレータ（ＳＲ）と、電力コイル（Ｌ１）と、少なくともひとつのキャパシタとを備える。電力コイル（Ｌ１）は整流手段（ＬＲ）の交流側に挿入され、キャパシタ（Ｃ１）が電力コイル（Ｌ１）と共に供給電流の周波数と実質的に一致する周波数で共振するように電力コイル（Ｌ１）に直列に設けられる。変換器に負荷がないときには、スイッチ（Ｓ９）は実質的に閉じており、この状態で、誘導結合器の二次側は交流を短絡する。

Description

【発明の詳細な説明】 交流直流変換器 〔技術分野〕 本発明は２線電流ループから機能ユニットへ電力を伝えるための変換回路構成 に関する。このような回路は、誘導結合器（変圧器）と、スイッチモードに基づ く交流直流変換器とにより構成される。さらに詳しくは、「ブーストモード」型 の直流直流変換器における交流直流変換の構成に関する。電流ループは固定周波 数の交流を導通して電力伝達のためにそれを増幅し、機能ユニットへの信号また は機能ユニットからの信号が電流ループの電力伝達流に重ね合わされる。 〔背景技術〕 誘導結合器では、電流ループが一次コイルを構成し、二次側には機能ユニット への直流供給のために整流素子が配置される。さらに、上述したスイッチモード で動作するために電子スイッチを制御するための電圧レギュレータを備える。 本発明は、例えば、プロセス制御設備内の測定装置または制御ユニットのよう ないくつかの機能ユニットを相互に接続するためのいわゆる界磁バス（fieldbus ）について改善するものである。例えばＩＥＣ１１５８−２に示された「電流バ スモード」型の電流ループバスが、本発明に関連する技術である。この界磁バス すなわち電流ループは２導線ラインを備え、一方、それに接続された機能ユニッ トは、このラインを通して信号の送受を行うことができるように接続され、さら に、同じ導線対を通して、電流供給の形で所望の電力が供給される。このような 電流ループバスでは、機能ユニットはバスに直列に接続される。バスからの電流 供給のために、接続される機能ユニットのインピーダンスと同じインピーダンス で、２導線ラインにタップが設けられる。電流ループバスには、一定の交流が中 央ユニットから供給される。それぞれの機能ユニットは電流ループバスに直列の 負荷として作用し、直列負荷の実部に比例した電力が引き出される。電流ループ への機能ユニットの接続は、実用的には、変圧器の一次側に１以上の巻線を形成 して誘導結合させることがよい。このような誘導的な接続を利用する場合、変圧 器の二次側に、関連する機能ユニットの一部を集約することができる。 以上説明したようにして機能ユニットの動作のために電力または電流を供給す ることに加え、誘導結合を利用して、界磁バスとそれぞれの機能ユニットとの間 の信号伝送すなわち通信を行うことができる。すなわち、供給される電力に信号 を重畳する。この信号の強度は、実用的には、電力伝達のための電流の振幅より 数桁小さい。したがって、個々の機能ユニットにおいて必要となるフィルタリン グを単純化できるように、電力波形はできるだけ正弦波に近いことが非常に重要 である。さらに、機能ユニットから界磁バス網に高調波雑音が入り込むことを防 止するために、各ユニットにより生じる電流ループバスに対する負荷は、できる だけ線型である必要がある。このような雑音は信号通信を妨害して有害である。 電力供給部または個々の機能ユニットの非線型性により生じる高調波雑音成分は 、通信のための信号帯域を広げ、信号対雑音比を小さくしてしまう。 このような考察は、個別の誘導結合器（変圧器）による界磁バスへの、または 界磁バスからの信号伝送に対しても同じである。 本発明が実際の利用形態として想定している界磁バスシステムやそのための設 備においては、交流電源からの供給周波数は一般の商用電源の周波数よりかなり 高く、一例を挙げると例えば１６ｋＨｚである。上述した通信用の信号伝送の周 波数は、一般にはこの電流供給周波数よりもかなり高いものが用いられる。後述 するが、機能ユニットへの変換器回路にはトランジスタスイッチのような電子的 スイッチを備え、固定の速度（繰り返し周波数）で制御される。この周波数は典 型的には３５０ｋＨｚである。ここで与えられる典型的な周波数の例は、以下に 説明する本発明が解決しようとしている課題に対する背景技術の一部である。 接続された各機能ユニットへの電流供給による電圧効果は、できるだけ小さく オーミック（抵抗性）であることが望ましい。虚数の電圧低下が生じる場合には 、電流ループへの交流供給のための供給電圧が不必要に高くなり、界磁バス網全 体 の電力または電流供給の総効率が低下する。 電圧レギュレータについては種々の構成が知られてており、スイッチモードに 基づくもの、すなわち供給された電流およびそれにより誘導性の構成要素（電力 コイル）から負荷へ伝達される電気エネルギを能動的に遮断するものも知られて いる。以下に説明する回路構成では、レギュレータのための特別の電力回路構成 として、「ブーストモード」構成（ブースタ）として知られるものを採用する。 この特別の電圧レギュレータの構成については、例えば、「High power factor preregulators for off-line power supplies"，Lloyd H.Dixon Jr.，Unitrode Corporation，Unitrode Power Supply Design Seminar 1990に詳細に説明されて いる。このレギュレータ構成は直流直流変換器に使用されるものであり、整流さ れた電圧を別の整流された電圧に変換する。本発明では、整流機能をレギュレー タ機能に組み合わせ、「ブーストモード」の電力回路を交流から直流への変換を 実現するために用いる。 本発明で用いる整流器回路の構成に少なくとも表面的に類似する構成例として 、スウェーデン特許公報第４５２．２２６号およびヨーロッパ特許公報第０３８ ７．７３５第にそれぞれ開示されたものがある。ただし、これらの二つの例は、 上述した界磁バス型の電流供給網に関するものではなく、またバスまたは電流ル ープ網に関連して本発明が解決しようとする課題を考慮したものでもない。スウ ェーデン特許公報第４５２．２２６号には整流回路の入力にフィルタのような共 振回路が示されているが、その目的は特定の波形を整流器に供給するためである 。上述のヨーロッパ特許公報もまたフィルタのような直列の共振回路の使用を開 示しているが、その目的は整流回路からの逆電流を除去するためである。 さらに、上述したブースタ構成についてなんら記載したものではないが、本発 明の周辺技術として関係がある三つの米国特許について簡単に説明する。 米国特許第４．９５９．７６６号には、入力に調整回路を備えた交流直流変換器 が開示されている。この特許明細書の最初には、スイッチモードでは望ましい解 決が得られないことが示されている。この特許明細書に記載された解決方法はサ イリスタ制御であり、これにより、交流電圧の半周期の大きいまたは小さい部分 が利用される。この米国特許は出発点から本発明とは異なるものであり、信号伝 達については記載がなく、一定電流を供給するためのものでもない。 米国特許第４．６９８．７９０号には交流直流変換器が示されているが、一定電 流を供給することを基本としたものではない。しかし、スイッチモードを用いる ことについては記載があり、この点では本発明はこの米国特許に類似している。 米国特許第３．９０６．３３７号には従来の整流器ブリッジを用いた直流直流変 換器が開示されているが、これは本発明とは基本的に異なる技術である。 〔発明の開示〕 本発明によれば、請求項に詳しく説明した新規で進歩した特徴により、機能ユ ニットを電流ループに接続するために有利な変換器回路構成が得られる。 本発明とそれにより得られる利点について、より詳しく、図面を参照して説明 する。 〔図面の簡単な説明〕 図１は本発明の第一実施例の変換器または回路構成の概略的な回路図を示す。 図２は図１に示した変換回路を特定の信号回路と併せて示す。 図３は本発明の他の実施例を関連する信号回路と併せて示す。 図４は第一の具体的な実施例であり、図３に示した基本的な回路構成を基本と した構成の詳細について、信号回路を省略して示す。 図５は別の具体的な実施例であり、図３に示した基本的な回路構成を基本とし た構成の詳細について、信号回路を省略して示す。 〔発明を実施するための最良の形態〕 図１において、導線１が界磁バスすなわち電流ループを表し、この電流ループ が変換回路に誘導結合する。変換回路には、機能ユニット２を界磁バスに接続す る出力端子１０Ａ−１０Ｂを備える。したがって、この回路は、１以上に巻かれ た一次巻線としての導線１を備えた変圧器４を構成し、一方、二次巻線Ｌ０は、 変圧器４内で所望の変圧比が得られるように、それより多い巻数で巻かれている ことが望ましい。二次巻線と並列にキャパシタＣ０が設けられ、続いて、キャパ シタＣ１および電力コイルＬ１が直列に接続される。 整流素子を全体としてＬＲで表す。この整流素子ＬＲにより供給される直流電 圧は、出力端子１０Ａおよび１０Ｂから機能ユニット２に供給される。この電圧 は、例えば５ボルトである。出力端子１０Ａおよび１０Ｂと並列に、一般的に用 いられているように、大きなキャパシタＣ２が設けられる。 整流器に対して公知の方法で電圧制御を行うため、パルス幅変調により電子回 路のブレーカまたはスイッチＳを適当な速度よび時間関係で制御するレギュレー タ回路ＳＲが設けられる。したがって、出力端子１０Ａ−１０Ｂの電圧は、負荷 の変化、および電流ループ１を含むシステム内で生じる可能性のある擾乱に対し て、ほぼ一定の所望の値、例えば５Ｖに維持される。レギュレータ回路ＳＲの入 力には、変圧器４から供給される交流の曲線の形状または波形を検出するための 小さな直列抵抗Ｒ１が接続される。レギュレータ回路ＳＲにはまた、出力端子１ ０Ａ−１０Ｂに現れる直流出力が供給される。 レギュレータ回路ＳＲは、抵抗Ｒ１を通して検出された電圧を利用し、抵抗器 Ｒ１を通過する電流の瞬間的な値に比例して幅が変化するパルスを用いてスイッ チＳを制御する。このパルスの幅はまた、機能ユニット２への電力入力により示 される負荷または消費電力の変化を考慮し、出力される直流が一定となるように 制御される。 電子スイッチＳは望ましくは固定周波数で制御されるが、そのオン、オフの時 間は可変に制御される。スイッチＳが開いているとき、電力コイルＬ１は、自分 の蓄えたエネルギを放出してしまうまで、そこを通過する電流を維持しようとす る。この電流は整流素子ＬＲを通って流れ、キャパシタＣ２と機能ユニット２と の間に分配され、機能ユニット２が利用可能な負荷を構成する。 レギュレータ回路ＳＲがパルス幅変調された制御信号を用いてスイッチＳの動 作を制御するとき、平均として交流供給信号の振幅に対して線型で位相の一致し た電気信号を取り出すことができる。また、電力コイルＬ１はキャパシタＣ０と 共に低域通過フィルタを構成し、スイッチＳで生じる断続に対して必要となるス ムージング効果を実現する。これにより、整流回路とその負荷とが、図１に導線 １で示された界磁バスに対して純粋な線型回路となる。 コイルＬ１と直列に配置されたキャパシタＣ１は、コイルＬ１と共に、電流ル ープ１からの電流供給の周波数と等しい、またはほぼ等しい周波数で共振する。 これは、キャパシタＣ１とコイルＬ１との直列接続による電圧降下が、供給周波 数に対して非常に小さいことを意味する。これは明らかに、本発明の回路により 得られる非常に重要な利点である。供給周波数よりも高い周波数では、Ｃ１、Ｌ １の直列回路は誘導性となり、スイッチＳからの高周波スイッチ雑音を遮断し、 この雑音が電流ループ１に反射されることを防止する。 電力コイルＬ１が高周波数雑音に対してフィルタとして動作することについて 説明した。図１の回路構成は、関連する構成部と共に、電流ループ１に対して線 型負荷となる重要な特徴をもつ。スイッチＳが閉じると変圧器４の二次側の電圧 は低下し、直列共振回路Ｌ１−Ｃ１内の抵抗、スイッチＳおよび直列抵抗Ｒ１に より決まる値となる。図１を参照して説明した新規な変換回路は、小数の構成部 の設計により、電流ループ１に接続されたときに、交流電力効率と、交流ループ への低雑音寄与との双方において、最適な性能をもつようにできる。さらに優れ た利点は、電流ループ１に変換されるインピーダンスが供給周波数で小さいこと である。電流ループ１に接続された各機能ユニット２に対する電流ループ１の電 圧降下は小さく、電流ループのための供給電圧は、設置された機能ユニットの電 流消費に依存して、全体として可能な限り小さくなる。 図１には、基本的な構成のみを示し、機能ユニット２への、または機能ユニッ ト２からの信号伝送については示していない。界磁バスまたは電流ループ１と機 能ユニット２との間の信号伝送については、図２に示すように、機能ユニット２ に接続されるインダクタンスＬｘを二次側に備えた別個の結合器（変圧器４Ｘ） を用いて行われる。変換回路の構成については、図１および図２のどちらの構成 も同等である。 図１および図２の二次側、すなわちインダクタンスＬ０は、キャパシタＣ０と ともに、供給周波数で高インピーダンスとなる並列共振回路を構成する。これに より、変圧器４内の比較的小さなインダクタンスＬ０が整流器および変換器の入 力負荷となることはない。並列キャパシタＣ０は、電流ループ１による変圧器４ の磁化に寄与し、この変圧器４が電流ループ１から見て抵抗性となるようにする 。図２の実施例のように分離された変圧器４Ｘを用いることで、キャパシタＣ０ が、分離された変圧器４Ｘを通過するのと同じ信号に対して、低インピーダンス （短絡回路）となる。この利点は明らかである。この場合に、電力側の結合器４ では、通信信号を最小限まで減衰させることが望まれる。 図３の実施例は、主要部については図１および図２に示した変換器回路と同等 であるが、キャパシタＣ０が別々に配置されたことが異なる。図３の構成におけ る信号伝送経路は、図２に示した二つの分割された誘導結合４および４Ｘに対し て修正され、電流供給のためのインダクタンスＬ０と同じ変換器コア４Ｂ上の特 別の巻線Ｌ０ｃを経由して取りだされる。このような信号および電力の接続は同 一の磁気コアすなわち変換器４Ｂを介して行われ、図１および図２に示したイン ダクタンスＬ０と並列キャパシタＣ０との並列共振では、信号経路に望ましくな い負荷をもたらす。この問題を解決するには、共振キャパシタＣ０をシグナリン グの結合容量として採用し、図３に示した信号回路から取り除く。この場合に、 電力コイルＬ１は信号周波数に対して高抵抗の絶縁回路として動作し、信号回路 には電力コイルＬ１を設けないので負荷とはならない。図２に示したと同様に、 図３に示す信号回路には、機能ユニット２に接続された二つの駆動回路（図示せ ず）を備えることができる。このような駆動回路は、Ｌ０とＣ０との並列共振回 路が有効となるために、非常に低抵抗であることが必要である。 図４に示した実用的で詳細な実施例は、図３に基本的な構成を示したものを基 本とし、そこに示された部分は単純化し、信号回路は含んでいない。図４に示す 回路は、構成要素Ｃ１、Ｌ１、Ｄ１〜Ｄ６、Ｒ１およびＣ２、ならびにレギュレ ータ回路ＳＲを備える。単純のために、実際の電流ループは図から省略し、変圧 器４への接続は矢印のみで示す。出力端子１０Ａおよび１０Ｂへの出力側には図 １、２および３で示した機能ユニットが接続されるが、図４ではこれを抵抗ＲＬ で示す。さらに図４では、二つのダイオードＤ５、Ｄ６が設けられる。 この構成では、整流器がダイオードＤ１〜Ｄ６により構成される。電子スイッ チＳはトランジスタＴ１により形成される。ブリッジ回路Ｄ１〜Ｄ４は電流がト ランジスタＴ１を一方向のみに流れることを確実とし、電流を二つの半周期の双 方で遮断できるようにする。スイッチ回路はまた、半周期の双方で抵抗Ｒ１への 正弦曲線を読み取ることを可能にする。これは、レギュレータ回路ＳＲの実現を 簡単にする。ダイオードＤ１〜Ｄ４からなるブリッジ回路は、スイッチ回路およ び電流読み取りのための回路を実用的に実施できるようにする。 レギュレータ回路ＳＲは、トランジスタＴ１のオフ時間が抵抗Ｒ１により測定 された交流電流の瞬間的な値と比例するように、トランジスタＴ１のオフ時間を 固定の高い周波数（約３５０ｋＨｚ）でパルス幅変調する。一方、オフ時間の平 均幅は、一定の出力電圧が維持されるように制御される。 この分野の専門家であればよくわかるように、この明細書の最初に論じたブー スタ構成は、図４に、電力コイルＬ１、スイッチトランジスタＴ１、ならびに主 電流のためのダイオードＤ５、Ｄ６により表される。対応する構成は図５にも示 される。 ここで説明した回路構成のうちできるだけ多くの部分を集積回路で実現するた めの構成として、特別に望ましい実施例を図５に示す。この実施例は、整流およ びスイッチング機能を組み合わせてトランジスタＴ１ａ〜Ｔ１ｄにより実現する 。トランジスタの電圧低下はダイオードより小さいので、効率が高くなる。 この場合の整流器は、ダイオードＤ６、Ｄ５とＦＥＴトランジスタとにより構 成される。この実施例では、スイッチはトランジスタＴ１ａおよびＴ１ｃにより 構成され、それぞれが供給電流の半周期に動作する。 トランジスタＴ１ａ〜Ｔ１ｄはレギュレータ回路ＳＲにより制御され、交流電 流（供給電流）の半周期にＴ１ａがＴ１ｄと共に導通となる。Ｔ１ｂは半周期の 全体で導通となり、Ｔ１ａは上述したようにパルス幅変調される。Ｔ１ｃおよび Ｔ１ｄも交流電流の別の半周期に同様に動作する。 電子工学の専門家には明らかなように、上述した図１ないし図５の回路構成は 非常に単純化されて概略的であり、図示された物以外に例えば駆動電圧回路、オ ペレーションアンプ、比較回路その他が含まれる必要があり、集積回路としての 実現のために必要な事項を含むようなより複雑な実用上の設計が必要である。し かし、基本的な構成要素のいくつか、例えば電力コイルＬ１は、集積回路には収 容されないかもしれない。変圧器４についても同じである。 〔産業上の利用可能性〕 まとめると、ここで説明した変換器または回路構成は、効率がよく、界磁バス への雑音の混入を除くことができ、チョークおよび変圧器の使用を最小限とし、 物理的な寸法を小さくできる利点がある。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ， ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，Ｕ Ｇ)，ＵＡ(ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ )，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ， ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＨＵ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，Ｋ Ｇ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ， ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，Ｓ Ｉ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ ，ＵＺ，ＶＮ (72)発明者 ランデト ハルボル ノルウェイ国エヌ0667オスロ・スケイエン アレ25番地

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．一定の周波数および振幅をもつ交流電流が流されるとともに機能ユニット（ ２）との間で送受信される信号を伝送する電流ループ（１）と、この電流ループ （１）の一部を一次巻線とする誘導結合器（４）とを備え、 前記誘導結合器（２）の二次側には、機能ユニット（２）への直流供給のため にスイッチモードより動作する整流手段（ＬＲ）と、電子スイッチ（Ｓ）を制御 する電圧レギュレータ（ＳＲ）と、電力コイル（Ｌ１）と、少なくともひとつの キャパシタとが接続され、 前記電流ループ（１）から電力を取り出して前記機能ユニット（２）への電流 供給を行う 交流直流変換器において、 前記整流手段（ＬＲ）は、前記誘導結合器からの電流を直流電流に変換する二 つのダイオード（Ｄ５、Ｄ６）と、入力信号（Ｒ１）を前記電圧レギュレータ（ ＳＲ）に供給する整流素子（Ｄ１〜Ｄ４、Ｔ１ａ、Ｔ１ｄ）とを含み、 前記電力コイル（Ｌ１）は前記整流手段（ＬＲ）の交流側に挿入され、 キャパシタ（Ｃ１）が前記電力コイル（Ｌ１）と共に供給電流の周波数と実質 的に一致する周波数で共振するように前記電力コイル（Ｌ１）に直列に挿入され 、 前記電子スイッチ（Ｓ）は、前記交流直流に負荷が接続されていないときに、 実質的に閉じた位置となり、 この閉じた位置では、前記誘導結合（４）の二次側で実質的に交流電圧が短絡 される ことを特徴とする交流直流変換器。 ２．前記電子スイッチ（Ｓ９）は前記整流手段（ＬＲ）の交流側に配置された請 求項１記載の交流直流変換器。 ３．前記電圧レギュレータ（ＳＲ）は、固定の繰り返し周波数でパルス幅の変化 を用いて前記電子スイッチ（Ｓ）を制御する請求項１または２記載の交流直流変 換器。 ４．前記電子スイッチは、整流およびスイッチングの機能が結合された能動半導 体コンポーネント含む請求項１ないし３のいずれか記載の交流直流変換器。 ５．共振キャパシタ（Ｃ０）が前記誘導結合（４）の二次側に設けられ、この共 振キャパシタは交流周波数において前記誘導結合（４）のインダクタンスと並列 共振器を形成する請求項１ないし４のいずれか記載の交流直流変換器。 ６．前記誘導結合（４）は前記電流ループ（１）と前記機能ユニット（２）との 間の信号伝送を行う構成であり、 交流周波数で前記誘導結合（４）のインダクタンスと並列共振器を構成する共 振キャパシタ（Ｃ０）を備え、 この共振キャパシタ（Ｃ０）は同時に前記信号伝送のための結合キャパシタで ある 請求項１ないし４のいずれか記載の交流直流変換器。