TWI610530B - 變壓裝置 - Google Patents

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TWI610530B
TWI610530B TW103128454A TW103128454A TWI610530B TW I610530 B TWI610530 B TW I610530B TW 103128454 A TW103128454 A TW 103128454A TW 103128454 A TW103128454 A TW 103128454A TW I610530 B TWI610530 B TW I610530B
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志賀信夫
中幡英章
大平孝
山田恭平
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住友電氣工業股份有限公司
國立大學法人豐橋技術科學大學
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Description

變壓裝置
本發明係關於變壓裝置。
在商用交流的送配電系統係使用變壓器。在需求家庭的最為附近，係使用將例如6600V(50Hz或60Hz)變壓成200V的桿上變壓器(參照非專利文獻1)。如上所示之桿上變壓器係在鐵心捲繞成為導線的粗線圈，有相稱的重量。此外，若另外含有絕緣油或外殼時，在例如直徑40cm、高度80cm的類型中，係有200kg左右的重量。
另一方面，邁向屬於次世代電力系統的智慧電網(smart grid)的實現，進行SST(Solid-State Transformer，固態變壓器)的研究。在SST係使用高頻變壓器(參照例如非專利文獻2)。
〔先前技術文獻〕 〔非專利文獻〕
非專利文獻1：中部電力網頁、「桿上變壓器」、[online]、[平成25(2013)年7月19日檢索]、網際 網路<URL:http://www.chuden.co.jp/e-museum/guide/3floor/exhibit_c23.html>
非專利文獻2：Falcones, S.: et al., Power and Energy Society General Meeting, 2010 IEEE, pp. 1-8, Minneapolis, July 2010
習知之桿上變壓器重量重，因此並不容易處理。此外，在桿上必須要有足以收納其外形尺寸的較大安裝空間。
另一方面，高頻變壓器並無法回避寄生電容的影響，有設計上的困難度。
鑑於該習知之問題點，本發明之目的在提供一種小型輕量、且不需要如習知變壓器的磁性耦合或電磁感應、相互電感用的線圈或鐵心等的劃時代的次世代變壓裝置。
本發明係一種變壓裝置，其係被設在電源與電阻值R的負載之間的變壓裝置，其係具備有：將4以上的自然數設為n，將n個電抗元件相互連接所構成的二端子對電路，相對於前述負載的任意電阻值R，前述二端子對電路的輸入阻抗Zin係其實數成分將k設為常數，以k ‧R表示，而且虛數成分為0。
其中，電抗元件係指具有感應性電抗的電感器、或具有電容性電抗的電容器。
藉由使用本發明之變壓裝置作為電力用的變壓器，並不需要包含線圈或鐵心等之習知之變壓器。因此，可實現變壓器之飛躍性的小型輕量化及伴隨其之低成本化。
1‧‧‧變壓裝置
2‧‧‧交流電源
3‧‧‧切換控制部
4‧‧‧開關裝置
200‧‧‧變壓裝置
C1、C2‧‧‧電容器
L1、L2‧‧‧電感器
Sb1、Sb2‧‧‧開關
Sr1、Sr2‧‧‧開關
P1、P2‧‧‧連接點
R‧‧‧負載
圖1係顯示藉由二端子對電路(四端子電路)所得之變壓裝置的概念圖。
圖2係顯示構成電路的要素數的考量方式的圖。
圖3係顯示可由最小要素數4構成之電路構成之中的4型樣的圖。
圖4係顯示4A型之電路構成圖。
圖5係顯示4A型之電路構成之實例6型樣的圖。
圖6係顯示4B型之電路構成圖。
圖7係顯示4B型之電路構成之實例6型樣的圖。
圖8係顯示4C型之電路構成圖。
圖9係顯示4C型之電路構成之實例6型樣的圖。
圖10係顯示4D型之電路構成圖。
圖11係顯示4D型之電路構成之實例2型樣的圖。
圖12(a)係顯示n=5之第1例的電路構成圖。(b)係顯示T型電路。
圖13(a)係顯示n=5之第2例的電路構成圖。(b)係顯示π型電路。
圖14(a)係顯示n=6之第1例的電路構成圖。(b)係顯示n=6之第2例的電路構成圖。
圖15係顯示藉由其他構成所得之變壓裝置的電路圖。
圖16(a)係顯示圖15中之4個開關之中位於上側的2個開關為接通、位於下側的2個開關為斷開時之實體連接的狀態的電路圖。(b)係將與(a)為相同的電路圖改寫為階梯狀的電路圖。
圖17(a)係顯示圖15中之4個開關之中位於下側的2個開關為接通、位於上側的2個開關為斷開時之實體連接的狀態的電路圖。此外，(b)係將與(a)為相同的電路圖改寫為階梯狀的電路圖。
圖18係分別表示對圖15的變壓裝置的輸入電壓及輸入電流的波形圖。
圖19係分別表示圖15的變壓裝置中在變壓的中間階段的電壓及電流的波形圖。
圖20係分別表示來自圖15的變壓裝置的輸出電壓及輸出電流的波形圖。
圖21係將圖15所示之變壓裝置、及具有4A型之電 路構成的變壓裝置加以組合的電路圖。
圖22係將圖15所示之變壓裝置、及具有4B型之電路構成的變壓裝置加以組合的電路圖。
圖23係將圖15所示之變壓裝置、及具有4C型之電路構成的變壓裝置加以組合的電路圖。
圖24係將圖15所示之變壓裝置、及具有4D型之電路構成的變壓裝置加以組合的電路圖。
〔實施形態之要旨〕
以本發明之實施形態之要旨而言，係至少包含以下者。
(1)此係一種變壓裝置，其係被設在電源與電阻值R的負載之間的變壓裝置，其係具備有：將4以上的自然數設為n，將n個電抗元件相互連接所構成的二端子對電路，相對於前述負載的任意電阻值R，前述二端子對電路的輸入阻抗Zin係其實數成分將k設為常數，以k‧R表示，而且虛數成分為0。
在如上所述之變壓裝置中，無關於負載的電阻值R，可得與輸入電壓成正比的輸出電壓。亦即，可得以一定的變壓比(1/k)1/2，將輸入電壓變換成輸出電壓的變壓裝置。藉由使用如上所示之變壓裝置作為變壓器，並不需要習知之商用變頻器、或高頻變壓器。因此，可實現變壓器的飛 躍性的小型輕量化及伴隨此的低成本化。此外，在高頻變壓器中成為課題的寄生電容、漏磁場發生的問題亦被解決，可實現低損失的變壓器。
(2)此外，在(1)的變壓裝置中，較佳為若將4個電抗元件的電抗分別設為X1、X2、X3、X4時，藉由由輸入側觀看依序為位於前述二端子對電路的1線上的X1、位於2線間的X2、位於前述1線上的X3、位於2線間的X4，構成前述二端子對電路，滿足以下條件：(1/X1)+(1/X2)+(1/X3)=0 ∧ X2+X3+X4=0。
此時，輸入阻抗Zin係成為Zin=(X2 2/X4 2)‧R，可得與負載的電阻值R成正比，且與輸入電壓成正比的輸出電壓。
其中，記號「∧」係表示邏輯積(以下同)。
(3)此外，在(1)的變壓裝置中，較佳為若將4個電抗元件的電抗分別設為X1、X2、X3、X4時，藉由由輸入側觀看依序為位於前述二端子對電路的2線間的X1、位於1線上的X2、位於2線間的X3、位於前述1線上的X4，構成前述二端子對電路，滿足以下條件：X1+X2+X3=0 ∧ (1/X2)+(1/X3)+(1/X4)=0。
此時，輸入阻抗Zin係成為Zin=(X1 2/X3 2)‧R，可得與負載的電阻值R成正比，且與輸入電壓成正比的輸出電壓。
(4)此外，在(1)的變壓裝置中，較佳為 若將4個電抗元件的電抗分別設為X1、X2、X3、X4時，利用藉由由輸入側觀看依序為位於前述二端子對電路的1線上的X1、位於2線間的X2、位於前述1線上的X3所構成的T型電路、及相對於X1及X3的串聯體呈並聯的X4，構成前述二端子對電路，滿足以下條件：X1+X3+X4=0 ∧ (1/X1)+(1/X2)+(1/X3)=0。
此時，輸入阻抗Zin係成為Zin=(X1 2/X3 2)‧R，可得與負載的電阻值R成正比，且與輸入電壓成正比的輸出電壓。
(5)此外，在(1)的變壓裝置中，較佳為若將4個電抗元件的電抗分別設為X1、X2、X3、X4時，包含由輸入側觀看依序為位於前述二端子對電路的2線間的X1、X2之第1串聯體、及位於2線間的X3、X4之第2串聯體，構成前述第1串聯體的相互連接點及前述第2串聯體的相互連接點成為輸出端子的前述二端子對電路，滿足以下條件：X1+X2+X3+X4=0 ∧ (1/X1)+(1/X2)+(1/X3)+(1/X4)=0。
此時，輸入阻抗Zin係成為Zin={(X1+X2)2/(X1-X2)2}‧R，可得與負載的電阻值R成正比，且與輸入電壓成正比的輸出電壓。
(6)此外，在(1)的變壓裝置中，較佳為若將5個電抗元件的電抗分別設為XA、XB、XC、XD、XE 時，藉由由輸入側觀看依序為位於前述二端子對電路的1線上的XA、位於2線間的XB、位於前述1線上的XC、位於2線間的XD、位於前述1線上的XE，構成前述二端子對電路，處於：XA=-XB ∧ XE=-XD ∧ XC=XA+XE的關係。
此時，輸入阻抗Zin係成為Zin=(XA 2/XE 2)‧R，可得與負載的電阻值R成正比，且與輸入電壓成正比的輸出電壓。
(7)此外，在(1)的變壓裝置中，較佳為若將5個電抗元件的電抗分別設為XA、XB、XC、XD、XE時，藉由由輸入側觀看依序為位於前述二端子對電路的2線間的XA、位於1線上的XB、位於2線間的XC、位於前述1線上的XD、位於2線間的XE，構成前述二端子對電路，處於：XA=-XB ∧ XE=-XD ∧ XC=XA．XE/(XA+XE)的關係。
此時，輸入阻抗Zin係成為Zin=(XA 2/XE 2)‧R，可得與負載的電阻值R成正比，且與輸入電壓成正比的輸出電壓。
(8)此外，在(1)的變壓裝置中，較佳為若將6個電抗元件的電抗分別設為XA、XB、XC、XD、XE、XF時，藉由由輸入側觀看依序為位於前述二端子對 電路的1線上的XA、位於2線間的XB、位於前述1線上的XC、位於2線間的XD、位於前述1線上的XE、位於2線間的XF，構成前述二端子對電路，處於：XA=XC=-XB ∧ XD=XF=-XE的關係。
此時，輸入阻抗Zin係成為Zin=(XA 2/XF 2)‧R，可得與負負載的電阻值R成正比，且與輸入電壓成正比的輸出電壓。
(9)此外，在(1)的變壓裝置中，較佳為若將6個電抗元件的電抗分別設為XA、XB、XC、XD、XE、XF時，藉由由輸入側觀看依序為位於前述二端子對電路的2線間的XA、位於1線上的XB、位於2線間的XC、位於前述1線上的XD、位於2線間的XE、位於前述1線上的XF，構成前述二端子對電路，處於：XA=XC=-XB ∧ XD=XF=-XE的關係。
此時，輸入阻抗Zin係成為Zin=(XA 2/XF 2)‧R，可得與負載的電阻值R成正比，且與輸入電壓成正比的輸出電壓。
(10)此外，變壓裝置亦可為包含：進行切換的電路、及被介插在該電路內之如(1)~(9)中任一者之變壓裝置者。
此時，可利用正在進行切換的環境來活用集中常數電 路的變壓裝置。
(11)此外，亦可在(1)~(9)中任一者之變壓裝置中，利用纜線的電容及纜線的電感作為前述電抗元件。
此時，纜線係可輕易確保耐壓性能，此外，為低成本。
(12)此外，在(10)的變壓裝置中，前述切換的頻率較佳為至少1MHz。
此時，可利用以高頻正在進行切換的環境來活用集中常數電路的變壓裝置。
〔實施形態的詳細內容〕 <藉由集中常數電路所得之變壓裝置>
接著，詳細說明本發明之實施形態之使用集中常數電路的變壓裝置。
《概論》
圖1係顯示藉由二端子對電路(四端子電路)所得之變壓裝置200的概念圖。為了作為變壓裝置來發揮功能，必須在輸入阻抗Zin與負載R(電阻值R)之間，成立：Zin=k‧R (k為常數)
的關係。藉此，相對於負載變動，輸入阻抗Zin呈線性變化，變壓比為一定。此外，輸入阻抗Zin並不具有電抗成分。亦即，輸入阻抗Zin係必須實數成分為k‧R、虛 數成分為0。將成為如上所示之輸入阻抗Zin的變壓裝置200稱為LILT(Load-Invariant Linear Transformer，負載不變線性變壓器)。
在如上所述之變壓裝置200中，無關於負載的電阻值R，可得與輸入電壓成正比的輸出電壓。亦即，可得以一定的變壓比(1/k)1/2，將輸入電壓變換成輸出電壓的變壓裝置200。藉由使用如上所示之變壓裝置200作為變壓器，並不需要習知之商用變頻器、或高頻變壓器。因此，可實現變壓器的飛躍性的小型輕量化及伴隨其之低成本化。此外，在高頻變壓器中成為課題的寄生電容、漏磁場發生的問題亦被解決，可實現低損失的變壓器。
成為LILT的電路構成被無數創作，但是電抗元件的要素數n係以少為佳。本發明人等將n的值由1依序以1、2、3、4、...進行全搜尋的結果，獲得最小要素數n為4的知見。
圖2係顯示構成電路之要素數n之考量方式之一例圖。在圖中，在左圖，外觀上存在3個要素X1、X2、X3。但是，位相等價的X1、X2係計數為1個，作為電路沒有任何涵義的X3並不會進行計數。因此，左方的電路構成與右方的電路構成相同，要素數n為1。
圖3係顯示可由最小要素數4構成之電路構成之中的4型樣的圖，依(a)、(b)、(c)、(d)的順序分別稱為「4A型」、「4B型」、「4C型」、「4D型」者。
《第1實施形態：4A型》
圖4係顯示4A型之電路構成圖。若在字面上表現，例如，若將4個電抗元件的電抗分別設為X1、X2、X3、X4時，藉由由輸入側觀看依序為位於二端子對電路的1線上的X1、位於2線間的X2、位於前述1線上的X3、位於2線間的X4，構成二端子對電路。此時的輸入阻抗Zin係以下式的上段部表示。此外，若藉由並聯共振及串聯共振，設定將虛數成分設為0的條件時，輸入阻抗Zin係以下段部表示。
其中，以下各式中的「j」係表示虛數(-1)1/2。
Figure TWI610530BD00001
亦即，參數條件為：(1/X1)+(1/X2)+(1/X3)=0 ∧ X2+X3+X4=0時，換言之，為(1/X1)+(1/X2)+(1/X3)=0，而且，為X2+X3+X4=0時，成為Zin=(X2 2/X4 2)‧R，可得與輸入電壓成正比的輸出電壓。其中，為發揮該功能，必須輸入電壓為交流。
圖5係顯示4A型之電路構成之實例6型樣的圖。
《第2實施形態：4B型》
圖6係顯示4B型之電路構成圖。若在字面上表現、例如，若將4個電抗元件的電抗分別設為X1、X2、X3、X4時，藉由由輸入側觀看依序為位於二端子對電路的2線間的X1、位於1線上的X2、位於2線間的X3、位於前述1線上的X4，構成二端子對電路。此時的輸入阻抗Zin係以下式的上段部表示。此外，若藉由並聯共振及串聯共振，設定將虛數成分設為0的條件時，輸入阻抗Zin係以下段部表示。
Figure TWI610530BD00002
亦即，參數條件為：X1+X2+X3=0 ∧ (1/X2)+(1/X3)+(1/X4)=0時，成為Zin=(X1 2/X3 2)‧R，可得與輸入電壓成正比的輸出電壓。其中，為發揮該功能，必須輸入電壓為交流。
圖7係顯示4B型之電路構成之實例6型樣的圖。
《第3實施形態：4C型》
圖8係顯示4C型之電路構成圖。若在字面上表現， 例如，若將4個電抗元件的電抗分別設為X1、X2、X3、X4時，藉由由輸入側觀看依序為位於二端子對電路的1線上的X1、位於2線間的X2、位於前述1線上的X3所構成的T型電路、及相對於X1及X3的串聯體呈並聯的X4，構成二端子對電路。此時的輸入阻抗Zin係以下式的上段部表示。此外，若藉由並聯共振及串聯共振，設定將虛數成分設為0的條件時，輸入阻抗Zin係以下段部表示。
Figure TWI610530BD00003
亦即，參數條件為：X1+X3+X4=0 ∧ (1/X1)+(1/X2)+(1/X3)=0時，成為Zin=(X1 2/X3 2)‧R，可得與輸入電壓成正比的輸出電壓。其中，為發揮該功能，必須輸入電壓為交流。
圖9係顯示4C型之電路構成之實例6型樣的圖。
《第4實施形態：4D型》
圖10係顯示4D型之電路構成圖。若在字面上表現，例如，若將4個電抗元件的電抗分別設為X1、X2、X3、X4時，包含由輸入側觀看依序為位於二端子對電路的2 線間的X1、X2之第1串聯體、及位於2線間的X3、X4之第2串聯體，構成第1串聯體的相互連接點及第2串聯體的相互連接點成為輸出端子的二端子對電路。此時的輸入阻抗Zin係以下式的上段部表示。此外，藉由並聯共振及串聯共振，設定將虛數成分設為0的條件時，輸入阻抗Zin係以下段部表示。
Figure TWI610530BD00004
亦即，參數條件為：X1+X2+X3+X4=0 ∧ (1/X1)+(1/X2)+(1/X3)+(1/X4)=0時，成為Zin={(X1+X2)2/(X1-X2)2}‧R，可得與輸入電壓成正比的輸出電壓。其中，為發揮該功能，必須輸入電壓為交流。
圖11係顯示4D型之電路構成之實例2型樣的圖。
《第5實施形態：n=5(T型的應用)》
接著，考慮要素數n=5的電路構成。相較於n=4，要素數雖然增加1個，但是具有實用性。
圖12的(a)係顯示n=5之第1例的電路構成圖。若 在字面上表現，將5個電抗元件的電抗分別設為XA、XB、XC、XD、XE時，藉由由輸入側觀看依序為位於二端子對電路的1線上的XA、位於2線間的XB、位於前述1線上的XC、位於2線間的XD、位於前述1線上的XE，構成二端子對電路。
另一方面，圖12的(b)係表示T型電路。在該T型電路中，輸入阻抗Zin係以下式的上段部表示，將虛數成分設為0時，下段部的參數條件為必須。
Figure TWI610530BD00005
在T型電路中，由於R出現在分母，因此並不會形成為LILT。但是，若將T型電路構成為2段，即成為Zin=k‧R，可得與輸入電壓成正比的輸出電壓。因此，若將圖12的(a)的電路中的5個電抗元件的電抗分別設為XA、XB、XC、XD、XE時，藉由由輸入側觀看依序為位於二端子對電路的1線上的XA、位於2線間的XB、位於前述1線上的XC、位於2線間的XD、位於前述1線上的XE，構成前述二端子對電路，即形成為：XA=-XB ∧ XE=-XD ∧ XC=XA+XE的關係。此時，輸入阻抗Zin係成為Zin=(XA 2/XE 2)‧R， 可得與負載的電阻值R成正比，且與輸入電壓成正比的輸出電壓。其中，為發揮該功能，必須輸入電壓為交流。
《第6實施形態：n=5(π型的應用)》
圖13的(a)係顯示n=5之第2例的電路構成圖。若在字面上表現，若將5個電抗元件的電抗分別設為XA、XB、XC、XD、XE時，藉由由輸入側觀看依序為位於二端子對電路的2線間的XA、位於1線上的XB、位於2線間的XC、位於前述1線上的XD、位於2線間的XE，構成二端子對電路。
另一方面，圖13的(b)係顯示π型電路。在該π型電路中，輸入阻抗Zin係以下式的上段部表示，在將虛數成分設為0時，下段部的參數條件為必須。
Figure TWI610530BD00006
在π型電路中，由於R出現在分母，因此並不會形成為LILT。但是，若將π型電路構成為2段，即成為Zin=k‧R，可得與輸入電壓成正比的輸出電壓。因此，若將圖13的(a)的電路中的5個電抗元件的電抗分別設為XA、XB、XC、XD、XE時，藉由由輸入側觀看依序為位於二端子對電路的2線間的XA、位於1線上的XB、 位於2線間的XC、位於前述1線上的XD、位於2線間的XE，構成前述二端子對電路，即形成為：XA=-XB ∧ XE=-XD ∧ XC=XA．XE/(XA+XE)的關係。
此時，輸入阻抗Zin係成為Zin=(XA 2/XE 2)‧R，可得與負載的電阻值R成正比，且與輸入電壓成正比的輸出電壓。其中，為發揮該功能，必須輸入電壓為交流。
《第7實施形態：n=6(前T‧後π)》
接著考慮要素數n=6的電路構成。相較於n=4，要素數雖然增加2個，但是具有實用性。
圖14的(a)係顯示n=6之第1例的電路構成圖。若在字面上表現，若將6個電抗元件的電抗分別設為XA、XB、XC、XD、XE、XF時，藉由由輸入側觀看依序為位於二端子對電路的1線上的XA、位於2線間的XB、位於前述1線上的XC、位於2線間的XD、位於前述1線上的XE、位於2線間的XF，構成二端子對電路。
如前所述，在T型電路及π型電路中，由於R均出現在分母，因此並不會形成為LILT。但是，若以T型電路+π型電路構成電路，即成為Zin=k‧R，可得與輸入電壓成正比的輸出電壓。因此，若將圖14的(a)的電路中的6個電抗元件的電抗分別設為XA、XB、XC、XD、XE、XF時，藉由由輸入側觀看依序為位於二端子對電路的1線上的XA、位於2線間的XB、位於前述1線上的 XC、位於2線間的XD、位於前述1線上的XE、位於2線間的XF，構成前述二端子對電路，即形成為：XA=XC=-XB ∧ XD=XF=-XE的關係。
此時，輸入阻抗Zin係成為Zin=(XA 2/XF 2)‧R，可得與負負載的電阻值R成正比，且與輸入電壓成正比的輸出電壓。其中，為發揮該功能，必須輸入電壓為交流。
《第8實施形態：n=6(前π‧後T)》
圖14的(b)係顯示n=6之第2例的電路構成圖。若在字面上表現，若將6個電抗元件的電抗分別設為XA、XB、XC、XD、XE、XF時，藉由由輸入側觀看依序為位於二端子對電路的2線間的XA、位於1線上的XB、位於2線間的XC、位於前述1線上的XD、位於2線間的XE、位於前述1線上的XF，構成二端子對電路。
如前所述，在π型電路及T型電路中，由於R均出現在分母，因此並不會形成為LILT。但是，若以π型電路+T型電路構成電路，即成為Zin=k‧R，可得與輸入電壓成正比的輸出電壓。因此，若將圖14的(b)的電路中的6個電抗元件的電抗分別設為XA、XB、XC、XD、XE、XF時，藉由由輸入側觀看依序為位於二端子對電路的2線間的XA、位於1線上的XB、位於2線間的XC、位於前述1線上的XD、位於2線間的XE、位於前述1線上 的XF，構成前述二端子對電路，則形成為：XA=XC=-XB ∧ XD=XF=-XE的關係。
此時，輸入阻抗Zin係成為Zin=(XA 2/XF 2)‧R，可得與負載的電阻值R成正比，且與輸入電壓成正比的輸出電壓。其中，為發揮該功能，必須輸入電壓為交流。
上述之藉由集中常數電路所得之變壓裝置200亦可與藉由其他構成所得之變壓裝置加以組合使用。例如，以藉由其他構成所得之變壓裝置而言，係有以下者。
<藉由使用電抗元件之切換所得之變壓裝置>
圖15係顯示該變壓裝置1之一例的電路圖。在圖中，變壓裝置1係設在交流電源2與負載R之間。變壓裝置1係具備有：一對電容器C1、C2、一對電感器L1、L2、4個開關Sr1、Sr2、Sb1、Sb2、及控制該等開關Sr1、Sr2、Sb1、Sb2之接通/斷開的切換控制部3。切換控制部3的切換頻率為例如1MHz左右。其中，切換頻率以1MHz以上為佳，惟亦可為未達1MHz。
藉由開關Sr1、Sr2、Sb1、Sb2及切換控制部3，構成切換變壓裝置1的電路連接的狀態的開關裝置4。開關Sr1、Sr2係互相同步動作，此外，開關Sb1、Sb2係互相同步動作。接著，開關Sr1、Sr2的成對、與開關Sb1、Sb2的成對係以成為排他性地交替接通的方式進行動作。開關Sr1、Sr2、Sb1、Sb2係例如由SiC元件或GaN元 件所成之半導體切換元件。SiC元件或GaN元件例如與Si元件相比，可進行更為高速的切換。此外，即使未將元件以多段相連接，亦可得充分的耐壓(例如6kV/1個亦為可能)。
在圖15中，一對電容器C1、C2係在連接點P1中互相串聯連接。接著，在該串聯體的兩端連接有交流電源2。在一對電容器C1、C2的串聯體係被施加輸入電壓Vin，流通輸入電流Iin。
此外，一對電感器L1、L2係在連接點P2彼此串聯連接。接著，在該串聯體的兩端，被施加介在電容器C1、C2的輸入電壓Vm，且流通輸入電流Im。在負載R係當開關Sr2、Sb2之任一者接通時，即流通電流。在此，將被施加至負載R的電壓設為Vout、由變壓裝置1流至負載R的輸出電流設為Iout。
圖16的(a)係顯示在圖15中的4個開關Sr1、Sr2、Sb1、Sb2之中，位於上側的2個開關Sr1、Sr2接通、且位於下側的2個開關Sb1、Sb2斷開時之實體連接的狀態的電路圖。其中，圖15中的開關裝置4的圖示省略。此外，圖16的(b)係將與(a)為相同的電路圖改寫為階梯狀的電路圖。
另一方面，圖17的(a)係顯示在圖15中的4個開關Sr1、Sr2、Sb1、Sb2之中，位於下側的2個開關Sb1、Sb2接通、且位於上側的2個開關Sr1、Sr2斷開時之實體連接的狀態的電路圖。此外，圖17的(b)係將與(a)為相 同的電路圖改寫為階梯狀的電路圖。
藉由交替反覆圖16、圖17的狀態，透過電容器C1、C2的串聯體的連接點P1而被取出的電壓係另外成為透過電感器L1、L2的串聯體的連接點P2而被取出的電壓。亦即，進行將電容器側作為前段，將電感器側作為後段的變壓。在此，被推定輸入電壓是否成為約1/4而被輸出。而此係經由發明人等的實驗被確認。
圖18係分別在上方表示對變壓裝置1的輸入電壓，下方表示輸入電流的波形圖。
圖19係分別表示在變壓的中間階段的電壓Vm、電流Im的波形圖。實際上，此係利用藉由切換所得之脈衝列所構成，全體而言成為如圖所示之波形。
此外，圖20係分別在上方表示來自變壓裝置1的輸出電壓，下方表示輸出電流的波形圖。藉由圖18、圖20的對比可知，電壓係被變壓成1/4，伴隨此，電流成為4倍。
<組合之例示>
圖21係將圖15所示之變壓裝置1、及具有上述4A型之電路構成的變壓裝置200加以組合的電路圖。在圖中，在圖15所示之變壓裝置1中的電容器段與電感器段之間介插有變壓裝置200。如上所示，藉由將2種類的變壓裝置1、200的變壓功能加以組合，可進行變壓比的大範圍的設計。
此外，此時，例如可利用以1MHz的高頻正在進行切換的環境來活用集中常數電路的變壓裝置200。其中，交流電源2假設置換成直流電源，亦由於在變壓裝置200被輸入藉由變壓裝置1的前段的切換所得之切換波形，因此為可使用(以下同)。
圖22係將圖15所示之變壓裝置1、及具有上述4B型之電路構成的變壓裝置200加以組合的電路圖。在圖中，在圖15所示之變壓裝置1中的電容器段與電感器段之間介插有變壓裝置200。如上所示，藉由組合2種類的變壓裝置1、200的變壓功能，可進行變壓比的大範圍的設計。
圖23係將圖15所示之變壓裝置1、及具有上述4C型之電路構成的變壓裝置200加以組合的電路圖。在圖中，在圖15所示之變壓裝置1中的電容器段與電感器段之間介插有變壓裝置200。如上所示，藉由組合2種類的變壓裝置1、200的變壓功能，可進行變壓比的大範圍的設計。
圖24係將圖15所示之變壓裝置1、與具有上述4D型之電路構成的變壓裝置200加以組合的電路圖。在圖中，在圖15所示之變壓裝置1中的電容器段與電感器段之間介插有變壓裝置200。如上所示，藉由組合2種類的變壓裝置1、200的變壓功能，可進行變壓比的大範圍的設計。
《其他》
其中，以上述之電抗元件而言，亦可利用纜線的電容及纜線的電感。
此時，纜線係具有可輕易確保耐壓性能，而且為低成本的優點。
其中，應理解本次所揭示之實施形態所有內容均為例示，並非具限制性者。本發明之範圍係藉由申請專利範圍顯示，意圖包含在與申請專利範圍為均等的涵義及範圍內的所有變更。

Claims (12)

  1. 一種變壓裝置，其係被設在電源與電阻值R的負載之間的變壓裝置，其係具備有：將4以上的自然數設為n，將n個電抗元件相互連接所構成的二端子對電路，相對於前述負載的任意電阻值R，前述二端子對電路的輸入阻抗Zin係其實數成分將k設為常數，以k‧R表示，而且虛數成分為0。
  2. 如申請專利範圍第1項之變壓裝置，其中，若將4個電抗元件的電抗分別設為X1、X2、X3、X4時，藉由由輸入側觀看依序為位於前述二端子對電路的1線上的X1、位於2線間的X2、位於前述1線上的X3、位於2線間的X4，構成前述二端子對電路，滿足以下條件：(1/X1)+(1/X2)+(1/X3)=0 ∧ X2+X3+X4=0。
  3. 如申請專利範圍第1項之變壓裝置，其中，若將4個電抗元件的電抗分別設為X1、X2、X3、X4時，藉由由輸入側觀看依序為位於前述二端子對電路的2線間的X1、位於1線上的X2、位於2線間的X3、位於前述1線上的X4，構成前述二端子對電路，滿足以下條件：X1+X2+X3=0 ∧ (1/X2)+(1/X3)+(1/X4)=0。
  4. 如申請專利範圍第1項之變壓裝置，其中，若將4個電抗元件的電抗分別設為X1、X2、X3、X4時，利用藉 由由輸入側觀看依序為位於前述二端子對電路的1線上的X1、位於2線間的X2、位於前述1線上的X3所構成的T型電路、及相對於X1及X3的串聯體呈並聯的X4，構成前述二端子對電路，滿足以下條件：X1+X3+X4=0 ∧ (1/X1)+(1/X2)+(1/X3)=0。
  5. 如申請專利範圍第1項之變壓裝置，其中，若將4個電抗元件的電抗分別設為X1、X2、X3、X4時，包含由輸入側觀看依序為位於前述二端子對電路的2線間的X1、X2之第1串聯體、及位於2線間的X3、X4之第2串聯體，構成前述第1串聯體的相互連接點及前述第2串聯體的相互連接點成為輸出端子的前述二端子對電路，滿足以下條件：X1+X2+X3+X4=0 ∧ (1/X1)+(1/X2)+(1/X3)+(1/X4)=0。
  6. 如申請專利範圍第1項之變壓裝置，其中，若將5個電抗元件的電抗分別設為XA、XB、XC、XD、XE時，藉由由輸入側觀看依序為位於前述二端子對電路的1線上的XA、位於2線間的XB、位於前述1線上的XC、位於2線間的XD、位於前述1線上的XE，構成前述二端子對電路，處於：XA=-XB ∧ XE=-XD ∧ XC=XA+XE的關係。
  7. 如申請專利範圍第1項之變壓裝置，其中，若將5 個電抗元件的電抗分別設為XA、XB、XC、XD、XE時，藉由由輸入側觀看依序為位於前述二端子對電路的2線間的XA、位於1線上的XB、位於2線間的XC、位於前述1線上的XD、位於2線間的XE，構成前述二端子對電路，處於：XA=-XB ∧ XE=-XD ∧ XC=XA．XE/(XA+XE)的關係。
  8. 如申請專利範圍第1項之變壓裝置，其中，若將6個電抗元件的電抗分別設為XA、XB、XC、XD、XE、XF時，藉由由輸入側觀看依序為位於前述二端子對電路的1線上的XA、位於2線間的XB、位於前述1線上的XC、位於2線間的XD、位於前述1線上的XE、位於2線間的XF，構成前述二端子對電路，處於：XA=XC=-XB ∧ XD=XF=-XE的關係。
  9. 如申請專利範圍第1項之變壓裝置，其中，若將6個電抗元件的電抗分別設為XA、XB、XC、XD、XE、XF時，藉由由輸入側觀看依序為位於前述二端子對電路的2線間的XA、位於1線上的XB、位於2線間的XC、位於前述1線上的XD、位於2線間的XE、位於前述1線上的XF，構成前述二端子對電路，處於：XA=XC=-XB ∧ XD=XF=-XE 的關係。
  10. 一種變壓裝置，其係包含：進行切換的電路、及被介插在該電路內之如申請專利範圍第1項至第9項中任一項之變壓裝置。
  11. 如申請專利範圍第1項至第9項中任一項之變壓裝置，其中，利用纜線的電容及纜線的電感作為前述電抗元件。
  12. 如申請專利範圍第10項之變壓裝置，其中，前述切換的頻率係至少1MHz。
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