(57)【要約】【課題】各セルの入力電流がバランスするカスケードマルチセル型ＤＣ／ＤＣコンバータの変調方法を提供する。【解決手段】二つのトランス駆動手段が正電圧５０％、負電圧５０％を出力し、かつ同相である状態を変調度１とし、変調度を下げるための第一の手順として、第一のトランス駆動手段が出力する正電圧のデューティをゼロまで減らすと同時に、第二のトランス駆動手段が出力する負電圧のデューティをゼロまで減らし、変調度を下げるための第二の手順として、第一のトランス駆動手段の位相と第二のトランス駆動手段の位相を同相から逆相にすることで課題を解決する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数個のトランスと、
前記トランスの各々の一次巻線に正電圧、負電圧、ゼロ電圧を与えるトランス駆動手段と、
前記トランスの全ての二次巻線を直列接続した直列回路に接続された整流平滑回路と、
を有する回路の変調方法であって、
全ての前記トランス駆動手段が最大正電圧デューティと最大負電圧デューティを出力し、かつ同相である状態を変調度が最も大きい状態とし、
前記トランス駆動手段を二つ一組として、
前記一組の前記トランス駆動手段の一方の正電圧のデューティをゼロまで減らすと同時に、前記一組の前記トランス駆動手段の他方の負電圧のデューティをゼロまで減らすことを、前記変調度を下げるための第一の手順とし、
前記一組の前記トランス駆動手段の一方の位相と前記一組の前記トランス駆動手段の他方の位相を同相から逆相までずらすことを、前記変調度を下げるための第二の手順とし、
前記第一の手順において正電圧のデューティを減らす量と負電圧のデューティを減らす量を等しくし、
前記変調度を下げるために、前記第一の手順と前記第二の手順を全ての前記トランス駆動手段に順次適用する変調方法。
【請求項２】
前記複数個のトランスは、偶数個である請求項１記載の変調方法。
【請求項３】
前記各トランス駆動手段と前記各トランスの間、もしくは前記二次巻線の直列回路と前記整流平滑回路の間に、共振回路を有する請求項１、請求項２のいずれかに記載の変調方法。
【請求項４】
請求項１、請求項２、請求項３のいずれか１項に記載の変調方法を用いた回路。
【請求項５】
前記各トランス駆動手段がカスケードマルチセル型力率改善コンバータの負荷として接続されている請求項４記載の回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は複数個のトランスを有し、これらのトランスの二次巻線を直列接続し、この直列回路に整流平滑回路を接続する構成のマルチレベルコンバータに用いる変調方法、及び、この変調方法を用いた回路に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
カスケードマルチセル型力率改善コンバータの負荷として用いられるマルチレベルＤＣ／ＤＣコンバータが特許文献１で開示されている。図３にこの方式の回路図を示す。１０はカスケードマルチセル型力率改善コンバータであり、二つの回路ブロック１３の入力が直列接続され、この直列回路に交流電源１１とチョーク１２の直列回路が接続されている。回路ブロック１３の中ではダイオード２１、ダイオード２２、ＭＯＳＦＥＴ３１、ＭＯＳＦＥＴ３２がブリッジ接続されており、このブリッジの直流出力にコンデンサ４１が接続されている。
【０００３】
図３のカスケードマルチセル型力率改善コンバータ１０以外はマルチレベルＤＣ／ＤＣコンバータである。ＭＯＳＦＥＴ３３、ＭＯＳＦＥＴ３４、ＭＯＳＦＥＴ３５、ＭＯＳＦＥＴ３６がブリッジ接続されてトランス駆動手段１４を構成している。二つのトランス駆動手段１４の直流入力はカスケードマルチセル型力率改善コンバータ１０の出力にそれぞれ接続されており、交流出力にはトランス１５の一次巻線とコンデンサ４３の直列回路およびトランス１６の一次巻線とコンデンサ４４の直列回路が接続されている。トランス１５の二次巻線とトランス１６の二次巻線は直列接続され、この直列回路がダイオード２３、ダイオード２４、ダイオード２５、ダイオード２６からなる整流回路に接続され、この整流回路の出力にチョーク１７、コンデンサ４２からなる平滑回路が接続されている。平滑回路の出力には負荷１８が接続されている。
【０００４】
なおコンデンサ４３とコンデンサ４４は特許文献１では図示されていないが、トランス駆動手段１４が出力するパルス電圧に直流成分が含まれる場合に、その直流成分を除去する役割がある。
【０００５】
このマルチレベルＤＣ／ＤＣコンバータはトランス駆動手段１４によってトランス１５，１６の一次巻線にパルス電圧が印加され、その電圧が巻数比変換されたうえで二次巻線の直列回路によって加算されることでマルチレベル変換を可能にしている。
したがってトランス駆動手段は２個に限定されているわけではなく、２個以上の任意の数にすることができる。また、これまでの説明ではスイッチ素子としてＭＯＳＦＥＴを使う例を挙げたが、ＩＧＢＴと逆並列ダイオードの並列回路を使っても、全く同様の効果を奏する。
【０００６】
このマルチレベルＤＣ／ＤＣコンバータの変調方法を本願発明者が発明し、特許出願（特願２０１６−１７７５８５）をした。トランスの数が偶数の場合の変調方法が図４であり、トランス２個のペアに対して図４の変調方法を順次適用していく。
図４の左上が変調度１の状態であり、矢印に沿ってトランス駆動手段の出力電圧波形を変えていくにしたがって変調度が下がっていき、右下で変調度が０となる。このようにすることで各トランスの励磁電流をゼロにすることなく変調度を変えられるため、この励磁電流を使ってＭＯＳＦＥＴの出力容量を放電してゼロ電圧スイッチングを実現できるメリットがある。
【０００７】
この先行特許出願記載の変調方法を適用する回路は図３に限定されているわけではなく、図５の回路に適用してもよい。図３でコンデンサ４３とコンデンサ４４の電圧が十分小さければ、各トランス駆動手段の出力電圧が巻数比変換された電圧の和が二次巻線直列回路に現れると考えてよい。これに対して図５ではトランス駆動手段とトランス一次巻線の間に共振回路２０が挿入されているので、この関係は成り立たない。しかしながらトランス駆動手段１４の出力電圧が高くなれば、共振回路２０に印加される電圧が高くなって、より多くの電力が共振回路を通過する。したがって変調度を上げれば出力電力が増えるという関係は変わらない。この事から前記先行特許出願記載の変調方法を図５の回路に適用することが可能である。
【０００８】
しかしながら前記先行特許出願記載の変調方法には各トランス駆動手段の入力電流がバランスしない問題がある。バランスしないのは各トランス駆動手段に入力電流が流れる機会が均等に与えられていないためである。トランス駆動手段に入力電流が流れるのはトランス駆動手段の出力電圧がゼロでない時であるが、その時間が特許文献２の変調方法では均等になっていないために、入力電流が異なる値となってしまう。
具体例として、図５の回路に前記先行特許出願記載の変調方法を適用した場合の各トランス駆動手段の入力電流波形を図６に示す。この例では入力電流波形の平均値が２．２１Ａと２６．９Ａとなっており、１０倍以上の差がついている。このように極端な差が生じてしまうと、カスケードマルチセル型力率改善コンバータ側の調整能力を超えてしまうため、各トランス駆動手段の入力電圧をバランスさせられない問題があった。
【０００９】
【特許文献１】国際公開第２０１６／０３１０６１号
【発明の概要】
【００１０】
本発明はトランスの二次巻線を直列接続するタイプのマルチレベルコンバータにおいて、各トランス駆動手段の入力電流をバランスさせる具体的な変調方法を開示するものである。
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
特許文献１で開示されているトランスの二次巻線を直列接続するタイプのマルチレベルコンバータは、二次巻線の直列回路に現れる電圧をマルチレベルにすることができるが、特許文献１にその具体的な変調方法についての記述がない。
前記先行特許出願（特願２０１６−１７７５８５）には具体的な変調方法が記述されているが、この変調方法では各トランス駆動手段の入力電流が全く異なる値となる場合があり、カスケードマルチセル型力率改善コンバータ側の調整能力を超えてしまう問題があった。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の変調方法はトランス駆動手段の数が複数である場合に適用され、
複数個のトランスと、
前記トランスの各々の一次巻線に正電圧、負電圧、ゼロ電圧を与えるトランス駆動手段と、
前記トランスの全ての二次巻線を直列接続した直列回路に接続された整流平滑回路と、
を有する回路の変調方法であって、
全ての前記トランス駆動手段が最大正電圧デューティと最大負電圧デューティを出力し、かつ同相である状態を変調度が最も大きい状態とし、
前記トランス駆動手段を二つ一組として、
前記一組の前記トランス駆動手段の一方の正電圧のデューティをゼロまで減らすと同時に、前記一組の前記トランス駆動手段の他方の負電圧のデューティをゼロまで減らすことを、前記変調度を下げるための第一の手順とし、
前記一組の前記トランス駆動手段の一方の位相と前記一組の前記トランス駆動手段の他方の位相を同相から逆相までずらすことを、前記変調度を下げるための第二の手順とし、
前記第一の手順において正電圧のデューティを減らす量と負電圧のデューティを減らす量を等しくし、
前記変調度を下げるために、前記第一の手順と前記第二の手順を全ての前記トランス駆動手段に順次適用することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の変調方法には、次の効果がある。
本発明の変調方法によって、二次巻線の直列回路に現れる電圧をマルチレベルにすることができる。これに加えて変調度がゼロになっても各トランス 一次巻線の実効値電圧がゼロにならないため無負荷でも励磁電流を確保でき、この励磁電流を使ってＭＯＳＦＥＴをゼロ電圧スイッチングさせることができる。
【００１４】
さらに、各トランス駆動手段の入力電流を等しくすることができる。このためカスケードマルチセル型力率改善コンバータの負荷としてマルチレベルＤＣ／ＤＣコンバータを接続した場合でも、各トランス駆動手段の入力電圧をバランスさせられるメリットがある。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は本発明の変調方法の実施例である。
【図２】図２は本発明の変調方法においてトランス駆動手段の数が二つである場合に、変調度を下げるにしたがって各トランス駆動手段の波形をどのように変化させるかを説明した図である。
【図３】図３はカスケードマルチセル型力率改善コンバータと、その負荷であるマルチレベルＤＣ／ＤＣコンバータの回路図である。
【図４】図４は従来の変調方法においてトランス駆動手段の数が二つである場合に、変調度を下げるにしたがって各トランス駆動手段の波形をどのように変化させるかを説明した図である。
【図５】図５は図３のマルチレベルＤＣ／ＤＣコンバータの別の実施例である。
【図６】図６は従来の変調方法における各トランス駆動手段の出力電圧と入力電流の波形である。
【図７】図７は本発明の変調方法における各トランス駆動手段の出力電圧と入力電流の波形である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明を実施するための形態は、以下の好ましい実施例の説明を添付図面と照らし合わせて読むと、明らかである。但し、図面はもっぱら解説のためのものであって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。
【００１７】
トランス二次巻線直列回路の実効値電圧が最大になる状態を変調度１、最小になる状態を変調度０とする。変調度１は全てのトランス駆動手段が正電圧５０％、負電圧５０％を出力し、かつ同相である状態であり、変調度０はトランス二次巻線直列回路の電圧がゼロになる状態である。
【実施例１】
【００１８】
（実施例１の構成）
本発明の変調方法の第一の実施例は、図１に示す様に補償器３の入力に目標電圧生成手段１の出力と出力電圧検出手段２の出力を接続し、変調手段４の入力に補償器３の出力を接続し、変調手段４の出力にデューティ設定手段５−１〜５−ｎの入力と位相シフト量設定手段６−１〜６−ｎの入力をトランスの数だけ接続し、各デューティ設定手段５−１〜５−ｎの出力と各位相シフト量設定手段６−１〜６−ｎの出力を各トランス駆動手段７−１〜７−ｎの入力に接続し、各トランス駆動手段７−１〜７−ｎの出力を各トランス８ −１〜８−ｎに接続している。
実施例１ではトランス駆動手段の数が偶数であるとする。
【００１９】
ここで図３のトランス駆動手段１４は図１のトランス駆動手段７の一部であり、図１のトランス駆動手段７はこれ以外にＭＯＳＦＥＴの駆動回路や駆動信号生成手段を含むものとする。
【００２０】
（実施例１の動作）
このように構成された実施例１の変調方法において、補償器３とは位相補償をする手段であり、積分器やＰＩ補償器、ＰＩＤ補償器などが使われる。アナログ回路の場合はオペアンプと抵抗、コンデンサを使って構成する誤差増幅回路が使われる。したがって補償器３の出力は変調度を表す信号となる。
【００２１】
次にトランスが２個の場合における変調手段４の動作を、図２を使って説明する。この図は変調度を１から下げるときに１番目のトランス駆動手段７−１の出力と２番目のトランス駆動手段７−２の出力をどのように変化させていくのかを表したものである。図２の左上が変調度１であり、以下矢印に沿って変調度が下がっていき、左下が変調度０となる。
【００２２】
変調度を１から下げるときは、先ず１番目のトランス駆動手段７−１の正電圧デューティを５０％から０％まで下げていくと同時に、２番目のトランス駆動手段７−２の負電圧デューティを５０％から０％まで下げていく。図２の上段右は正電圧デューティと負電圧デューティを３１．２５％に減らした状態を表している。この変調によりトランス二次巻線直列回路の電圧は、最大電圧を１として、１のデューティが減って１／２のデューティが増え、実効値電圧が下がっていく。
【００２３】
１番目のトランス駆動手段７−１の正電圧デューティと２番目のトランス駆動手段７−２の負電圧デューティが０％に達すると、図２の中段右となる。この時トランス二次巻線直列回路の電圧は、全て１／２のデューティとなる。
【００２４】
ここからさらに変調度を下げるために、１番目のトランス駆動手段７−１と２番目のトランス駆動手段７−２の位相を同相から逆相までずらしていく。図２の中段左は位相をずらしている途中を表している。この変調によりトランス二次巻線直列回路の電圧は、最大電圧を１として、１／２のデューティが減って０／２のデューティが増え、実効値電圧が下がっていく。
【００２５】
図２の下段左は完全に逆相になった状態を表している。この時トランス二次巻線直列回路の電圧は全て０／２のデューティとなり、変調度が０となる。
【００２６】
以上はトランスが２個の場合の説明だが、例えばトランスが４個の場合は続けて３番目のトランス駆動手段７−３と４番目のトランス駆動手段７−４に対して同じ変調方法を適用していけばよく、最終的に３番目のトランス駆動手段７−３の出力と４番目のトランス駆動手段７−４の出力が逆相となって、トランス二次巻線直列回路の電圧がゼロになる。
以上の考え方を拡張すると、図２で説明した変調方法をトランス２個のペアに対して順次適用すれば、トランスが偶数個の全ての場合に対応できることがわかる。トランスが奇数個の場合については説明していないが、対応できることは想定できる。
【００２７】
（実施例１の効果）
次にこの変調方法のメリットを説明する。第一のメリットはＭＯＳＦＥＴをゼロ電圧スイッチングさせられることである。
変調度１から変調度０までの全ての状態で１番目のトランス駆動手段７−１と２番目のトランス駆動手段７−２の電圧時間積がゼロになることはないので、トランスの励磁電流がゼロになることはない。したがって変調度によらず、この励磁電流を利用してＭＯＳＦＥＴをゼロ電圧スイッチングさせることができる。
【００２８】
第二のメリットは各トランス駆動手段の入力電流が等しくなることである。このことを説明するために、まずトランス駆動手段に入力電流が流れない条件を説明する。
トランス駆動手段の入力電流がゼロになるのは、トランス駆動手段の出力電圧がゼロになるときである。これはＭＯＳＦＥＴ３３とＭＯＳＦＥＴ３４がオンしている時、あるいはＭＯＳＦＥＴ３５とＭＯＳＦＥＴ３６がオンしている時にトランス駆動手段に入力電流が流れないことを考えれば明らかである。
【００２９】
トランス二次巻線直列回路の電圧は、最大電圧を１として、±１、±１／２、０の三つの状態を持つ。±１のときは両方のトランス駆動手段の出力電圧がゼロではないので、両方のトランス駆動手段に入力電流が流れる。各二次巻線は直列接続されて同じ電流が流れるので、入力電流も同じである。トランス二次巻線直列回路の電圧がゼロの時は両方のトランス駆動手段の出力電圧がゼロなので、各トランス駆動手段の入力電流は等しくゼロである。
【００３０】
トランス二次巻線直列回路の電圧が±１／２のときは片方のトランス駆動手段の出力電圧がゼロで、もう片方のトランス駆動手段の出力電圧がゼロではない。したがってこの時にトランス駆動手段の入力電流が等しくなくなる。
【００３１】
図２の変調方法では各トランス駆動手段の出力電圧が対称になっており、トランス二次巻線直列回路の電圧が±１／２のときに、各トランス駆動手段に入力電流が流れる機会が均等に与えられている。
つまりトランス二次巻線直列回路の電圧が±１／２のときに、トランス駆動手段７−１の出力電圧がゼロになる時間と、トランス駆動手段７−２の出力電圧がゼロになる時間が常に等しくなっている。したがって各トランス駆動手段の入力電流が等しくなる。
【００３２】
この変調方法を適用した具体例として、図７の回路に適用した場合の各トランス駆動手段の出力電圧波形と入力電流波形を図９に示す。各トランス駆動手段の入力電流波形が等しくなっていることがわかる。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明は複数トランスの二次巻線を直列接続した直列回路に整流平滑回路を接続する構成のマルチレベルコンバータに適用できる変調方法であり、全ての変調度でトランスの励磁電流を確保できることから、ＭＯＳＦＥＴのゼロ電圧スイッチングを実現でき、スイッチング損失、スイッチングノイズを低減できるため産業上の利用可能性が高い。
加えて各トランス駆動手段の入力電流を等しくすることができるため、カスケードマルチセル型力率改善コンバータの負荷として上記のマルチレベルコンバータを使用することができる。
【符号の説明】
【００３４】
１                目標電圧生成手段
２                出力電圧検出手段
３                補償器
４                変調手段
５−１〜５−ｎ    デューティ設定手段
６−１〜６−ｎ    位相シフト量設定手段
７−１〜７−ｎ    トランス駆動手段
８−１〜８−ｎ    トランス
１０              カスケードマルチセル型力率改善コンバータ
１１              交流電源
１２              チョーク
１３              回路ブロック
１４              トランス駆動手段
１５、１６        トランス
１７              チョーク
１８              負荷
２０              共振回路
２１〜２６        ダイオード
３１〜３６        ＭＯＳＦＥＴ
４１〜４４        コンデンサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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