JPS59230462A - 直流電圧変換回路 - 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】 く技術分野〉 本発明は直列に接続された一連のコンデンサを、スイッ
チング素子によってそれぞれ直流電源電圧に等しく充電
し、直流電源電圧の整数倍の直流電圧を得る直流電圧父
換回路に関するものである。

〈従来技術と問題点〉 直流電源から、電源電圧より高い直流電圧まプζは負の
直流電圧を得るには、従来から一般にインバータ・トラ
ンヌ・整流回路による方法、カ、Ｌ［、チョッパまたは
フライバックチョッパのようにリアクトルに蓄えたエネ
ルギーによる方法が実用化さレテイル。いずれもトラン
ヌやリアクトルを必賞とし、重量が大きく、インバータ
は軽負荷での’８）率が小さく、チョッパは帰還制御し
なければ出ノＪ電圧の変動が非常に大きい欠点を持って
いる。

交流電源から直流電圧を得る場合は例えば第１図に示す
整流方式があり、コツククロフト回路として知られてい
る。交流電源ｅの電圧ピーク値をＥとすると、コンデン
サＣＩＯとＣ２０はＥに、仙のコンデンサは２Ｅに充電
される。負荷は奇数列寸だけ偶数列の任意のコンデンサ
端子間に接続することができ、交流電圧の整数倍の直流
電圧を１１）ることかできる。ダイオードＤ　Ｉｏ＋　
Ｄ　２０　＋およびコンデンサＣＩＯ＋ＣＩ＋より成る
回路は半波形倍電圧整流回路、Ｄ　１０　＋　Ｄ　２０
　＋　ＣＩＯ＋　Ｃ２０より成る回路は両波形倍電圧整
流回路と呼ばれている。

〈問題点解決手段〉 本発明は直流電源とスイッチング素子によって直列に接
続されたコンデンサ群を順次電源電圧に充電し、高電圧
まだは負の直流電圧を得るものである。

〈実施例〉 第２図は本発明の直流電圧変換方式回路の１実施例の回
路構成を示す。ここでは直流電源Ｅに、交互にオンとな
るスイッチング素子Ｓｌ、Ｓ２（駆動回路は省略しであ
る）を直列に接続し、正側のダイオードＤＩｌ〜ＤＩ４
は直流電源の正端子より直列に、負側のダイオードＤ２
□〜Ｄ２４は直流電源の負端子より直列に接続される。

偶数番号のコンデンサＣＩ２．　ＣＩ４　、Ｃ２□、Ｃ
２４は直流電源Ｅと直列に１ｉ続され、それぞれのコン
デンサの端子はダイオード直列回路の偶数番目の端子に
接続される。奇数番号のコンデンサＣＩＩ　＋　ＣＩ３
　＋　Ｃ２＋　＋　Ｃ２３はスイッチング素子５１．５
２の接続点から正側および負側に直列に接続され、それ
ぞれの端子はダイオード直列回路の奇数番目の端子に接
続されている。

本実施例では＋３Ｅおよび一２Ｅの直流電圧がイ１）ら
れる例について示しであるが、ダイオードおよびコンデ
ンサの段数によって、直流電源電圧の作意整数倍の電圧
を得る回路とすることができる。

ここで、段数とは、例えばダイオードＤｌ：１．１）１
４゜ＣＩ　３　＋　ＣＩ４の組合せをもって１段と称す
る。また、本実施例において負荷は、＋３Ｅおよび−２
Ｅの電圧が加わるように接続した例を示しであるが、偶
数番号のコンデンサＣ１゜＋　０１４　＋　（−２□、
Ｃ２４お、Ｌび直流電源Ｅの任意端子間に接続すること
ができる。

スイッチング素子Ｓｌｌ　５２を速い周期で交互にオン
オフすることによって、全てのコンデンサが直流電源電
圧Ｅに充電される過程を第３図、第４図により説明する
。なお、簡単のため、スイッチング素子およびダイオー
ドの電圧降下は非常に小さいものとしておく。

第３図は正側コンデンサＣＩｌ〜Ｃ１４の充電過程を示
しだもので、この動作は負側の回路とは独立に行なわれ
る。

まず、スイッチング素子Ｓ２がオンになると、°１ンデ
ンザＣ１□は第３図（ａ）の回路で直流電源よりクイオ
ードＤ１□およびスイッチング素子Ｓ２を通じて電流ｉ
ｎで充電され、その端子電圧Ｅｃ。

は直流電源電圧Ｅに等しくなる。

ＥＣＩ］＝Ｅ・・・・・・・・・・・・（１）次に、ス
イッチング素子Ｓ＋がオンになるとコンデンサＣＩ２は
第３図（ｂ）の回路でダイオードＤＩ２およびスイッチ
ング素子Ｓ１を通じてコンデンサＣｏの放電電流ｉｎで
充電され、端子電圧ＥＣ。

は減少し、コンデンサＣＩ２の端子電圧ＥＣＩ２は増加
しＥｃＨと等しくなる。

即ち Ｅ、ｃ　１２　＝　Ｅ　ｃＢ　　・・・・・・・・・・
（２）となる。

続いて、スイッチング素子Ｓ２がオンになると回路は第
３図（ｃ）となり、ダイオードＤＩ３を通じて流れる電
流ｉｔ３により、コンデンサＣ１□カ放電、コンデンサ
Ｃ＋３１　Ｃｕが充電サレ、：ｌン７’　７　サＣ１３
の端子電圧Ｅ１３がＥ１□と等しく、 Ｅ　Ｃ＋３　＝　Ｅ　ＣＩ２　　・・・・・・・・・・
・（３）となれば、ダイオードＤｌｌに正方向電圧が加
わるようになり、電流１．３はダイオードＩ）＋＋で短
絡されて流れなくなる。その後コンデンサＣＩ＋は電流
ｉ＋＋により引き続いて第３図（ａ）の回路で充電、さ
れ、上記（１）式のように端子電圧Ｅｃ＋□が電源室Ｈ
Ｅに等しく充”市される。

続いて、スイッチング素子Ｓ１がオンになると第３図（
ｄ）の回路でタイオードＤＩ４の電流ＩＩ４によりコン
デンサＣＩ４は ＥＣＩ４”ＥＣｌ３　　・・・・・・・・・・・（４）
となるまで充電され、その後コンデンサＣＩ２は１１工
流ｉ＋２により上記（２）式のように端子電圧Ｅ　ＣＩ
２がＥ　Ｃ１＋に等しくなるまで充電される。

スイッチング素子Ｓ２．　Ｓｌ　　がオンになる毎に第
３図（ｃ）図および（ｄ）に示す動作が繰返され、した
がって上記（２＋、　（１）、　（４）、　（３１式が
繰返され、定常状態では ＥＣ１４＝ＥＣ１３＝ＥＣＩ２＝ＥＣ］ｌ＝Ｅ　・・・
・（５）のように全てのコンデンサが直流電源電圧Ｅに
充電される。（５）式の状態になると第３図（ｃ）、　
（ｄ）いずれの動作回路でも全てのダイオードの両端子
間の電圧が等しく、電流れなくなり、コンデンサは直流
電源電圧以上に充電されることは無い。

負荷電流１１が流れると、その分コンデンザＣ１４、Ｃ
１□が放電し、端子電圧ＥＣ］４１　ＥＣＩ２が減少す
るので、−１＝述の動作で電荷の減少分が直流電源を流
れる電流１１□および１１３によって補われる。

第４図は負側コンデンサの充電過程を示したもので、正
側におけるスイッチング素子Ｓ２をＳｌ。

コンデンサＣ１１・・・、をＣ２＋・・、ダイオードＤ
Ｉ＋・・・をＤ２１・・・、電流１．１・・・を１２□
・・・と読み換ると、正イ［１）１と同一の過程で Ｅｃ２４＝Ｅｃ２３＝Ｅｃ２２＝ＥＣ＋＋＝Ｅ　＋＋＋
・＋　（６）に充電されることがわかる。

このように全てのコンデンサが直流電源電圧Ｅに充電さ
れ、偶数番号のコンデンサは直流電源に直列に接続され
ているので、電源電圧の任意整数倍の電圧を得ることが
できる。

本発明の直流電圧変換回路は、コンデンサの充放電によ
って電圧変換を行なうものであるから、原理的にリアク
トルは必要ないのであるが、コンデンサの充放電電流の
脈動を小さくするために１４滑りアクドルを挿入すると
スイッチング素子の損失および定格を小さくすることが
できる。

第５図は平滑りアクｌ−／しを挿入した実施例で、ダイ
オードおよびコンデンサは正負何科１段のみ描いである
。リアクトルはスイッチング素子Ｓ１に直列に挿入され
た巻線Ｌ１とスイッチング素ｒＳ２に直列に挿入された
巻線Ｌ２より成り、両巻線Ｉ、＋　、　＋２　Ｉｄ、同
一インダクタンスで且つ磁気的に結合されている。スイ
ッチング素子Ｓ＋　、Ｓ２が交互にオンになると電流は
交互に巻線Ｌ　、　、　Ｌ　２を流れる。第３図および
第４図の動作回路で、スイッチング素子Ｓ２および巻線
Ｌ２を流れる電流＋１１＋　　ｌ＋３＋　　１２２＋　
　１２４　の和、スイッチング素子Ｓ１および巻線り、
を流れる電流１１２＋　　１１４＋　　！２＋＋　１２
３の和は、スイッチング素子Ｓ２またはＳｌがオンの期
間はぼ一定となる。前述のように各コンデンサは常に直
流電源電圧に近い電圧であるから、巻線Ｌｌおよび＋２
に加わる電圧は小さく、巻線Ｌｌ＋Ｌ２のインダクタン
スは小さなもので十分な電流平滑効果が得られる特徴が
ある。

なお第５図の実施例において、スイッチング素′ｒ−５
＋　、Ｓ２　としてサイリスクを用いた場合、第６図に
示すように奇数番号コンデンサＣｏ　＋　Ｃ２１の端子
と直流電源Ｅの正および負端子の間に小容ハにのコンデ
ンサＣ６１＋Ｃ（＋２を接続することにより、コンデン
サＣ６］＋　００２＋および巻線り、、＋２によってサ
イリスクの転流回路を構成することができる。動作は、
スイッチング素子Ｓ２がオンの期間にコンデンサＣ６１
は直流電源電圧に充電され、コンデンサＣ８２は放電し
ており、スイッチング素子Ｓ＋が点弧されたとき巻線り
、にコンデンサＣ８１の電圧が加わり、巻線Ｌ２に同じ
大きさの電圧が誘起されるのでスイッチング素子Ｓ２の
陽極に負電圧が加わりスイッチング素子Ｓ２は消弧する
。

コンデンサＣ８］＋Ｃ（１２の容量は小さいので短時間
でコンデンサＣ６１は放電、コンテ゛ンサＣ８２は充電
され、主回路に与える影響は小さい。次にヌイ・ノチン
グ素子Ｓ２を点弧したときは、同様の動作でスイッチン
グ素子Ｓ１が消弧する。このように巻線り、、Ｌ２は電
流平滑の作用と、サイリスクの転流リアクトルの両方の
作用を兼用させることができる。なお、第６図のスイッ
チング素子Ｓｌ、Ｓ２、巻線Ｌｌ＋Ｌ２＋　コンデンサ
Ｃｏｔ　＋　ＣＯ２からなル回ｆｌ＆　１ｄマクマレ−
・ベッドフォードのインバータ回路として知られている
。

第７図は本発明の他の実施例で、第２図の回路にスイッ
チング素子Ｓ　’ｓ　＋　Ｓ　２１　ダイオードＤ１１
・・・、コンデンサＣｈ・・・の回路を追加したもので
、直流電源の正負端子とスイッチング素子の間に平滑り
アクｌ−）Ｌ／の巻線Ｌ／およびＬ／、を挿入したもの
である。スイッチング素子Ｓ１はＳ２と、スイッチング
素子Ｓ′２はＳｌと同時にオン状態とし、ノ、：右対称
に動作させる。

第８図は、第７図のスイッチング素子Ｓ２およびＳ１′
がオン状態における動作回路を示す。ここでは正側の回
路のみ描いである。定常状態では、全てのコンデンサは
ほぼ直流電源電圧Ｅに充電されている。コンデンサＣＩ
４は、電流１１４′で充電されると同時に負荷電流ＩＩ
で放電している。コンデンサＣＩ２は電流ｉ１４’＋ｉ
１□′で充電されると同時に電流ｌｌ−１−Ｉ１３　　
で放電している。コンデンサＣＩ＋は電流ｉ１３＋ｉｌ
Ｉ　で充電される。スイッチング素子Ｓ＋およびＳ≦が
オンの状態の動作回路は、第８図においてスイッチング
素子Ｓ２．コンデンサＣ１□・・・、ダイオードＤ１１
・・・、電流ｉ１１・・・をＳダ＋Ｃ１１′・・・、Ｄ
１′、・・・＋　　ｉｎ・・・にスイッチング素子Ｓ４
＋　コンデンサｃｆ＋・・・、ダイオードＤ＜２・・・
。

電流ｉ１＋・・・をＳ＋、Ｃ＋□・・・＋Ｄ１２・・・
、１１２・・・に置き換えれば全く同じ動作となる。

定常状態では１スイツチサイクルにおける各コンデンサ
の充放電電荷量は等しいので、各電流の平均値ｉは コンデンサＣＩ４に関して　ｉ口′−Ｉｌ・・・・（７
）コンデンサＣＩ３＋　Ｃ１３’に関して　ｉ＋ａ−＝
ｉ＋４’・・・（！））コンデンサＣ１□＋Ｃ１１’に
関して ｉ＋３＋　ｉ＋＋＝　！＋４’＋　ｉｔ□′・・・・・
・・・・（ｌＯ」−記（７）〜（１０式より ｉ＋ａ’＝　１１３＝　ｉ＋２′−ｉ　ｔ＋　＝　１　
＋・・・・・（１１）スイッチング素子ＳｌおよびＳ２
’が７１−ンの期１１１１では １ｎ４＝　ｉ１３’−ｉ＋２＝　ｉ１□′−１１・・・
・＠となる。したがって、巻線Ｌ１および已の電〃Ｌは
２■１、電源電流は３１＋　となる。」二連のよう＆ζ
コンデンザＣｒ＝　、　ＣＩ４は充放電が同時に行なわ
オシ、巻線Ｌ／、および已の電流はほぼ一鎗の値に保た
れるので、実際にコンデンサＣＩ４１　Ｃ１□が充放電
されるのは、巻線Ｌ１およびＬ／、を流れる？ｌｉ、流
の　。

脈動成分のみである。また全てのコンデンーリーの１１
）；圧はほぼ直流電源電圧であるから、巻線Ｌ′ｌおよ
びＬ′２に加わる電圧は小さく、電流脈動は小さし）。

このように第７図の回路は電源電流がほぼ一定（・て流
れ、出力電圧の脈動が非常に小さくなる特徴を持ってい
る。

〈効　果〉 以−１−のように本発明によればコンデンサの充放電に
よって直流電源電圧の正負整数倍の直流電圧を得ること
ができ、電流平滑リアクトルを挿入する場合も小さなイ
ンダクタンスのりアクドルによって電流を平滑すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の交流電源より整数倍電圧の直流を得るた
めの回路図、第２図は本発明の１実施例の回路図、第３
図および第４図は同実施例の動作説明図、第５図および
第６図は本発明の他の実施例の回路図、第７図はさらに
他の実施例の回路図、第８図は第６図に示す実施例の動
作説明図である。 ５１、Ｓ２＋Ｓ’ｌ＋Ｓ２・・・スイッチング素子Ｄ　
ＩＩ　＋　Ｄ　Ｉ２　＋　ＤＩ３　＋　ＤＩ４＋　Ｄ２
□＋Ｄ２□ｌ　Ｄ２３１　Ｄ２４・・・ダイオードＣＩ
Ｉ　＋　ＣＩ２　＋　Ｃ１３＋　ＣＩ４　＋　Ｃ２１＋
　Ｃ２２、＋　Ｃ２３、Ｃ２４°°°コンデンサＬｌ＋
Ｌ２・・・リアクトル巻線 Ｅ・・・・・・・・・・・・直流電源 代理人　弁理士　　福　士　愛　彦（他２名）６２ノ　
　　　　　　　　　　　　　　（ｂゾ０１４ （ｃ）　　　　　　　　　　　　　　　　（ｄ）第３（
ス１ ｎ ６２）　　　　　　　　　　　　　　（ｂ）（ｃ）　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　′
″４〃 第４し１ 争、５図 ブ゛・６図 第７図 ＋３Ｅ 第８図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、直流電源の正負端子間に２個のスイッチング素子を
   直列接続し、直列に接続したダイオード群の一端を同極
   性の上記直流電源端子に接続し、直列に接続した第１の
   コンデンサ群の一端を上記ダイオード群を接続した電源
   端子に、同１１「の他の各コンデンサ端子を上記ダイオ
   ード群の１つ置きのダイオード端子に順次接続し、直列
   に接続された第２のコンデンサ群の一端を」二記２個の
   スイッチング素子間の接続点に、同群の（ＩＪＬの各コ
   ンデンサ端子を第１のコンデンサ群が接続されていない
   −に記ダイオード群の端子に順次接続し、上記２個のス
   イッチング素子を周期的に交互にオン状態とし、第１の
   コンデンサ？を丁の各端子および直流電源端子間に直流
   電源電圧の整数倍の直流電圧を得ることを特徴とする直
   流電圧変換回路。 ２　前記２個のスイッチング素子のそれぞれに直列にリ
   アクトルを挿入し、この２つのりアクドルを磁気的に結
   合させたことを特徴とする特許３　前記のスイッチング
   素子、ダイオード群、第２のコンデンサ群より成る回路
   を２組とし、且つ直流電源および前記第１のコンデンサ
   群を共通とし、直流電源の正端子よシ第１のコンデンサ
   群を除く他の素子の間に第１のりアクＩ−　／Ｌ／を、
   直流電源の負端子よシ第１のコンデンサ群を除く他の素
   子の間に第２のりアク１・ルを挿入し、周期的に前記２
   組のスイッチング素子の一方の正側素子と他の負側素子
   、一方の負側素子と他の正側素子を同時にオン状態とす
   る動作を交互に繰返すことを特徴とする前記特許請求範
   囲１記載の直流電圧変換回路。