KR20160047433A - 변압 장치 - Google Patents

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KR20160047433A
KR20160047433A KR1020157036907A KR20157036907A KR20160047433A KR 20160047433 A KR20160047433 A KR 20160047433A KR 1020157036907 A KR1020157036907 A KR 1020157036907A KR 20157036907 A KR20157036907 A KR 20157036907A KR 20160047433 A KR20160047433 A KR 20160047433A
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line
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lines
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reactance
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KR1020157036907A
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겐이치 히로츠
노부오 시가
히데아키 나카하타
다카시 오히라
교헤이 야마다
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스미토모덴키고교가부시키가이샤
고꾸리쯔 다이가꾸 호우징 도요하시 기쥬쯔 가가꾸 다이가꾸
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Abstract

전원과 저항치 R의 부하 사이에 설치되는 변압 장치로서, 4 이상의 자연수를 n으로 하고, n개의 리액턴스 소자를 서로 접속하여 구성된 이단자쌍 회로를 구비하고, 부하의 임의의 저항치 R에 대하여, 이단자쌍 회로의 입력 임피던스 Zin은, 그 실수 성분이 k를 상수로 하여 kㆍR로 표시되고, 또한, 허수 성분이 0인 변압 장치이다. 이러한 변압 장치는, 소형 경량이며, 종래의 트랜스와 같은 코일이나 철심 등을 필요로 하지 않는다.

Description

변압 장치{TRANSFORMER}
본 발명은 변압 장치에 관한 것이다.
상용 교류의 송배전 계통에는 변압기가 이용된다. 최근 수요자에서는, 예컨대 6600 V(50 Hz 또는 60 Hz)를 200 V로 변압하는 주상 트랜스가 이용된다(비특허문헌 1 참조). 이러한 주상 트랜스는, 도선이 되는 굵은 코일이 철심에 권취되어 있고, 상응하는 중량이 있다. 또한, 절연유나 케이스를 더 포함하면, 예컨대 직경 40 cm, 높이 80 cm의 타입에서는 200 kg 정도의 중량이 있다.
한편, 차세대 전력 시스템인 스마트 그리드의 실현을 위해, SST(Solid-State Transformer)의 연구가 이루어지고 있다. SST에는 고주파 트랜스가 이용된다(예컨대 비특허문헌 2 참조).
비특허문헌 1 : 중부전력 홈페이지, 「주상 변압기」, [online], [평성 25년 7월 19일 검색], 인터넷<URL:http://www.chuden.co.jp/e-museum/guide/3floor/exhibit_c23.html> 비특허문헌 2 : Falcones, S.: et al., Power and Energy Society General Meeting, 2010 IEEE, pp. 1-8, Minneapolis, July 2010
종래의 주상 트랜스는 무겁고, 따라서 취급이 용이하지 않다. 또한, 그 외형 치수를 수용하기에 충분한 큰 장착 스페이스가 주상에 필요하다.
한편, 고주파 트랜스는, 기생 용량의 영향을 회피할 수 없어 설계상의 어려움이 있다.
이러한 종래의 문제점을 감안하여, 본 발명은, 소형 경량이며, 종래의 트랜스와 같은 자기 결합이나 전자 유도, 상호 인덕턴스용의 코일이나 철심 등을 필요로 하지 않는 획기적인 차세대 변압 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은, 전원과 저항치 R의 부하 사이에 설치되는 변압 장치로서, 4 이상의 자연수를 n으로 하고, n개의 리액턴스 소자를 서로 접속하여 구성된 이단자쌍 회로를 구비하고, 상기 부하의 임의의 저항치 R에 대하여, 상기 이단자쌍 회로의 입력 임피던스 Zin은, 그 실수 성분이 k를 상수로 하여 kㆍR로 표시되고, 또한, 허수 성분이 0인 변압 장치이다.
또한, 리액턴스 소자란, 유도성 리액턴스를 갖는 인덕터 또는 용량성 리액턴스를 갖는 커패시터이다.
본 발명의 변압 장치를 전력용의 변압기로서 이용함으로써, 코일이나 철심 등을 포함하는 종래의 트랜스는 불필요해진다. 따라서, 변압기의 비약적인 소형 경량화 및 그에 따른 저비용화를 실현할 수 있다.
도 1은 이단자쌍 회로(사단자 회로)에 의한 변압 장치의 개념을 나타낸 도면이다.
도 2는 회로를 구성하는 요소수의 생각을 나타낸 도면이다.
도 3은 최소의 요소수 4로 구성할 수 있는 회로 구성 중의 4 패턴을 나타낸 도면이다.
도 4는 4A형의 회로 구성을 나타낸 도면이다.
도 5는 4A형의 회로 구성의 실례 6 패턴을 나타낸 도면이다.
도 6은 4B형의 회로 구성을 나타낸 도면이다.
도 7은 4B형의 회로 구성의 실례 6 패턴을 나타낸 도면이다.
도 8은 4C형의 회로 구성을 나타낸 도면이다.
도 9는 4C형의 회로 구성의 실례 6 패턴을 나타낸 도면이다.
도 10은 4D형의 회로 구성을 나타낸 도면이다.
도 11은 4D형의 회로 구성의 실례 2 패턴을 나타낸 도면이다.
도 12의 (a)는, n=5의 제1예의 회로 구성을 나타낸 도면이다. (b)는, T형 회로를 나타낸다.
도 13의 (a)는, n=5의 제2예의 회로 구성을 나타낸 도면이다. (b)는, π형 회로를 나타낸다.
도 14의 (a)는, n=6의 제1예의 회로 구성을 나타낸 도면이다. (b)는, n=6의 제2예의 회로 구성을 나타낸 도면이다.
도 15는 다른 구성에 의한 변압 장치를 나타내는 회로도이다.
도 16의 (a)는, 도 15에서의 4개의 스위치 중, 상측에 있는 2개의 스위치가 온이고, 하측에 있는 2개의 스위치가 오프일 때의 실체 접속의 상태를 나타내는 회로도이다. (b)는, (a)와 동일한 회로도를 계단형으로 바꾼 회로도이다.
도 17의 (a)는, 도 15에서의 4개의 스위치 중, 하측에 있는 2개의 스위치가 온이고, 상측에 있는 2개의 스위치가 오프일 때의 실체 접속의 상태를 나타내는 회로도이다. 또한, (b)는, (a)와 동일한 회로도를 계단형으로 바꾼 회로도이다.
도 18은 도 15의 변압 장치에 대한 입력 전압 및 입력 전류를 각각 나타내는 파형도이다.
도 19는 도 15의 변압 장치에 있어서의 변압의 중간 단계에서의 전압 및 전류를 각각 나타내는 파형도이다.
도 20은 도 15의 변압 장치로부터의 출력 전압 및 출력 전류를 각각 나타내는 파형도이다.
도 21은 도 15에 나타낸 변압 장치와 4A형의 회로 구성을 갖는 변압 장치를 조합한 회로도이다.
도 22는 도 15에 나타낸 변압 장치와 4B형의 회로 구성을 갖는 변압 장치를 조합한 회로도이다.
도 23은 도 15에 나타낸 변압 장치와 4C형의 회로 구성을 갖는 변압 장치를 조합한 회로도이다.
도 24는 도 15에 나타낸 변압 장치와 4D형의 회로 구성을 갖는 변압 장치를 조합한 회로도이다.
[실시형태의 요지]
본 발명의 실시형태의 요지로는, 적어도 이하의 것이 포함된다.
(1) 이것은, 전원과 저항치 R의 부하 사이에 설치되는 변압 장치로서, 4 이상의 자연수를 n으로 하고, n개의 리액턴스 소자를 서로 접속하여 구성된 이단자쌍 회로를 구비하고, 상기 부하의 임의의 저항치 R에 대하여, 상기 이단자쌍 회로의 입력 임피던스 Zin은, 그 실수 성분이 k를 상수로 하여 kㆍR로 표시되고, 또한, 허수 성분이 0인 변압 장치이다.
상기와 같은 변압 장치에서는, 부하의 저항치 R에 상관없이, 입력 전압에 비례한 출력 전압을 얻을 수 있다. 즉, 일정한 변압비(1/k)1 /2로 입력 전압을 출력 전압으로 변환하는 변압 장치를 얻을 수 있다. 이러한 변압 장치를 변압기로서 이용함으로써, 종래의 상용 주파 트랜스나 고주파 트랜스는 불필요해진다. 따라서, 변압기의 비약적인 소형 경량화 및 그에 따른 저비용화를 실현할 수 있다. 또한, 고주파 트랜스에서 과제가 되는 기생 용량, 누설 자계 발생의 문제도 해소되어, 저손실의 변압기를 실현할 수 있다.
(2) 또한, (1)의 변압 장치에 있어서, 4개의 리액턴스 소자의 리액턴스를 각각 X1, X2, X3, X4로 하면, 입력측에서 볼 때 순서대로, 상기 이단자쌍 회로의 1선 상에 있는 X1, 2선들 사이에 있는 X2, 상기 1선 상에 있는 X3, 2선들 사이에 있는 X4에 의해 상기 이단자쌍 회로가 구성되고, 이하의 조건이 만족되는 것이 바람직하다.
(1/X1)+(1/X2)+(1/X3)=0∧X2+X3+X4=0
이 경우, 입력 임피던스 Zin은 Zin=(X2 2/X4 2)ㆍR이 되어, 부하의 저항치 R에 비례하고, 입력 전압에 비례한 출력 전압을 얻을 수 있다.
또한, 기호 「∧」는 논리곱을 나타내고 있다(이하 동일).
(3) 또한, (1)의 변압 장치에 있어서, 4개의 리액턴스 소자의 리액턴스를 각각 X1, X2, X3, X4로 하면, 입력측에서 볼 때 순서대로, 상기 이단자쌍 회로의 2선들 사이에 있는 X1, 1선 상에 있는 X2, 2선들 사이에 있는 X3, 상기 1선 상에 있는 X4에 의해 상기 이단자쌍 회로가 구성되고, 이하의 조건이 만족되는 것이 바람직하다.
X1+X2+X3=0∧(1/X2)+(1/X3)+(1/X4)=0
이 경우, 입력 임피던스 Zin은 Zin=(X1 2/X3 2)ㆍR이 되어, 부하의 저항치 R에 비례하고, 입력 전압에 비례한 출력 전압을 얻을 수 있다.
(4) 또한, (1)의 변압 장치에 있어서, 4개의 리액턴스 소자의 리액턴스를 각각 X1, X2, X3, X4로 하면, 입력측에서 볼 때 순서대로, 상기 이단자쌍 회로의 1선 상에 있는 X1, 2선들 사이에 있는 X2, 상기 1선 상에 있는 X3에 의해 구성되는 T형 회로와, X1 및 X3의 직렬체에 대하여 병렬인 X4에 의해 상기 이단자쌍 회로가 구성되고, 이하의 조건이 만족되는 것이 바람직하다.
X1+X3+X4=0∧(1/X1)+(1/X2)+(1/X3)=0
이 경우, 입력 임피던스 Zin은 Zin=(X1 2/X3 2)ㆍR이 되어, 부하의 저항치 R에 비례하고, 입력 전압에 비례한 출력 전압을 얻을 수 있다.
(5) 또한, (1)의 변압 장치에 있어서, 4개의 리액턴스 소자의 리액턴스를 각각 X1, X2, X3, X4로 하면, 입력측에서 볼 때 순서대로, 상기 이단자쌍 회로의 2선들 사이에 있는 X1, X2의 제1 직렬체 및 2선들 사이에 있는 X3, X4의 제2 직렬체를 포함하고, 상기 제1 직렬체의 상호 접속점 및 상기 제2 직렬체의 상호 접속점이 출력 단자가 되는 상기 이단자쌍 회로가 구성되고, 이하의 조건이 만족되는 것이 바람직하다.
X1+X2+X3+X4=0∧(1/X1)+(1/X2)+(1/X3)+(1/X4)=0
이 경우, 입력 임피던스 Zin은 Zin={(X1+X2)2/(X1-X2)2}ㆍR이 되어, 부하의 저항치 R에 비례하고, 입력 전압에 비례한 출력 전압을 얻을 수 있다.
(6) 또한, (1)의 변압 장치에 있어서, 5개의 리액턴스 소자의 리액턴스를 각각 XA, XB, XC, XD, XE로 하면, 입력측에서 볼 때 순서대로, 상기 이단자쌍 회로의 1선 상에 있는 XA, 2선들 사이에 있는 XB, 상기 1선 상에 있는 XC, 2선들 사이에 있는 XD, 상기 1선 상에 있는 XE에 의해 상기 이단자쌍 회로가 구성되고,
XA=-XB∧XE=-XD∧XC=XA+XE
의 관계에 있는 것이 바람직하다.
이 경우, 입력 임피던스 Zin은 Zin=(XA 2/XE 2)ㆍR이 되어, 부하의 저항치 R에 비례하고, 입력 전압에 비례한 출력 전압을 얻을 수 있다.
(7) 또한, (1)의 변압 장치에 있어서, 5개의 리액턴스 소자의 리액턴스를 각각 XA, XB, XC, XD, XE로 하면, 입력측에서 볼 때 순서대로, 상기 이단자쌍 회로의 2선들 사이에 있는 XA, 1선 상에 있는 XB, 2선들 사이에 있는 XC, 상기 1선 상에 있는 XD, 2선들 사이에 있는 XE에 의해 상기 이단자쌍 회로가 구성되고,
XA=-XB∧XE=-XD∧XC=XAㆍXE/(XA+XE)
의 관계에 있는 것이 바람직하다.
이 경우, 입력 임피던스 Zin은 Zin=(XA 2/XE 2)ㆍR이 되어, 부하의 저항치 R에 비례하고, 입력 전압에 비례한 출력 전압을 얻을 수 있다.
(8) 또한, (1)의 변압 장치에 있어서, 6개의 리액턴스 소자의 리액턴스를 각각 XA, XB, XC, XD, XE, XF로 하면, 입력측에서 볼 때 순서대로, 상기 이단자쌍 회로의 1선 상에 있는 XA, 2선들 사이에 있는 XB, 상기 1선 상에 있는 XC, 2선들 사이에 있는 XD, 상기 1선 상에 있는 XE, 2선들 사이에 있는 XF에 의해 상기 이단자쌍 회로가 구성되고,
XA=XC=-XB∧XD=XF=-XE
의 관계에 있는 것이 바람직하다.
이 경우, 입력 임피던스 Zin은 Zin=(XA 2/XF 2)ㆍR이 되어, 마이너스 부하의 저항치 R에 비례하고, 입력 전압에 비례한 출력 전압을 얻을 수 있다.
(9) 또한, (1)의 변압 장치에 있어서, 6개의 리액턴스 소자의 리액턴스를 각각 XA, XB, XC, XD, XE, XF로 하면, 입력측에서 볼 때 순서대로, 상기 이단자쌍 회로의 2선들 사이에 있는 XA, 1선 상에 있는 XB, 2선들 사이에 있는 XC, 상기 1선 상에 있는 XD, 2선들 사이에 있는 XE, 상기 1선 상에 있는 XF에 의해 상기 이단자쌍 회로가 구성되고,
XA=XC=-XB∧XD=XF=-XE
의 관계에 있는 것이 바람직하다.
이 경우, 입력 임피던스 Zin은, Zin=(XA 2/XF 2)ㆍR이 되어, 부하의 저항치 R에 비례하고, 입력 전압에 비례한 출력 전압을 얻을 수 있다.
(10) 또한, 변압 장치는, 스위칭을 행하는 회로와, 그 회로 내에 삽입된 (1)∼(9) 중의 어느 변압 장치를 포함하는 것이어도 좋다.
이 경우, 스위칭을 행하고 있는 환경을 이용하여 집중 상수 회로의 변압 장치를 활용할 수 있다.
(11) 또한, (1)∼(9) 중의 어느 변압 장치에 있어서, 상기 리액턴스 소자로서, 케이블의 커패시턴스 및 케이블의 인덕턴스를 이용하는 것도 가능하다.
이 경우, 케이블은 내압 성능을 용이하게 확보할 수 있고, 또한 저비용이다.
(12) 또한, (10)의 변압 장치에 있어서, 상기 스위칭의 주파수는 적어도 1 MHz인 것이 바람직하다.
이 경우, 고주파로 스위칭을 행하고 있는 환경을 이용하여 집중 상수 회로의 변압 장치를 활용할 수 있다.
[실시형태의 상세]
<집중 상수 회로에 의한 변압 장치>
다음으로, 본 발명의 실시형태에 따른 집중 상수 회로를 이용한 변압 장치의 상세에 관해 설명한다.
《개론》
도 1은, 이단자쌍 회로(사단자 회로)에 의한 변압 장치(200)의 개념을 나타낸 도면이다. 변압 장치로서 기능하기 위해서는, 입력 임피던스 Zin과 부하 R(저항치 R) 사이에,
Zin=kㆍR (k는 상수)
의 관계가 성립할 필요가 있다. 이에 따라, 부하 변동에 대하여 입력 임피던스 Zin이 선형으로 변화하고, 변압비는 일정하다. 또한, 입력 임피던스 Zin은 리액턴스 성분을 갖지 않는다. 즉, 입력 임피던스 Zin은, 실수 성분이 kㆍR이고, 허수 성분이 0인 것이 필요하다. 이러한 입력 임피던스 Zin이 되는 변압 장치(200)를 LILT(Load-Invariant Linear Transformer)로 칭한다.
상기와 같은 변압 장치(200)에서는, 부하의 저항치 R에 상관없이, 입력 전압에 비례한 출력 전압을 얻을 수 있다. 즉, 일정한 변압비(1/k)1 /2로 입력 전압을 출력 전압으로 변환하는 변압 장치(200)를 얻을 수 있다. 이러한 변압 장치(200)를 변압기로서 이용함으로써, 종래의 상용 주파 트랜스나 고주파 트랜스는 불필요해진다. 따라서, 변압기의 비약적인 소형 경량화 및 그에 따른 저비용화를 실현할 수 있다. 또한, 고주파 트랜스에서 과제가 되는 기생 용량, 누설 자계 발생의 문제도 해소되어, 저손실의 변압기를 실현할 수 있다.
LILT가 되는 회로 구성은 무수하게 생각할 수 있지만, 리액턴스 소자의 요소수 n은 적은 편이 좋다. 본 발명자들은, n의 값을 1부터 순서대로 1, 2, 3, 4,ㆍㆍㆍ로 전체 탐색한 결과, 최소의 요소수 n은 4라는 지견을 얻었다.
도 2는, 회로를 구성하는 요소수 n의 생각의 일례를 나타낸 도면이다. 도면에 있어서, 좌측 도면에는 외관상 3개의 요소 X1, X2, X3이 존재한다. 그러나, 토폴로지적으로 등가인 X1, X2는 하나로 카운트하고, 전기 회로로서 의미를 갖지 않는 X3은 카운트하지 않는다. 따라서, 좌측의 회로 구성은 우측의 회로 구성과 동일하고, 요소수 n은 1이다.
도 3은, 최소의 요소수 4로 구성할 수 있는 회로 구성 중의 4 패턴을 나타낸 도면이며, (a), (b), (c), (d)의 순으로 각각 「4A형」, 「4B형」, 「4C형」, 「4D형」으로 부르기로 한다.
《제1 실시형태 : 4A형》
도 4는, 4A형의 회로 구성을 나타낸 도면이다. 문언으로 표현하면, 예컨대 4개의 리액턴스 소자의 리액턴스를 각각 X1, X2, X3, X4로 하면, 입력측에서 볼 때 순서대로, 이단자쌍 회로의 1선 상에 있는 X1, 2선들 사이에 있는 X2, 상기 1선 상에 있는 X3, 2선들 사이에 있는 X4에 의해 이단자쌍 회로가 구성되어 있다. 이 경우의 입력 임피던스 Zin은 이하의 식의 상단부로 표시된다. 또한, 병렬 공진 및 직렬 공진에 의해 허수 성분을 0으로 하는 조건을 설정하면, 입력 임피던스 Zin은 하단부로 표시된다.
또한, 이하의 각 식 중의 「j」는 허수 (-1)1 /2를 나타낸다.
Figure pct00001
즉, 파라미터 조건이,
(1/X1)+(1/X2)+(1/X3)=0∧X2+X3+X4=0
일 때, 바꿔 말하면, (1/X1)+(1/X2)+(1/X3)=0이고 X2+X3+X4=0일 때 Zin=(X2 2/X4 2)ㆍR이 되어, 입력 전압에 비례한 출력 전압을 얻을 수 있다. 또한, 이 기능 발휘를 위해서는, 입력 전압은 교류인 것이 필요하다.
도 5는, 4A형의 회로 구성의 실례 6 패턴을 나타낸 도면이다.
《제2 실시형태 : 4B형》
도 6은, 4B형의 회로 구성을 나타낸 도면이다. 문언으로 표현하면, 예컨대 4개의 리액턴스 소자의 리액턴스를 각각 X1, X2, X3, X4로 하면, 입력측에서 볼 때 순서대로, 이단자쌍 회로의 2선들 사이에 있는 X1, 1선 상에 있는 X2, 2선들 사이에 있는 X3, 상기 1선 상에 있는 X4에 의해 이단자쌍 회로가 구성되어 있다. 이 경우의 입력 임피던스 Zin은 이하의 식의 상단부로 표시된다. 또한, 병렬 공진 및 직렬 공진에 의해 허수 성분을 0으로 하는 조건을 설정하면, 입력 임피던스 Zin은 하단부로 표시된다.
Figure pct00002
즉, 파라미터 조건이,
X1+X2+X3=0∧(1/X2)+(1/X3)+(1/X4)=0일 때 Zin=(X1 2/X3 2)ㆍR이 되어, 입력 전압에 비례한 출력 전압을 얻을 수 있다. 또한, 이 기능 발휘를 위해서는, 입력 전압은 교류인 것이 필요하다.
도 7은, 4B형의 회로 구성의 실례 6 패턴을 나타낸 도면이다.
《제3 실시형태 : 4C형》
도 8은, 4C형의 회로 구성을 나타낸 도면이다. 문언으로 표현하면, 예컨대 4개의 리액턴스 소자의 리액턴스를 각각 X1, X2, X3, X4로 하면, 입력측에서 볼 때 순서대로, 이단자쌍 회로의 1선 상에 있는 X1, 2선들 사이에 있는 X2, 상기 1선 상에 있는 X3에 의해 구성되는 T형 회로와, X1 및 X3의 직렬체에 대하여 병렬인 X4에 의해 이단자쌍 회로가 구성되어 있다. 이 경우의 입력 임피던스 Zin은, 이하의 식의 상단부로 표시된다. 또한, 병렬 공진 및 직렬 공진에 의해 허수 성분을 0으로 하는 조건을 설정하면, 입력 임피던스 Zin은 하단부로 표시된다.
Figure pct00003
즉, 파라미터 조건이,
X1+X3+X4=0∧(1/X1)+(1/X2)+(1/X3)=0일 때 Zin=(X1 2/X3 2)ㆍR이 되어, 입력 전압에 비례한 출력 전압을 얻을 수 있다. 또한, 이 기능 발휘를 위해서는, 입력 전압은 교류인 것이 필요하다.
도 9는, 4C형의 회로 구성의 실례 6 패턴을 나타낸 도면이다.
《제4 실시형태 : 4D형》
도 10은, 4D형의 회로 구성을 나타낸 도면이다. 문언으로 표현하면, 예컨대 4개의 리액턴스 소자의 리액턴스를 각각 X1, X2, X3, X4로 하면, 입력측에서 볼 때 순서대로, 이단자쌍 회로의 2선들 사이에 있는 X1, X2의 제1 직렬체 및 2선들 사이에 있는 X3, X4의 제2 직렬체를 포함하고, 제1 직렬체의 상호 접속점 및 제2 직렬체의 상호 접속점이 출력 단자가 되는 이단자쌍 회로가 구성되어 있다. 이 경우의 입력 임피던스 Zin은 이하의 식의 상단부로 표시된다. 또한, 병렬 공진 및 직렬 공진에 의해 허수 성분을 0으로 하는 조건을 설정하면, 입력 임피던스 Zin은 하단부로 표시된다.
Figure pct00004
즉, 파라미터 조건이,
X1+X2+X3+X4=0∧(1/X1)+(1/X2)+(1/X3)+(1/X4)=0일 때 Zin={(X1+X2)2/(X1-X2)2}ㆍR이 되어, 입력 전압에 비례한 출력 전압을 얻을 수 있다. 또한, 이 기능 발휘를 위해서는, 입력 전압은 교류인 것이 필요하다.
도 11은, 4D형의 회로 구성의 실례 2 패턴을 나타낸 도면이다.
《제5 실시형태 : n=5(T형의 응용)》
다음으로, 요소수 n=5의 회로 구성에 관해 생각한다. n=4보다 요소수는 하나 증가하지만, 실용성은 있다.
도 12의 (a)는, n=5의 제1예의 회로 구성을 나타낸 도면이다. 문언으로 표현하면, 5개의 리액턴스 소자의 리액턴스를 각각 XA, XB, XC, XD, XE로 하면, 입력측에서 볼 때 순서대로, 이단자쌍 회로의 1선 상에 있는 XA, 2선들 사이에 있는 XB, 상기 1선 상에 있는 XC, 2선들 사이에 있는 XD, 상기 1선 상에 있는 XE에 의해 이단자쌍 회로가 구성되어 있다.
한편, 도 12의 (b)는 T형 회로를 나타낸다. 이 T형 회로에 있어서 입력 임피던스 Zin은 이하의 식의 상단부로 표시되고, 허수 성분을 0으로 하기 위해서는 하단부의 파라미터 조건이 필요하다.
Figure pct00005
T형 회로에서는 R이 분모가 되므로, LILT는 되지 않는다. 그러나, T형 회로를 2단으로 구성하면, Zin=kㆍR이 되어, 입력 전압에 비례한 출력 전압을 얻을 수 있다. 따라서, 도 12의 (a)의 회로에서의 5개의 리액턴스 소자의 리액턴스를 각각 XA, XB, XC, XD, XE로 하면, 입력측에서 볼 때 순서대로, 이단자쌍 회로의 1선 상에 있는 XA, 2선들 사이에 있는 XB, 상기 1선 상에 있는 XC, 2선들 사이에 있는 XD, 상기 1선 상에 있는 XE에 의해 상기 이단자쌍 회로가 구성되어 있는 것으로 하여,
XA=-XB∧XE=-XD∧XC=XA+XE
의 관계로 한다. 이 경우, 입력 임피던스 Zin은, Zin=(XA 2/XE 2)ㆍR이 되어, 부하의 저항치 R에 비례하고, 입력 전압에 비례한 출력 전압을 얻을 수 있다. 또한, 이 기능 발휘를 위해서는, 입력 전압은 교류인 것이 필요하다.
《제6 실시형태 : n=5(π형의 응용)》
도 13의 (a)는, n=5의 제2예의 회로 구성을 나타낸 도면이다. 문언으로 표현하면, 5개의 리액턴스 소자의 리액턴스를 각각 XA, XB, XC, XD, XE로 하면, 입력측에서 볼 때 순서대로, 이단자쌍 회로의 2선들 사이에 있는 XA, 1선 상에 있는 XB, 2선들 사이에 있는 XC, 상기 1선 상에 있는 XD, 2선들 사이에 있는 XE에 의해 이단자쌍 회로가 구성되어 있다.
한편, 도 13의 (b)는 π형 회로를 나타낸다. 이 π형 회로에 있어서 입력 임피던스 Zin은 이하의 식의 상단부로 표시되고, 허수 성분을 0으로 하기 위해서는 하단부의 파라미터 조건이 필요하다.
Figure pct00006
π형 회로에서는 R이 분모가 되므로, LILT는 되지 않는다. 그러나, π형 회로를 2단으로 구성하면, Zin=kㆍR이 되어, 입력 전압에 비례한 출력 전압을 얻을 수 있다. 따라서, 도 13의 (a)의 회로에서의 5개의 리액턴스 소자의 리액턴스를 각각 XA, XB, XC, XD, XE로 하면, 입력측에서 볼 때 순서대로, 이단자쌍 회로의 2선들 사이에 있는 XA, 1선 상에 있는 XB, 2선들 사이에 있는 XC, 상기 1선 상에 있는 XD, 2선들 사이에 있는 XE에 의해 상기 이단자쌍 회로가 구성되어 있는 것으로 하여,
XA=-XB∧XE=-XD∧XC=XAㆍXE/(XA+XE)
의 관계로 한다.
이 경우, 입력 임피던스 Zin은 Zin=(XA 2/XE 2)ㆍR이 되어, 부하의 저항치 R에 비례하고, 입력 전압에 비례한 출력 전압을 얻을 수 있다. 또한, 이 기능 발휘를 위해서는, 입력 전압은 교류인 것이 필요하다.
《제7 실시형태 : n=6(전Tㆍ후π)》
다음으로, 요소수 n=6의 회로 구성에 관해 생각한다. n=4보다 요소수는 2개 증가하지만, 실용성은 있다.
도 14의 (a)는, n=6의 제1예의 회로 구성을 나타낸 도면이다. 문언으로 표현하면, 6개의 리액턴스 소자의 리액턴스를 각각 XA, XB, XC, XD, XE, XF로 하면, 입력측에서 볼 때 순서대로, 이단자쌍 회로의 1선 상에 있는 XA, 2선들 사이에 있는 XB, 상기 1선 상에 있는 XC, 2선들 사이에 있는 XD, 상기 1선 상에 있는 XE, 2선들 사이에 있는 XF에 의해 이단자쌍 회로가 구성되어 있다.
전술한 바와 같이, T형 회로 및 π형 회로에서는 모두 R이 분모가 되므로, LILT는 되지 않는다. 그러나, T형 회로+π형 회로로 회로를 구성하면, Zin=kㆍR이 되어, 입력 전압에 비례한 출력 전압을 얻을 수 있다. 따라서, 도 14의 (a)의 회로에서의 6개의 리액턴스 소자의 리액턴스를 각각 XA, XB, XC, XD, XE, XF로 하면, 입력측에서 볼 때 순서대로, 이단자쌍 회로의 1선 상에 있는 XA, 2선들 사이에 있는 XB, 상기 1선 상에 있는 XC, 2선들 사이에 있는 XD, 상기 1선 상에 있는 XE, 2선들 사이에 있는 XF에 의해 상기 이단자쌍 회로가 구성되어 있는 것으로 하여,
XA=XC=-XB∧XD=XF=-XE
의 관계로 한다.
이 경우, 입력 임피던스 Zin은 Zin=(XA 2/XF 2)ㆍR이 되어, 마이너스 부하의 저항치 R에 비례하고, 입력 전압에 비례한 출력 전압을 얻을 수 있다. 또한, 이 기능 발휘를 위해서는, 입력 전압은 교류인 것이 필요하다.
《제8 실시형태 : n=6(전πㆍ후T)》
도 14의 (b)는, n=6의 제2예의 회로 구성을 나타낸 도면이다. 문언으로 표현하면, 6개의 리액턴스 소자의 리액턴스를 각각 XA, XB, XC, XD, XE, XF로 하면, 입력측에서 볼 때 순서대로, 이단자쌍 회로의 2선들 사이에 있는 XA, 1선 상에 있는 XB, 2선들 사이에 있는 XC, 상기 1선 상에 있는 XD, 2선들 사이에 있는 XE, 상기 1선 상에 있는 XF에 의해 이단자쌍 회로가 구성되어 있다.
전술한 바와 같이, π형 회로 및 T형 회로에서는 모두 R이 분모가 되므로, LILT는 되지 않는다. 그러나, π형 회로+T형 회로로 회로를 구성하면, Zin=kㆍR이 되어, 입력 전압에 비례한 출력 전압을 얻을 수 있다. 따라서, 도 14의 (b)의 회로에서의 6개의 리액턴스 소자의 리액턴스를 각각 XA, XB, XC, XD, XE, XF로 하면, 입력측에서 볼 때 순서대로, 이단자쌍 회로의 2선들 사이에 있는 XA, 1선 상에 있는 XB, 2선들 사이에 있는 XC, 상기 1선 상에 있는 XD, 2선들 사이에 있는 XE, 상기 1선 상에 있는 XF에 의해 상기 이단자쌍 회로가 구성되어 있는 것으로 하여,
XA=XC=-XB∧XD=XF=-XE
의 관계로 한다.
이 경우, 입력 임피던스 Zin은 Zin=(XA 2/XF 2)ㆍR이 되어, 부하의 저항치 R에 비례하고, 입력 전압에 비례한 출력 전압을 얻을 수 있다. 또한, 이 기능 발휘를 위해서는, 입력 전압은 교류인 것이 필요하다.
전술한 집중 상수 회로에 의한 변압 장치(200)는, 다른 구성에 의한 변압 장치와 조합하여 사용하는 것도 가능하다. 예컨대, 다른 구성에 의한 변압 장치로는 이하의 것이 있다.
<리액턴스 소자를 이용한 스위칭에 의한 변압 장치>
도 15는, 이러한 변압 장치(1)의 일례를 나타내는 회로도이다. 도면에 있어서, 변압 장치(1)는, 교류 전원(2)과 부하(R) 사이에 설치되어 있다. 변압 장치(1)는, 한쌍의 커패시터(C1, C2)와, 한쌍의 인덕터(L1, L2)와, 4개의 스위치(Sr1, Sr2, Sb1, Sb2)와, 이들 스위치(Sr1, Sr2, Sb1, Sb2)의 온/오프를 제어하는 스위칭 제어부(3)를 구비하고 있다. 스위칭 제어부(3)의 스위칭 주파수는, 예컨대 1 MHz 정도이다. 또한, 스위칭 주파수는 1 MHz 이상이 바람직하지만, 1 MHz 미만이어도 가능하다.
스위치(Sr1, Sr2, Sb1, Sb2) 및 스위칭 제어부(3)에 의해, 변압 장치(1)의 회로 접속의 상태를 전환하는 스위치 장치(4)가 구성되어 있다. 스위치(Sr1, Sr2)는 서로 동기하여 동작하고, 또한 스위치(Sb1, Sb2)는 서로 동기하여 동작한다. 그리고, 스위치(Sr1, Sr2)의 페어와 스위치(Sb1, Sb2)의 페어는, 배타적으로 교대로 온이 되도록 동작한다. 스위치(Sr1, Sr2, Sb1, Sb2)는, 예컨대 SiC 소자 또는 GaN 소자로 이루어진 반도체 스위칭 소자이다. SiC 소자 또는 GaN 소자는, 예컨대 Si 소자에 비해 보다 고속의 스위칭이 가능하다. 또한, 소자를 다단으로 접속하지 않더라도 충분한 내압(예컨대 6 kV/1개도 가능)을 얻을 수 있다.
도 15에 있어서, 한쌍의 커패시터(C1, C2)는, 접속점 P1에 있어서 서로 직렬로 접속되어 있다. 그리고, 그 직렬체의 양끝에 교류 전원(2)이 접속되어 있다. 한쌍의 커패시터(C1, C2)의 직렬체에는 입력 전압 Vin이 인가되어 입력 전류 Iin가 흐른다.
또한, 한쌍의 인덕터(L1, L2)는, 접속점 P2에 있어서 서로 직렬로 접속되어 있다. 그리고, 그 직렬체의 양끝에 커패시터(C1, C2)를 통한 입력 전압 Vm이 인가되어 입력 전류 Im가 흐른다. 부하(R)에는, 스위치(Sr2, Sb2) 중 어느 하나가 온일 때 전류가 흐른다. 여기서, 부하(R)에 인가되는 전압을 Vout, 변압 장치(1)로부터 부하(R)로 흐르는 출력 전류를 Iout로 한다.
도 16의 (a)는, 도 15에서의 4개의 스위치(Sr1, Sr2, Sb1, Sb2) 중, 상측에 있는 2개의 스위치(Sr1, Sr2)가 온이고, 하측에 있는 2개의 스위치(Sb1, Sb2)가 오프일 때의 실체 접속의 상태를 나타내는 회로도이다. 또한, 도 15에서의 스위치 장치(4)의 도시는 생략하고 있다. 또한, 도 16의 (b)는, (a)와 동일한 회로도를 계단형으로 바꾼 회로도이다.
한편, 도 17의 (a)는, 도 15에서의 4개의 스위치(Sr1, Sr2, Sb1, Sb2) 중, 하측에 있는 2개의 스위치(Sb1, Sb2)가 온이고, 상측에 있는 2개의 스위치(Sr1, Sr2)가 오프일 때의 실체 접속의 상태를 나타내는 회로도이다. 또한, 도 17의 (b)는, (a)와 동일한 회로도를 계단형으로 바꾼 회로도이다.
도 16, 도 17의 상태를 교대로 반복함으로써, 커패시터(C1, C2)의 직렬체의 접속점 P1을 통해 취출되는 전압은, 또한 인덕터(L1, L2)의 직렬체의 접속점 P2를 통해 취출되는 전압이 된다. 즉, 커패시터측을 전단으로 하고, 인덕터측을 후단으로 하는 변압이 행해진다. 여기서, 입력 전압은 약 1/4이 되어 출력되는 것은 아닌가라고 추정된다. 그리고, 이것은 발명자들의 실험에 의해 확인되어 있다.
도 18은, 상측이 변압 장치(1)에 대한 입력 전압, 하측이 입력 전류를 각각 나타내는 파형도이다.
도 19는, 변압의 중간 단계에서의 전압 Vm, 전류 Im을 각각 나타내는 파형도이다. 이것은 실제로는, 스위칭에 의한 펄스열(列)에 의해 구성되며, 전체적으로 도시한 바와 같은 파형이 된다.
또한, 도 20은, 상측이 변압 장치(1)로부터의 출력 전압, 하측이 출력 전류를 각각 나타내는 파형도이다. 도 18, 도 20의 대비에 의해 분명한 바와 같이, 전압은 1/4로 변압되고, 그에 따라 전류는 4배가 된다.
<조합의 예시>
도 21은, 도 15에 나타낸 변압 장치(1)와 상기 4A형의 회로 구성을 갖는 변압 장치(200)를 조합한 회로도이다. 도면에 있어서, 도 15에 나타낸 변압 장치(1)에서의 커패시터단과 인덕터단 사이에, 변압 장치(200)가 삽입되어 있다. 이와 같이 하여, 2종류의 변압 장치(1, 200)의 변압 기능을 조합함으로써, 변압비의 광범위한 설계가 가능해진다.
또한, 이 경우, 예컨대 1 MHz의 고주파로 스위칭을 행하고 있는 환경을 이용하여 집중 상수 회로의 변압 장치(200)를 활용할 수 있다. 또한, 교류 전원(2)이 가령 직류 전원으로 치환되었다 하더라도, 변압 장치(200)에는, 변압 장치(1)의 전단의 스위칭에 의한 스위칭 파형이 입력되기 때문에 사용 가능하다(이하 동일).
도 22는, 도 15에 나타낸 변압 장치(1)와 상기 4B형의 회로 구성을 갖는 변압 장치(200)를 조합한 회로도이다. 도면에 있어서, 도 15에 나타낸 변압 장치(1)에서의 커패시터단과 인덕터단 사이에, 변압 장치(200)가 삽입되어 있다. 이와 같이 하여, 2종류의 변압 장치(1, 200)의 변압 기능을 조합함으로써, 변압비의 광범위한 설계가 가능해진다.
도 23은, 도 15에 나타낸 변압 장치(1)와 상기 4C형의 회로 구성을 갖는 변압 장치(200)를 조합한 회로도이다. 도면에 있어서, 도 15에 나타낸 변압 장치(1)에서의 커패시터단과 인덕터단 사이에, 변압 장치(200)가 삽입되어 있다. 이와 같이 하여, 2종류의 변압 장치(1, 200)의 변압 기능을 조합함으로써, 변압비의 광범위한 설계가 가능해진다.
도 24는, 도 15에 나타낸 변압 장치(1)와 상기 4D형의 회로 구성을 갖는 변압 장치(200)를 조합한 회로도이다. 도면에 있어서, 도 15에 나타낸 변압 장치(1)에서의 커패시터단과 인덕터단 사이에, 변압 장치(200)가 삽입되어 있다. 이와 같이 하여, 2종류의 변압 장치(1, 200)의 변압 기능을 조합함으로써, 변압비의 광범위한 설계가 가능해진다.
《기타》
또한, 전술한 리액턴스 소자로서, 케이블의 커패시턴스 및 케이블의 인덕턴스를 이용하는 것도 가능하다.
이 경우, 케이블은 내압 성능을 용이하게 확보할 수 있고, 또한 저비용이라고 하는 이점이 있다.
또한, 이번에 개시된 실시형태는 모든 점에서 예시이며 제한적인 것이 아니라고 생각되어야 한다. 본 발명의 범위는 특허청구범위에 의해 제시되며, 특허청구범위와 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.
1 : 변압 장치 2 : 교류 전원
3 : 스위칭 제어부 4 : 스위치 장치
200 : 변압 장치 C1, C2 : 커패시터
L1, L2 : 인덕터 Sb1, Sb2 : 스위치
Sr1, Sr2 : 스위치 P1, P2 : 접속점
R : 부하

Claims (12)

  1. 전원과 저항치 R의 부하 사이에 설치되는 변압 장치로서,
    4 이상의 자연수를 n으로 하고, n개의 리액턴스 소자를 서로 접속하여 구성된 이단자쌍 회로를 구비하고,
    상기 부하의 임의의 저항치 R에 대하여, 상기 이단자쌍 회로의 입력 임피던스 Zin은, 그 실수 성분이 k를 상수로 하여 kㆍR로 표시되고, 또한, 허수 성분이 0인 것인 변압 장치.
  2. 제1항에 있어서, 4개의 리액턴스 소자의 리액턴스를 각각 X1, X2, X3, X4로 하면, 입력측에서 볼 때 순서대로, 상기 이단자쌍 회로의 1선 상에 있는 X1, 2선들 사이에 있는 X2, 상기 1선 상에 있는 X3, 2선들 사이에 있는 X4에 의해 상기 이단자쌍 회로가 구성되고, 이하의 조건이 만족되는 것인 변압 장치.
    (1/X1)+(1/X2)+(1/X3)=0∧X2+X3+X4=0
  3. 제1항에 있어서, 4개의 리액턴스 소자의 리액턴스를 각각 X1, X2, X3, X4로 하면, 입력측에서 볼 때 순서대로, 상기 이단자쌍 회로의 2선들 사이에 있는 X1, 1선 상에 있는 X2, 2선들 사이에 있는 X3, 상기 1선 상에 있는 X4에 의해 상기 이단자쌍 회로가 구성되고, 이하의 조건이 만족되는 것인 변압 장치.
    X1+X2+X3=0∧(1/X2)+(1/X3)+(1/X4)=0
  4. 제1항에 있어서, 4개의 리액턴스 소자의 리액턴스를 각각 X1, X2, X3, X4로 하면, 입력측에서 볼 때 순서대로, 상기 이단자쌍 회로의 1선 상에 있는 X1, 2선들 사이에 있는 X2, 상기 1선 상에 있는 X3에 의해 구성되는 T형 회로와, X1 및 X3의 직렬체에 대하여 병렬인 X4에 의해 상기 이단자쌍 회로가 구성되고, 이하의 조건이 만족되는 것인 변압 장치.
    X1+X3+X4=0∧(1/X1)+(1/X2)+(1/X3)=0
  5. 제1항에 있어서, 4개의 리액턴스 소자의 리액턴스를 각각 X1, X2, X3, X4로 하면, 입력측에서 볼 때 순서대로, 상기 이단자쌍 회로의 2선들 사이에 있는 X1, X2의 제1 직렬체, 및, 2선들 사이에 있는 X3, X4의 제2 직렬체를 포함하고, 상기 제1 직렬체의 상호 접속점 및 상기 제2 직렬체의 상호 접속점이 출력 단자가 되는 상기 이단자쌍 회로가 구성되고, 이하의 조건이 만족되는 것인 변압 장치.
    X1+X2+X3+X4=0∧(1/X1)+(1/X2)+(1/X3)+(1/X4)=0
  6. 제1항에 있어서, 5개의 리액턴스 소자의 리액턴스를 각각 XA, XB, XC, XD, XE로 하면, 입력측에서 볼 때 순서대로, 상기 이단자쌍 회로의 1선 상에 있는 XA, 2선들 사이에 있는 XB, 상기 1선 상에 있는 XC, 2선들 사이에 있는 XD, 상기 1선 상에 있는 XE에 의해 상기 이단자쌍 회로가 구성되고,
    XA=-XB∧XE=-XD∧XC=XA+XE
    의 관계에 있는 것인 변압 장치.
  7. 제1항에 있어서, 5개의 리액턴스 소자의 리액턴스를 각각 XA, XB, XC, XD, XE로 하면, 입력측에서 볼 때 순서대로, 상기 이단자쌍 회로의 2선들 사이에 있는 XA, 1선 상에 있는 XB, 2선들 사이에 있는 XC, 상기 1선 상에 있는 XD, 2선들 사이에 있는 XE에 의해 상기 이단자쌍 회로가 구성되고,
    XA=-XB∧XE=-XD∧XC=XAㆍXE/(XA+XE)
    의 관계에 있는 것인 변압 장치.
  8. 제1항에 있어서, 6개의 리액턴스 소자의 리액턴스를 각각 XA, XB, XC, XD, XE, XF로 하면, 입력측에서 볼 때 순서대로, 상기 이단자쌍 회로의 1선 상에 있는 XA, 2선들 사이에 있는 XB, 상기 1선 상에 있는 XC, 2선들 사이에 있는 XD, 상기 1선 상에 있는 XE, 2선들 사이에 있는 XF에 의해 상기 이단자쌍 회로가 구성되고,
    XA=XC=-XB∧XD=XF=-XE
    의 관계에 있는 것인 변압 장치.
  9. 제1항에 있어서, 6개의 리액턴스 소자의 리액턴스를 각각 XA, XB, XC, XD, XE, XF로 하면, 입력측에서 볼 때 순서대로, 상기 이단자쌍 회로의 2선들 사이에 있는 XA, 1선 상에 있는 XB, 2선들 사이에 있는 XC, 상기 1선 상에 있는 XD, 2선들 사이에 있는 XE, 상기 1선 상에 있는 XF에 의해 상기 이단자쌍 회로가 구성되고,
    XA=XC=-XB∧XD=XF=-XE
    의 관계에 있는 것인 변압 장치.
  10. 스위칭을 행하는 회로와, 그 회로 내에 삽입된 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 기재된 변압 장치를 포함하는 변압 장치.
  11. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 리액턴스 소자로서, 케이블의 커패시턴스 및 케이블의 인덕턴스를 이용하는 것인 변압 장치.
  12. 제10항에 있어서, 상기 스위칭의 주파수는 적어도 1 MHz인 것인 변압 장치.
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