JPH06502294A - 高力率倍電圧整流器 - 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】 高力率倍電圧整流器 発明の分野 本発明は、全般的に交直（２ｃｍｔｏ−ｄｃ）電力変換器に関し、更に具体的に 言えば、合衆国及び欧州の両方の交流電源に適用可能であって、高い力率及び低 い高調波歪みで動作する倍電圧整流器に関する。

発明の背景 容量性出力フィルタを有している従来の整流器回路は比較的力率が低く、このこ とが、交流線路から取り出すことができる電力を、線路の定格のある端数に制限 している。

更に、これらの従来の整流器が取り出す交流線路電流は、かなり歪んでおり、装 置に対する過電流及び過電圧の他に、他の電気装置との妨害を招く場合が多い。

力率を改善する方法には、受動性波形整形方法、即ち入力フィルタを用いるもの と、能動形刃法、即ち昇圧又は突合わせ変換器形式を用いるものとがある。この ような従来の高い力率をめる能動的な方法は一般的に、高い力率を達成するため に、完全に別個の前側変換器を用いた後、直々（ｄｃ−１ｏ−ｄｃ）変換器を用 いて、所望の調整済み直流出力電圧を発生している。このため、電力が２回変換 されるが、これはコストがかかるし、効率が悪い。更に、前側変換器は送り出さ れる電力全体を変換しなければならない。実際には、送出される平均電力の２倍 に等しいピーク電力を変換しなければならない。

１つの電力段のみを有している高力率の直流出力電源が、１９９１年２月８日に 出願され、本出願の譲受人に譲渡されたＲ、Ｌ、スタイガバルドの係属中の米国 特許出願番号第６５２８３１号に記載されている。この米国特許出願の電源は、 二重出力切換え式変換器を含んでおり、この切換え式変換器は第１の出力と、第 ２の出力と有している。第１の出力は、整流器回路と切換え式変換器の入力との 間に直列に接続されており、高い力率をもたらす。第２の出力は、電源の出力に 調整済み直流電圧を発生する。第１及び第２の出力は減結合されており、この結 果、電源は、速い過渡的な応答をもって調整済み直流出力電圧を発生しながら、 交流源から品質の高い電流波形を取り出すことができる。更に、この電源では、 電源から送出される電力を２回変換しなくてもよいように、別個の前側電力変換 器を必要とせずに、高い力率が得られる。

この米国特許出願の高力率電源は、上述したような利点を有する他に、非常に広 い入力電圧の範囲にわ゛たり、例えば、合衆国及び欧州の両方の交流電源にも適 用可能なように、電力変換のために高力率の倍電圧整流器となる点も望ましい。

従来の倍電圧整流器は力率が悪く、高調波歪みが比較的大きかった。都合の悪い ことに、実用的な解決策は、低い入力線路電圧を打消すために、前に引用した米 国特許出願の電源の昇圧電圧を単に増加することではない。なぜなら、そうする と、実質的な循環電力、即ち直流リンクに送出されるよりも一層大きな電力が生 ずるからである。

発明の目的 従って、本発明の目的は、高い力率で動作する新規で改良された倍電圧整流器を 提供することにある。

本発明の他の目的は、全電力を２回変換する必要のない高い力率で動作する高力 率倍電圧整流器を提供することにある。

本発明の更に他の目的は、合衆国及び欧州の両方の交流電源に適用可能な高力率 倍電圧整流器を提供することにある。

発明の要約 本発明の上述及びその他の目的は、両波ダイオード整流器と、２つの出力昇圧回 路を有している直々変換器とを含んでいる新規で改良された倍電圧整流器で達成 される。一方の出力昇圧回路はダイオード整流器と正の直流リンクとの間に接続 されており、他方の出力昇圧回路はダイオード整流器と、回路の共通点、即ち負 の直流リンクとの間に接続されている。直列接続されている２つのフィルタキャ パシタが又、正の直流リンクと回路の共通点との間に接続されている。好ましい 一実施例では、２つの出力昇圧回路の各々は、直列、並列又は直並列の共振回路 のいずれかと、整流器とを備えている。両波ブリッジ整流器の一対のダイオード を結んでいる接続点と、２つのフィルタキャパシタを結んでいる接続点との間に 、スイッチ手段が接続されている。比較的高い交流線路電圧では、スイッチ手段 は開いており、回路は低昇圧モードで動作する。他方、比較的低い交流線路電圧 では、スイッチ手段は閉じており、回路は高昇圧モード又は倍電圧モードで動作 する。スイッチ手段は自動的に動作することが好ましい。本発明の倍電圧整流器 は、はぼ一定範囲内にある倍電圧直流出力電圧（即ち、正の直流リンク電圧）を 発生することにより、広い交流入力電圧範囲にわたって、高い力率で効率のよい 変換器動作をすることができるのが有利である。このため、このような倍電圧整 流器は、例えば合衆国及び欧州の両方の交流電源に適用可能である。

図面の簡単な説明 本発明の特徴及び利点は、以下図面について本発明の詳細な説明するところから 明らかになろう。図面において、第１図は本発明による倍電圧整流器の回路図で ある。

第２図は本発明の好ましい実施例による倍電圧整流器を用いた電源の回路図であ る。

第３Ａ図〜第３Ｃ図は、第２図の倍電圧整流器に有用な出力昇圧回路の相異なる 実施例の回路図である。

発明の詳細な説明 第１図は本発明に係る倍電圧整流器（本明細書では倍電圧器とも呼ぶ）を示す。

図示のように、倍電圧器は、両波ブリッジ形式に接続されているダイオードＤ１ 〜Ｄ４を有している両波整流器１０を含んでおり、両波整流器１０は入力フィル タ誘導子Ｌ　を介して、交流型［１２に接続さｎ れている。二重出力の直々（ｄｃ−ｔｏ−ｄｃ）変換器１４が正の直流リンク電 圧Ｅ、と回路の共通点との間に接続されている。２つのフィルタキャパシタＣ及 びＣ２も又、直流りンク電圧Ｅ、と回路の共通点との間に接続されている。直々 変換器は、１次巻線２０と、２つの２次巻線２１及び２２とを有している昇圧変 圧器Ｔ、を介して、それに誘導結合されている２つの出力昇圧回路１６及び１８ を有している。一方の出力昇圧回路１６は、整流器１０と直流リンク電圧Ｅ、と の間に直列に接続されており、他方の出力昇圧回路１８は、反対の極性で、整流 器と回路の共通点との間に直列に接続されている。昇圧回路１６は端子ａ及びｂ の間に出力昇圧電圧Ｖ！ｂを発生する。昇圧回路１８は端子ａ′及びｂ′の間に 出力昇圧電圧Ｖ、・、２を発生する。スイッチＳが両波ブリッジ整流器１０のダ イオードＤ３及びＤ４を結んでいる接続点と、フィルタキャパシタＣ１及びＣ２ を結んでいる接続点との間に接続されている。スイッチＳは周知の方法に従って 、自動的に動作することが好ましい。

直々変換器１４は調整済み直流出力電圧Ｅ。ｎｌを発生する。

動作について説明すると、比較的高い交流線路電圧（例えば欧州の２４０Ｖ）で は、スイッチＳは開いており、動作は低昇圧モードである。即ち、整流器のダイ オードＤＩ〜Ｄ４は普通の両波整流器として作用し、直列昇圧電圧Ｖ２、及びｖ ａ’ｂ’が整流器１０、並びに直流リンクフィルタキャパシタＣ及びＣ２と直列 に相加わる。他方、比較的低い交流線路電圧（例えば合衆国の１２０ｖ）では、 スイッチＳが閉じており、動作は高昇圧モート又は倍電圧モードである。倍電圧 モードにおいて、交流線路電圧の半サイクルの間、電流がダイオードＤ、及び昇 圧回路１６に流れて、スイッチＳを介してキャパシタＣ＋を充電する。同様に次 の半サイクルの間、電流がダイオードＤ２及び昇圧回路１８を通り、スイッチＳ を介してキャパシタＣ２を充電する。

倍電圧モードでは、各々のキャパシタＣ及びＣ２は、交流線路電圧のピークより 高い電圧まで充電され、このため、キャパシタＣ及びＣ２の両端の電圧の直列の 組合わせは、スイッチＳが開いているとき、即ち低昇圧モードのときと同じ直流 リンク電圧Ｅ、になる。更に、各々の半サイクルの間、それぞれの昇圧電圧■ａ ｂ及び”ｘ’ｂ’は、これから説明するように制御されて、交流線路から正弦状 に近い電流が流れるようにする。その結果、高力率の倍電圧作用になる。

第２図は本発明の好ましい実施例による高力率倍電圧整流器を示す。図示のよう に、二重出力直々変換器１４は移相ＰＷＭ（パルス幅変調）制御の出力及び共振 出力を有している。（しかしながら、本発明の考えが、他の形式の二重出力変換 器、例えば負荷共振型、準共振型、硬切換え式ＰＷＭ変換器等にも用いることが できることを承知されたい。）変換器１４は、直流リンク電圧Ｅ、と回路の共通 点との間にスイッチング装置Ｑ１〜Ｑ４の完全ブリッジ接続を含んでいる。共振 変換器１４の出力昇圧回路１６及び１８はいずれも、第２図では、共振キャパシ タＣと、共振［ 誘導子Ｌ　とが互いに直列に、且っ昇圧変圧器の２次巻線２１及び２２とも直列 に、それぞれ接続されているものとして示されている。第２図の出力昇圧変圧器 １６及び１８の各々は更に、ダイオードＤ５〜Ｄ８で構成されている両波ブリッ ジ整流器を含んでいる。昇圧回路１６では、ダイオードＤ　及びＤ７の陽極か端 子すて直流リンクに接続されており、昇圧回路１６のダイオードＤ６及びＤ８の 陰極が端子ａで直流リンクに接続されている。反対に、昇圧回路１８では、ダイ オードＤ　及びＤ６の陽極が端子ｂ′で直流リンクに接続されており、ダイオー ドＤ　及びＤ８の陰極が端子ａ′で両波ブリッジ整流器１０に接続されている。

各々の昇圧回路では、直列共振回路が、ダイオードＤ５及びＤ６を結んでいる接 続点と、ダイオードＤ７及びＤ８を結んでいる接続点との間に接続されている。

更に、共振回路が昇圧変圧器Ｔ、の２次側にあるものとして示されているが、こ の代わりに、当業者であれば判るように、共振回路を１次側に設けてもよい。

出力昇圧回路１６及び１８を直列共振回路を含んでいるものとして示したが、本 発明の利点はこの他の共振回路形式を用いても実現できることを承知されたい。

例えば、第３Ａ図に示すように、並列共振回路形式を用いてもよい。

この場合、共振キャパシタＣが、第２図に示すように直列ではなく、共振誘導子 Ｌ　及び昇圧変圧器の２次巻線の直列の組合わせと並列になっている。他の例と して、第３Ｂ図に示すように、直並列組合わせの共振回路を用いてもよい。この 場合、共振誘導子し　、共振キャパシタＣ１及び昇圧変圧器Ｔ、の２次巻線の直 列の組合わせと並列に、他のキャパシタＣが接続されている。この場合にも、共 「ｒ 振回路の部品は、希望により、昇圧変圧器Ｔ、の１次側又は２次側のいずれに設 けてもよいことを承知されたい。

第３Ｃ図は出力昇圧回路１６及び１８の更に他の実施例を示す。ここでは、中心 タップ付きの昇圧変圧器の２次巻線が、ダイオードＤ　及びＤｌｏで構成されて いる中心タラプ付き両波昇圧整流器に接続されている。例示のために、直並列組 合わせ共振回路が示されており、キャパシタＣ４及び誘導子Ｌ　が昇圧変圧器の １次側の端子Ｃ及びｄの間「 にあり、キャパシタＣが昇圧変圧器の２次側にある。

ｔ 第２図に示すように、出力変圧器Ｔ　の１次巻線２４が、完全ブリッジ変換器の それぞれの枝路のスイッチング装置Ｑ　及びＣ２を結んでいる接続点と、スイッ チング装置Ｑ３及びＣ４を結んでいる接続点との間に接続されている。

変圧器Ｔ　の２次巻線２５のそれぞれの端子は、ダイオードＤ　及びＤ１２の陽 極に接続されている。ダイオードＤ１１及びＤＩ２の陰極は、出力フィルタ誘導 子り。及び出力フィルタキャパシタＣに接続されている。調整済み直流出力電圧 Ｅ　がキャパシタＣの両端に発生される。

ｏｎ　Ｑ 昇圧電圧Ｖ　及びｖａ’　ｂ’は、昇圧変圧器Ｔ、によって共！ｂ 振回路及び負荷の両端に発生される第１の交流信号を介して、完全ブリッジ変換 器のスイッチング装ｆｆ１Ｑ、〜Ｑ４のスイッチング周波数により制御され、直 流出力電圧Ｅ。Ｕｌは、変圧器Ｔ　の両端に発生される第２の交流信号のパルス 幅変調（ＰＷＭ）により、即ち変換器ブリッジの２つの枝路の相互の移相により 制御される。完全ブリッジ変換器の枝路の移相は、昇圧変圧器Ｔ、に印加される 電圧に影響しないから、昇圧電圧■　及び■ａ’ｂ’は出力電圧Ｅ。ｏｆにｂ は無関係である。その結果、出力昇圧回路１６及び１８、並びに出力電圧Ｅ。ｏ ｆに対し、速い過渡的な応答を同時に達成することができる。

本発明の電力変換器の適当な制御作用が、１９８７年２月１０日に付与されたス タイガバルド及びコルンルンプの米国特許番号第４６４２７４５号に記載されて いる。この傘 特許には、指令された直流出力電圧Ｅ　と実際の直流ａｔ 出力電圧Ｅ。□との間に誤差が検出されたときには、いつでもインバータ出力信 号のデユーティサイクルを調節することにより、調整済み直流出力電圧Ｅ０，１ を制御するＰＷＭ制御が記載されている。更に、この特許には、変換器の実際の 入力電流を公益線路電圧と同相の指令電流と比較する能動形層波数制御が記載さ れている。差があれば、各々の出力昇圧回路を制御する周波数調節が行われる。

出力昇圧回路１６及び１８と、本発明の出力電圧Ｅ。ｕｌ　とが完全に減結合で あるため、この米国特許の制御方式を用いて直流出力電圧を調節しても、本発明 の倍電圧整流器に対する入力電流に対する影響が無視し得ることが有利である。

前に引用した米国特許出願番号第６５２８３　］、号の高力率電源と同様に、交 流線路電流の能動制御をしなくても、本発明の倍電圧整流器は、共振回路の好ま しい利得特性のために、比較的高い力率及び低いピーク交流線路電流で動作する ことが有利である。そのため、米国特許番号第４６４２７４２号の周波数側ｍ部 は、米国特許出願番号第６５２８３１号に記載されているように省略され、こう して高調波線路電洸が幾分大きくなることが許容できれば、倍電圧器の制御を簡 単にすることができる。

もう１つの利点として、整流器と直々変換器との間に出力昇圧回路を直列接続し た結果として、出力昇圧回路のピーク電力定格が、直流リンクＥ、に送出される 全電力より小さく、別個の前側変換器を必要とせずに、高力率の倍電圧作用が達 成される。即ち、従来の高力率方式におけるように、全電力を変換するための別 個の前側変換器を必要としない。

本発明の好ましい実施例を図示し記載したが、これらの実施例は例として挙げた に過ぎないことは言うまでもない。

当業者には、本発明の範囲内で種々の変更が考えられよう。

従って、本発明は請求の範囲の記載のみにより限定されることを承知されたい。

国ａｔ１審親牛

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. １．直流出力電圧を発生する高力率倍電圧整流器であって、 交流電力線路に接続されたときに整流された交流電圧を発生する完全ブリッジ形 式の二対の直列接続されたダイオードを含んでおり、陰極と陽極とを含んでいる 整流器と、前記直流出力電圧と共通電位との間に接続されており、第１及び第２ の出力昇圧回路と誘導結合されている直々変換器手段と、 それぞれの間に接続点を有して直列に接続されている一対のフィルタキャパシタ と、 前記二対のうちの一方のダイオードを結んでいる接続点と、前記フィルタキャパ シタを結んでいる接続点との間に接続されており、比較的低い入力交流線路電圧 に対して倍電圧モードでの動作を可能にすべく閉じていると共に、比較的高い入 力交流線路電圧に対して低昇圧モードでの動作を可能にすべく開いているスイッ チ手段とを備えており、前記第１の出力昇圧回路は、前記整流器の陰極と前記直 流出力電圧との間に直列に接続されており、前記第２の出力昇圧回路は、前記整 流器の陽極と前記共通電位との間に前記第１の出力昇圧回路とは反対の極性で直 列に接続されており、前記フィルタキャパシタの直列の組合わせは、前記直流出 力電圧と前記共通電位との間に接続されており、前記出力直流電圧は、前記動作 モードの両方でほぼ同じ範囲内に椎持されている高力率倍電圧整流器。
2. ２．前記第１及び第２の出力昇圧回路の各々は、共振キャパシタと共振誘導子と を含んでいる共振回路を備えており、前記第１及び第２の出力昇圧回路の各々は 、前記直々変換器手段に接続する昇圧変圧器を含んでいる請求項１に記載の高力 率倍電圧整流器。
3. ３．前記共振回路の各々は直列共振回路を含んでおり、前記共振キャパシタは、 前記共振誘導子と直列に接続されている請求項２に記載の高力率倍電圧整流器。
4. ４．前記共振回路の各々は並列共振回路を含んでおり、前記共振キャパシタは、 前記共振誘導子及び前記昇圧変圧器の直列の組合わせと並列に接続されている請 求項２に記載の高力率倍電圧整流器。
5. ５．前記共振回路の各々は直並列組合わせ共振回路を含んでおり、該直並列組合 わせ共振回路は、前記共振キャパシタ、前記共振誘導子及び前記昇圧変圧器の直 列の組合わせと並列に接続されている他の共振キャパシタを含んでいる請求項２ に記載の高力率倍電圧整流器。
6. ６．前記直々変換器手段は更に、 前記直流出力電圧と前記共通電位との間に結合されており、前記出力昇圧回路を 励振する第１の交流信号と、更に第２の交流信号とを発生するインバータと、前 記第２の交流信号を受け取ると共に、該第２の交流信号から第２の調整済み直流 出力電圧を発生する出力整流器と、 前記インバータに接続されており、前記第２の交流信号をパルス幅変調すること により前記第２の調整済み直流出力電圧の振幅を制御するパルス幅変調手段とを 含んでいる請求項１に記載の高力率倍電圧整流器。
7. ７．前記直々変換器手段が前記交流電力線路から該電力線路の電圧と同相のほぼ 正弦状電流を取り出すように、前記第１の交流信号の周波数を制御する周波数変 調手段を更に含んでいる請求項１に記載の高力率倍電圧整流器。