(57)【要約】【課題】高品質で大電力が供給できる交流電源装置を提供する。【解決手段】高耐圧かつ大電力が供給できるが低速でしかスイッチングできないスイッチング素子による低速インバータ手段による高電圧かつ大電力の交流電圧出力と、低耐圧かつ小電力しか供給できないが高速でスイッチングできるスイッチング素子による高速インバータ手段による低電圧かつ小電力ではあるが高品質な交流電圧波形の交流電圧出力を直列に接続し、高速インバータ手段は負荷への交流電圧出力により帰還制御し、低速インバータ手段は当該インバータ手段の交流電圧出力により帰還制御する回路方式により高品質で大電力が供給できる交流電源装置を安価に提供できる。【選択図】　　　　図１
2004088968.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
共通の交流基準電圧源が接続された高速スイッチングインバータ手段と低速スイッチングインバータ手段により構成される交流電源装置において、
それぞれのインバータ手段の交流電圧出力を直列に接続して当該交流電源装置の負荷への交流電圧出力とし、
高速スイッチングインバータ手段は低速インバータ手段よりも低電圧かつ小電力の交流電圧波形を生成する回路構成として当該交流電源装置の負荷出力段の交流電圧出力により帰還制御され、
低速スイッチングインバータ手段は該インバータ手段の交流電圧出力により帰還制御されることを特徴とする交流電源の制御方式及び交流電源装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】本発明はインバータ方式交流電源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】所定の電圧及び周波数により高品質の交流電圧を供給する交流電源装置には電力増幅器やリニア増幅器などと称される方式と、ＰＷＭスイッチングインバータに代表されるインバータ方式があるが、装置価格面からはインバータ方式による交流電源装置が広く用いられている。
【０００３】インバータ方式の交流電源装置では、装置内部の直流電源出力をパワーＭＯＳ−ＦＥＴやＩＧＢＴなどの電力制御素子によるフルブリッジ回路やハーフブリッジ回路によって高周波スイッチングを行った後、平滑化フィルタにより所定周波数の交流電圧に変換する方式が広くおこなわれており、制御誤差電圧に比例してスイッチングパルス幅を制御することにより目的とする交流出力電圧を得るために、電力損失が少なく極めて高い電力変換効率が得られる反面スイッチングされた矩形波電圧をインダクタ及びコンデンサで構成される平滑化回路により交流出力電圧に変化させることから出力電圧波形歪みやリップルノイズの抑制には限界があり、また平滑化フィルタ手段の周波数応答特性の問題から急激な負荷変動に対する高速応答性が制限されることから交流電圧波形歪みを如何に低減するかが問題となっている。
【０００４】特開平８―１６８２６７号広報ではＰＷＭスイッチングインバータ方式交流電源装置での電圧波形歪みを低減するために出力電圧のローパスフィルタのＱ値を低減する手段をもうけることにより、制御誤差電圧の周波数応答特性を改善し瞬間的な負荷変動に対しても高速に追従できる高品質な交流電圧が得られるとしている。
【０００５】また、パワーＭＯＳ−ＦＥＴやバイポーラトランジスタは高速スイッチング可能であることから、電圧波形歪みの少ない交流電力を供給できるものの、高速スイッチング時の電流容量が小さいことから、大電力の供給には適しておらず装置自体を並列同期運転する必要があり、一方ＩＧＢＴ素子などの高耐圧かつ大電力を供給できる素子は低周波でのスイッチングしか出来ないためにスイッチングインバータ方式による交流電圧生成において各種の負荷変動に対して交流電圧波形歪みの少ない高品質交流電力供給には適さない欠点がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】以上のべたように、従来のインバータ方式による交流電源装置では高品質の出力電圧を得るためには高周波スイッチングが必須であるが高速スイッチング素子の高周波スイッチング時の電流容量の制約から、大電力供給には複数の交流電源生成手段を並列同期運転することが必須となり、結果として装置の高価格化をまねく問題がある。本発明では、低周波スイッチングインバータによる高電圧かつ大電力の交流電圧生成手段と、高周波スイッチングインバータによる低電圧かつ小電力の交流電圧出力を直列に接続し、低周波スイッチングインバータにより生成される交流電圧波形に含まれるリップルノイズや交流電圧波形歪みを高周波スイッチングインバータにより補償する回路制御方法により、高品質で大電力を供給できる交流電源装置を安価に提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するために、低速インバータ手段はＩＧＢＴ素子などの高耐圧かつ大電力を供給できるスイッチング素子によりリップルノイズや交流電圧波形歪みはあるものの高電圧かつ大電力の交流電圧波形を生成させ、高速インバータ手段はパワーＭＯＳ−ＦＥＴやバイポーラトランジスタなどの低耐圧かつ小電力しか供給できないものの極めて高速にスイッチングできるスイッチング素子により低電圧かつ小電力ではあるがリップルノイズや交流電圧波形歪みの少ない交流電圧波形を生成させる。
【０００８】低速インバータ手段と高速インバータ手段の交流電圧出力は直列に接続されて本発明による交流電源装置の負荷出力となり、低速インバータ手段は当該インバータ手段の交流電圧出力波形と低速・高速インバータ手段制御回路に共通に接続された交流基準電源による交流電圧出力波形との制御誤差信号により帰還制御され高電圧かつ大電力の交流電圧を生成し、高速インバータ手段は本発明による交流電源装置の負荷出力部での交流電圧出力波形と前述の交流基準電圧源による交流電圧波形との制御誤差信号により帰還制御されて低電圧かつ小電力ではあるもののリップルノイズや負荷急変時の交流電圧波形歪みを含まない高品質の交流電圧を生成させることにより、従来の交流電源装置では並列同期運転でしか対応できなかった大電力かつ高品質の交流電圧供給が本発明では単一の装置で実現できる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下に本発明による実施の形態を図を参照しながら説明する。
【００１０】
【実施例】図１は本発明の１実施例での概略ブロック図である。
【００１１】インバータ手段１はＩＧＢＴなどの高耐圧かつ大電力の低速スイッチング素子によるフルブリッジ回路と、インダクタンスＬＨａ・ＬＨｂ及びコンデンサＣＨ・抵抗ＲＨによる平滑化回路により構成され、インバータ手段２の直流電圧源ＶｄｃＬよりも高電圧である直流電圧源ＶｄｃＨにより供給される直流電圧をスイッチ素子Ｘａ・Ｘｄとスイッチ素子Ｘｂ・Ｘｃが低速ＰＷＭ制御回路５により相補的にスイチングされて交流電圧を生成する。ここで低速ＰＷＭ制御回路５は交流基準電圧源７とインバータ手段１の交流電圧出力３との制御誤差が最小になるようにスイッチング素子Ｘａ・Ｘｄ及びスイチング素子Ｘｃ・Ｘｂのゲート駆動信号Ｇａ・Ｇｄ及びＧｂ・Ｇｃのスイッチングパルス幅を変化させることにより交流電圧出力３と交流基準電圧源７との制御誤差が最小になるように位相補償回路などの公知の回路方式を用いて帰還制御する。
【００１２】インバータ手段２はバイポーラトランジスタなどの低耐圧かつ小電力ではあるが高速応答が可能なスイッチング素子によるフルブリッジ回路と、インダクタンスＬＬａ・ＬＬｂ及びコンデンサＣＬ・抵抗ＲＬによる平滑化回路により構成され、インバータ手段１の直流電圧源ＶｄｃＨよりも低電圧である直流電圧源ＶｄｃＬにより供給される直流電圧をスイッチ素子Ｑ１・Ｑ４及びＱ２・Ｑ３が高速ＰＷＭ制御回路６により相補的にスイッチングされて交流電圧を生成する。ここで高速ＰＷＭ制御回路６はインバータ手段１により生成される交流電圧出力とインバータ手段２の交流電圧出力が直列に接続されてコンデンサＣと抵抗Ｒにより構成された本発明による交流電源装置の負荷出力８への交流電圧出力４と交流基準電圧源７との制御誤差が最小になるようにスイッチング素子Ｑ１・Ｑ４及びＱ２・Ｑ３のゲート駆動信号Ｇ１・Ｇ４及びＧ２・Ｇ３のスイッチングパルス幅を変化させることにより負荷８への交流電圧出力４と交流基準電圧源７との制御誤差が最小になるように位相補償回路などの公知の回路方式を用いて帰還制御する。
【００１３】なお、図１ではインバータ手段１及び２ともにフルブリッジ回路で構成されているが、インバータ手段の回路構成についてはこの構成のみに限定されるものではなく、図２に示す実施例ではインバータ手段２をハーフブリッジ回路で構成し、図３に示す実施例ではインバータ手段１をハーフブリッジ回路で構成し、図４に示す実施例ではインバータ手段１及びインバータ手段２ともにハーフブリッジ回路で構成しているが、いずれの実施例も低速ＰＷＭ制御回路５により制御されるインバータ手段１は当該インバータ手段の交流電圧出力３により帰還制御され、高速ＰＷＭ制御回路６により制御されるインバータ手段２は負荷出力８での交流電圧出力４により帰還制御される。
【００１４】ここで、低速ＰＷＭ制御回路５のスイッチング周波数を２０ＫＨｚ、高速ＰＷＭ制御回路６のスイッチング周波数を２００ＫＨｚとし、低速ＰＷＭ制御回路５により制御されるインバータ手段１の直流電源ＶｄｃＨの電圧値を５００Ｖ、インダクタンスＬＨａ・ＬＨｂの容量を２５０μＨとし、高速ＰＷＭ制御回路６により制御されるインバータ手段２の直流電源ＶｄｃＬの電圧値を５０Ｖ、インダクタンスＬＬａ・ＬＬｂの容量を１０μＨとした図１に示す実施例での回路構成において、交流基準電源７による交流電圧を±１０Ｖ、５００Ｈｚとした場合での各部のシミュレーション波形を図５から図１１を参照しながら説明する。
【００１５】図５に示す波形は交流基準電圧源７の出力波形であり、±１０Ｖ・５００Ｈｚの正弦波電圧波形である。図６に示す波形は低速側ＰＷＭ制御回路５内部での制御誤差比較回路での電圧波形であり、図７には前述の誤差比較回路により発生させたスイッチ素子Ｘａのゲート駆動信号Ｇａの電圧波形を示している。
【００１６】図８はインバータ手段１による交流電圧出力３の電圧波形であるが、低速ＰＷＭ制御回路５のスイッチング周波数が２０ＫＨｚと低いことから、リップルノイズ及び交流電圧波形歪みを含んだ交流電圧波形となっている。
【００１７】図９の上段波形はインバータ手段１による交流電圧出力３と交流基準電圧源７による制御目標とする理想的な交流電圧出力との差の電圧を拡大表示した波形、すなわちインバータ手段１による交流電圧出力３の誤差電圧波形であり、図９の下段波形はインバータ手段２の生成する交流電圧出力と交流基準電圧源７による制御目標とする理想的な交流電圧出力との差の電圧を拡大表示した波形であり、インバータ手段１の生成するリップルノイズや交流電圧波形歪みを含んだ交流電圧出力の誤差電圧に対してインバータ手段２の生成する交流電圧出力が逆位相でほぼ同一の誤差電圧波形となっていることを示している。
【００１８】図１０は負荷８での交流電圧出力波形であり、図１１には負荷８での交流電圧出力と交流基準電圧源７による制御目標とする交流電圧出力との差の電圧を拡大表示した波形、すなわち本発明による交流電電装置の交流電圧出力の誤差電圧波形でありリップルノイズ及び交流電圧波形歪みの少ない高品質な交流電圧波形が得られている。
【００１９】以上のべてきたように、本発明による回路方式ではＩＧＢＴなどの高耐圧かつ大電力に耐えうるが低速でしかスイッチング出来ないスイッチング素子による低速インバータ手段によりリップルノイズや交流電圧波形歪みは含まれるものの高電圧かつ大電力の交流電圧波形を生成させ、この低速インバータ手段により生成された交流電圧出力と低耐圧かつ小電力にしか耐えないが高速でスイッチングできるバイポーラトランジスタなどにより構成される高速インバータ手段により生成される低電圧かつ小電力ではあるが高速スイッチングによりリップルノイズや急激な負荷条件変動に対する交流電圧波形歪みなどに追従しうる高速インバータ手段による交流電圧出力を直列に接続して負荷に接続し、低速インバータ手段は当該インバータ手段の交流電圧出力により帰還制御し、高速インバータ手段は負荷出力での交流電圧出力により帰還制御することにより単一の交流電源装置でありながらリップルノイズや負荷変動に対する交流電圧波形歪みの少ない高品質かつ大電力の交流電圧を供給できる特徴がある。
【００２０】また、低速インバータ手段に使用するスイッチング素子は高耐圧かつ大電力が供給可能なスイッチング素子であればよく、低速スイッチングによるリップルノイズの発生や負荷急変時の交流電圧波形歪みを考慮する必要が無いことからより安価なスイッチング素子を選択でき、同様に高速インバータ手段に使用するスイッチング素子も低速インバータ手段が生成する高電圧かつ大電力の交流電圧出力のリップルノイズや負荷急変時の交流電圧波形歪みを補償するだけの低電圧かつ小電力の交流電圧を生成できるスイッチング素子であればよく低速インバータ手段でのスイッチング素子の選定と同様に、より安価なスイッチング素子を選択可能となるために、従来技術では複数の交流電源装置を並列同期運転するしか無かった高品質で大電力を供給できる交流電源装置を本発明による回路方式を用いれば単一の装置で実現できる。
【００２１】以上、本発明での実施の形態について述べてきたが、本発明は上述した実施の形態のみに限定されるものではなく、一方のスイッチングインバータ手段をフルブリッジやハーフブリッジ以外の公知のインバータ手段を用いた構成としても、負荷への交流電圧出力により帰還制御されるインバータ手段２が、インバータ手段１にたいして高速スイッチングであり、かつインバータ手段１の生成する交流電圧に対して低電圧かつ小電力であり、インバータ手段１とインバータ手段２の交流電圧出力が直列に接続されて負荷への交流電圧出力となる本発明の回路方式であれば前述の実施例と同様な効果が得られることはいうまでもない。
【００２２】
【発明の効果】
【００２３】ＩＧＢＴ等の高耐圧かつ大電力が供給できるが低速スイッチングしかできないスイッチング素子による低速インバータ手段により高電圧かつ大電力の交流電圧出力と、高速スイッチングができるが低耐圧かつ小電力しか供給できない高速インバータ手段による低電圧かつ小電力の交流電圧出力を直列に接続して負荷に供給し、低速インバータ手段は当該インバータ手段の生成する交流電圧出力により帰還制御する。
【００２４】高速インバータ手段は負荷への交流電圧出力により帰還制御され、低速インバータ手段の生成する高電圧かつ大電力の交流電圧出力が含んでいるリップルノイズや負荷急変時の交流電圧波形歪みを高速インバータ手段の生成する低電圧かつ小電力ではあるが高速スイッチングによるリップルノイズや負荷急変時の電圧波形歪みが少ない高品質な交流電圧により補償する本発明による回路方式及び交流電源装置により、従来のＰＷＭ制御スイッチングインバータでは並列同期運転によってしか対応できなかった大電力かつ高品質の交流電圧出力が単一の装置で供給可能な交流電源装置を安価に提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】請求項１に記載する本発明の交流電源装置の１実施例
【図２】第２の実施例の回路構成図
【図３】第３の実施例の回路構成図
【図４】第４の実施例の回路構成図
【図５】交流基準電圧源７の電圧波形
【図６】低速ＰＷＭ制御回路６でのコンパレータ部電圧波形
【図７】低速ＰＷＭ制御回路６のゲート信号Ｇａ出力波形
【図８】インバータ手段２の交流電圧出力波形
【図９】インバータ手段２・３の誤差電圧波形
【図１０】交流電圧出力波形
【図１１】交流電圧出力の誤差電圧波形
【符号の説明】
ＶｄｃＬ・ＶｄｃＨ　直流電圧源
ＬＬａ・ＬＬｂ・ＬＨａ・ＬＨｂ　インダクタンス
Ｃ・ＣＬ・ＣＨ　コンデンサ
Ｒ・ＲＬ・ＲＨ　抵抗
Ｑ１〜Ｑ４　　高速スイッチング素子
Ｘａ〜Ｘｄ　　低速スイッチング素子
Ｇ１〜Ｇ４・Ｇａ〜Ｇｄ　スイッチング素子ゲート信号
【図１】
2004088968.tif 000003
【図２】
2004088968.tif 000004
【図３】
2004088968.tif 000005
【図４】
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【図５】
2004088968.tif 000007
【図６】
2004088968.tif 000008
【図７】
2004088968.tif 000009
【図８】
2004088968.tif 000010
【図９】
2004088968.tif 000011
【図１０】
2004088968.tif 000012
【図１１】
2004088968.tif 000013
【手続補正書】
【提出日】平成14年12月2日(2002.12.2)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2004088968.tif 000014
【図２】
2004088968.tif 000015
【図３】
2004088968.tif 000016
【図４】
2004088968.tif 000017
【図５】
2004088968.tif 000018
【図６】
2004088968.tif 000019
【図７】
2004088968.tif 000020
【図８】
2004088968.tif 000021
【図９】
2004088968.tif 000022
【図１０】
2004088968.tif 000023
【図１１】
2004088968.tif 000024
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】インバータ手段１はＩＧＢＴなどの高耐圧かつ大電力の低速スイッチング素子によるフルブリッジ回路と、インダクタンスＬＨａ・ＬＨｂ及びコンデンサＣＨ・抵抗ＲＨによる平滑化回路により構成され、インバータ手段２の直流電圧源ＶｄｃＬよりも高電圧である直流電圧源ＶｄｃＨにより供給される直流電圧をスイッチ素子Ｘａ・Ｘｄとスイッチ素子Ｘｂ・Ｘｃが低速ＰＷＭ制御回路５により相補的にスイチングされて交流電圧を生成する。ここで低速ＰＷＭ制御回路５は交流基準電圧源７とインバータ手段１の交流電圧出力３との制御誤差が最小になるようにスイッチング素子Ｘａ・Ｘｄ及びスイチング素子Ｘｂ・Ｘｃのゲート駆動信号Ｇａ・Ｇｄ及びＧｂ・Ｇｃのスイッチングパルス幅を変化させることにより交流電圧出力３と交流基準電圧源７との制御誤差が最小になるように位相補償回路などの公知の回路方式を用いて帰還制御する。


【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１７】図９の上段波形（図９ａ）はインバータ手段１による交流電圧出力３と交流基準電圧源７による制御目標とする理想的な交流電圧出力との差の電圧を拡大表示した波形、すなわちインバータ手段１による交流電圧出力３の誤差電圧波形であり、図９の下段波形（図９ｂ）はインバータ手段２の生成する交流電圧出力と交流基準電圧源７による制御目標とする理想的な交流電圧出力との差の電圧を拡大表示した波形であり、インバータ手段１の生成するリップルノイズや交流電圧波形歪みを含んだ交流電圧出力の誤差電圧に対してインバータ手段２の生成する交流電圧出力が逆位相でほぼ同一の誤差電圧波形となっていることを示している。




【手続補正書】
【提出日】平成14年12月12日(2002.12.12)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】請求項１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１】
共通の交流基準電圧源が接続された高速スイッチングインバータ手段と低速スイッチングインバータ手段により構成される交流電源装置において、
それぞれのインバータ手段の交流電圧出力を直列に接続して当該交流電源装置の負荷への交流電圧出力とし、
高速スイッチングインバータ手段は低速インバータ手段よりも低電圧かつ小電力の交流電圧波形を生成する回路構成として当該交流電源装置の負荷出力段の交流電圧出力により帰還制御され、
低速スイッチングインバータ手段は該インバータ手段の交流電圧出力により帰還制御される回路方式の交流電源装置において、
高速インバータ手段の生成する交流電圧出力が低速インバータ手段の交流電圧出力に含まれるリップルノイズ等の交流電圧出力波形歪を補償する電圧範囲およびスイッチング周波数で動作することを特徴とする交流電源の制御方式及び交流電源装置。