(57)【要約】【課題】大電力かつ高品質の交流電圧波形を供給できる交流電源装置を単一の構成で実現する。  【解決手段】高耐圧で大電力を供給できるが低速スイッチングで交流電圧波形歪みのある交流電圧出力に直列に、低耐圧かつ小電力しか供給できないが高速スイッチング可能なインバータ回路による交流電圧出力を接続し、低速スイッチングインバータ回路は当該回路の出力電圧により帰還制御され、高速スッチングインバータ回路は低速スイッチングインバータ回路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波形歪み成分を補償する電圧範囲の交流電圧を発生するように負帰還制御する回路方式により、単一の装置で大電力かつ高品質な交流電圧出力が得られる。【選択図】図１
2005057937.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
低速スイッチングインバータ手段と高速スイッチングインバータ手段により構成される複合型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負荷への交流電圧出力とし、
低速スイッチングインバータ手段は、当該スイッチングインバータ手段の生成する交流電圧と、当該交流電源装置の交流電圧基準電圧源との誤差信号により帰還制御され、
高速スイッチングインバータ手段は低速スイッチングインバータ手段よりも低電圧かつ小電力の交流電圧を高速スイッチングにより生成する回路構成とし、低速スイッチングインバータの交流電圧出力と当該交流電源装置の交流基準電圧源との誤差信号を制御目標量として負帰還制御され、
高速スイッチングインバータ手段の生成する交流電圧出力が、低速スイッチングインバータ手段の生成する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みを補償する電圧範囲及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回路方式及び交流電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インバータ方式交流電源に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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、リニアアンプ等の電力増幅回路方式によるリニア方式と称される交流電源装置と、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による交流電源装置が主に使用されている。インバータ方式の交流電源装置では、装置内部の直流電圧源の出力をパワーＭＯＳ-ＦＥＴやＩＧＢＴ等の電力制御素子で高周波スイッチングするインバータ回路が生成する矩形波電圧出力を平滑化フィルターにより交流電圧出力に変換する方式が広く行われている。
【０００３】
インバータ方式交流電源装置では目的とする交流電圧波形に対する出力電圧波形の誤差信号に比例してインバータ回路でのスイッチングパルス幅を制御するＰＷＭ制御により交流電圧出力を得るために、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フィルターにより交流電圧に変化させることからリップルノイズや出力電圧波形歪みの抑制には限界があり、また平滑化フィルター手段の周波数応答特性に起因する急激な負荷変動に対する交流出力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方式スイッチングインバータによる交流電源装置での交流電圧波形歪みを低減するために、出力部分の平滑化フィルターのＱ値を低減する手段を設けることにより、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が可能であることから、インバータ回路のスイッチング周波数を高速にして交流電圧波形歪みの少ない交流電力を供給できるものの、耐電圧や許容電流容量に対する動作抵抗などの問題から大電力の供給には適しておらず、大電力に対応するには複数の交流電源装置を並列同期運転する必要があることから装置の高価格化を招いてしまう欠点があった。一方、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は高速スイッチングに適していないために、高品質な交流電圧出力波形が要求される用途には適していない欠点がある。
【０００６】
【特許文献１】特開平８−１６８２６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
解決しようとする問題点は、大電力かつ交流電圧出力波形歪みの少ない交流電源装置を単一の装置で実現する点である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、高耐圧かつ大電力を供給できるが低速でしかスイッチングできないＩＧＢＴ等の素子による低速スイッチングインバータ回路の出力と、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パワーＭＯＳ−ＦＥＴ等による高速スイッチングインバータ回路の出力を直列に接続し、高速スイッチングインバータ回路は低速スイッチングインバータ回路の交流電圧出力に含まれるリップルノイズなどの電圧波形歪みを補償する電圧を発生させることを最も主要な特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の交流電源装置は単一の装置でありながら交流電圧出力波形歪みの少ない高品質かつ大電力の交流電源装置を安価に供給できるという利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
目的とする高電圧かつ大電力の交流電圧出力をリップルノイズ等の電圧波形歪みはあるものの高耐圧かつ大電力を供給できる低速スイッチングインバータにより生成させ、この交流電圧出力に直列に高速スイッチングインバータの交流電圧出力を接続し、高速スイッチングインバータは低速スイッチングインバータの交流電圧出力の電圧波形歪みを補償する電圧範囲の交流電圧を高速スイッチングにより生成する回路構成により、単一の装置で大電力かつ高品質の交流電圧波形を供給する交流電源装置を実現した。
【実施例１】
【００１１】
図１は、本発明装置の１実施例の回路構成図であって、高速スイッチングインバータ回路１と低速スイッチングインバータ回路２の出力が直列に接続されて負荷３へ接続されている。
【００１２】
低速スイッチングインバータ回路２は、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であるスイッチング素子Ｑ２ａ、Ｑ２ｂ、Ｑ２ｃ、Ｑ２ｄによるフルブリッジ回路で構成されており、直流電圧源Ｖ２により供給される直流電圧をスイッチＱ２ａ・Ｑ２ｄとスイッチＱ２ｂ・Ｑ２ｃが相補的にスイッチングして生成された矩形波電圧をインダクタＬ２ａ及びＬ２ｂとコンデンサＣ２による平滑化フィルタにより交流電圧波形としている。
【００１３】
この低速スイッチングインバータ回路２は、当該インバータ回路の交流電圧出力波形の電圧検出器１２による検出電圧と、基準交流電圧信号発生器Ｖ３との信号が接続されたインバータ制御回路３２で帰還制御され、、フルブリッジ回路を構成するＱ２ａ・Ｑ２ｄとＱ２ｂ・Ｑ２ｃのゲート電圧ＯＮ／ＯＦＦ時間比率制御を行っている。
【００１４】
高速スイッチングインバータ回路１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が高速スイッチング可能なスイッチング素子Ｑ１ａ・Ｑ１ｂ・Ｑ１ｃ・Ｑ１ｄによるフルブリッジ回路で構成されており、直流電圧源Ｖ１から供給される直電圧をスイッチＱ１ａ・Ｑ１ｄとスイッチＱ１ｂ・Ｑ１ｃが相補的にスイッチングして生成された矩形波電圧をインダクタＬ１ａ及びＬ１ｂとコンデンサＣ１による平滑化フィルタにより交流電圧波形としている。
【００１５】
この高速スイッチングインバータ回路１は、当該インバータ回路の平滑化フィルタを構成するコンデンサＣ１の両端の電圧と、低速スイッチングインバータの電圧検出器１２の出力電圧と基準電圧信号発生器Ｖ３との誤差電圧を逆極性で出力する誤差電圧検出器２０による電圧信号出力を制御目標量として高速スッチングインバータ回路１を負帰還制御するインバータ制御回路３１により、フルブリッジ回路を構成するスイッチＱ１ａ・Ｑ１ｄとスイッチＱ１ｂ・Ｑ１ｃのゲート電圧ＯＮ／ＯＦＦ時間比率制御し、低速スイッチングインバータ回路２の生成する交流電圧出力波形に含まれるリップルノイズや急激な負荷変動に対する交流電圧波形歪みなどを打ち消す交流電圧を生成する。
【００１６】
以下に本発明の１実施例での回路各部の動作について詳細に波形図面を参照しながら説明していく。
【００１７】
低速スイッチングインバータ回路２を制御するインバータ制御回路３２によるスイッチング周波数を２０*１０３［Ｈｚ］、高速スイッチングインバータ回路１を制御するインバータ制御回路３１のスイッチング周波数を１６０*１０３［Ｈｚ］とし、低速スイッチングインバータ２の直流電圧源Ｖ２の電圧を５００［Ｖ］、平滑化フィルタのインダクタンスＬ２ａ・Ｌ２ｂを２５０*１０-6［Ｈ］、コンデンサＣ２を１０-5［Ｆ］とし、高速スイッチングインバータ回路１の直流電圧源Ｖ１の電圧を５０［Ｖ］、平滑化フィルタのインダクタンスＬ１ａ・Ｌ１ｂを５*10-6［Ｈ］、コンデンサＣ１を５*10−６［Ｆ］とし、基準信号発生器Ｖ３は５００［Ｈｚ］で±８［Ｖ］の交流電圧を発生させる構成とした図１に示す回路によるシミュレーションから得られた各部の出力波形を図２から図８に示している。なお、出力波形図は基準信号電圧源Ｖ３の生成する電圧が±８［Ｖ］・５００［Ｈｚ］の正弦波形のときに、本発明による交流電源装置の出力電圧が±４００［Ｖ］となるように電圧検出器１１・１２及び誤差電圧検出器２０の増幅係数を選定している。
【００１８】
図２に示す波形は、基準信号電圧源Ｖ３の出力電圧波形であり、±８［Ｖ］・５００［Ｈｚ］の正弦波形となっている。図３は低速スイッチングインバータ回路２を制御するインバータ制御回路３２での制御誤差比較用三角波電圧波形であり、当該インバータ回路２のスイッチング周波数である２０*１０３［Ｈｚ］となっている。図４は、低速スイッチングインバータ回路２を制御するインバータ制御回路３２によるスイッチＱ２ａのゲート駆動電圧波形である。
【００１９】
図５は低速スイッチングインバータ回路２による交流電圧出力波形であり、おおよそ±４００［Ｖ］となっているが、低速スイッチングインバータ回路２を制御するインバータ制御回路３２のスイッチング周波数が２０*１０３［Ｈｚ］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。
【００２０】
図６は低速スイッチングインバータ回路２の生成する交流電圧出力波形と、基準信号電圧源Ｖ３が生成する制御目標となる理想的な交流電圧出力波形との誤差電圧検出器２０の出力電圧を拡大表示した波形であり、図７は本発明による交流電源装置の交流電圧出力波形であり、図８には図７にしめす交流電圧波形に含まれる基準信号電圧源Ｖ３の生成する理想とする交流電圧波形との誤差電圧を拡大した電圧波形を示している。
【００２１】
以上のシミュレーション結果からも明らかなように低速スイッチングインバータ回路２の生成する交流電圧出力波形には図６にしめしているようにおおよそ±１５［Ｖ］のリップル電圧などの誤差電圧波形歪みを含んでいるが、高速スイッチングインバータ１とインバータ制御回路３１の帰還制御により、本発明による交流電源装置の出力電圧波形にはおおよそ±２［Ｖ］の誤差電圧波形歪みに改善されている。
【００２２】
以上述べてきたように、本発明による回路方式ではＩＧＢＴ等の高耐圧かつ大電力に耐えう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スイッチングインバータ回路によりリップルノイズや急激な負荷変動に対する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、
低耐圧かつ小電力しか流せないが高速スイッチング可能なパワーＭＯＳ−ＦＥＴやバイポーラトランジスタによる高速スイッチングインバータ手段により当該低速スイッチングインバータ回路の交流電圧出力波形に含まれるリップルノイズや急激な負荷変動に対する交流電圧波形歪みに追従しうる高速スイッチングインバータ回路の出力を直列に接続し、
低速スイッチングインバータ回路は当該インバータ回路の交流電圧出力と基準信号電圧源との誤差信号により帰還制御され、
高速スイッチングインバータ回路は低速スイッチングインバータ回路の生成する交流電圧出力の誤差信号を制御目標量として帰還制御されることにより、
単一の交流電源装置でありながらリップルノイズや急激な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。
【００２３】
また、低速スイッチングインバータ回路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良く、従来技術での大電力用交流電源装置で問題となっていたリップルノイズや負荷急変時の交流電圧波形歪みを考慮する必要がないことから、安価なスイッチング素子を選択できる利点がある。
同様に、高速スッチングインバータ回路に使用するスイッチング素子も低周波スイッチングインバータ回路が生成する交流電圧波形に含まれるリップルノイズなど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良いことから、低速スイッチングインバータ回路と同様に安価なスイッチング素子を選択できる利点がある。
以上の利点に加えて、従来技術による大電力用交流電源装置が複数の装置の並列運転が必須であったのに対して、本発明による回路方式を用いた交流電源装置では単一の装置で高品質かつ大電力が供給できる。
【００２４】
以上本発明の実施の形態について述べてきたが、本発明は上述の実施例に限定されるものでは無く、低速・高速スイッチングインバータ回路の一方又は両方をハーフブリッジとした構成、もしくはフルブリッジ・ハーフブリッジ以外の公知のスイッチングインバータ手段を用いた構成としてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
ＩＧＢＴ等の高耐圧かつ大電力を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スイッチング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、パワーＭＯＳ−ＦＥＴやバイポーラトランジスタなどの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スイッチング素子による高速スイッチング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、
低速スイッチングインバータ手段は当該インバータ手段の出力電圧と基準信号電圧との誤差信号により帰還制御され、
高速スイッチングインバータ手段は、低速スイッチングインバータ手段の生成する交流電圧出力の誤差信号を制御目標量として負帰還制御され、
低速スイッチングインバータ手段の生成する交流電圧出力波形に含まれるリップルノイズや負荷急変時の電圧波形歪みなどを、高速スイッチング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りリップルノイズや負荷急変時の電圧波形歪みが少ない交流電圧出力により補償する本発明による回路方式の交流電源装置により、従来のＰＷＭ制御方式スイッチングインバータ等のスイッチング方式インバータでは複数台の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】
【００２６】
【図１】本発明による１実施例の回路構成説明図である。
【図２】基準信号発生器Ｖ３の出力電圧波形図である。
【図３】インバータ制御回路３２の制御誤差比較用三角波波形図である。
【図４】スイッチ素子Ｑ２ａのゲート駆動電圧波形図である。
【図５】低速スイッチングインバータ回路２の出力電圧波形図である。
【図６】図５の波形と図２の波形間の誤差電圧波形図である。
【図７】本発明による１実施例での交流電圧出力の波形図である。
【図８】図７の波形と図２の波形間での誤差電圧拡大波形図である。
【符号の説明】
【００２７】
１    高速スイッチングインバータ回路
２    低速スイッチングインバータ回路
３    負荷
１１  電圧検出器１    
１２  電圧検出器２
２０  誤差電圧検出器
３１  インバータ制御回路１
３２  インバータ制御回路２
Ｏｕｔ１  交流電源装置出力端子１
Ｏｕｔ２  交流電源装置出力端子２
Ｖ１  直流電圧源１
Ｖ２  直流電圧源２
Ｖ３  基準信号発生器    
【図１】
2005057937.tif 000003
【図２】
2005057937.tif 000004
【図３】
2005057937.tif 000005
【図４】
2005057937.tif 000006
【図５】
2005057937.tif 000007
【図６】
2005057937.tif 000008
【図７】
2005057937.tif 000009
【図８】
2005057937.tif 000010
【手続補正書】
【提出日】平成15年11月4日(2003.11.4)
【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】
2005057937.tif 000011
【図２】
2005057937.tif 000012
【図３】
2005057937.tif 000013
【図４】
2005057937.tif 000014
【図５】
2005057937.tif 000015
【図６】
2005057937.tif 000016
【図７】
2005057937.tif 000017
【図８】
2005057937.tif 000018
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【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】
低速スイッチングインバータ手段と高速スイッチングインバータ手段により構成される複合型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負荷への交流電圧出力とし、
低速スイッチングインバータ手段は、当該スイッチングインバータ手段の生成する交流電圧出力が、当該交流電源装置の交流電圧基準電圧源を制御目標量として働くように帰還制御され、
高速スイッチングインバータ手段は低速スイッチングインバータ手段よりも低電圧かつ小電力の交流電圧を高速スイッチングにより生成する回路構成とし、低速スイッチングインバータの交流電圧出力と直列に接続されている高速スイッチングインバータ手段の生成する交流電圧出力が当該交流電源装置の交流基準電圧源との誤差信号を制御目標量として働くように負帰還制御され、
高速スイッチングインバータ手段の生成する交流電圧出力が、低速スイッチングインバータ手段の生成する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みを補償する電圧範囲及びスイッチング周波数で動作し、かつ高速スイッチングインバータ手段の制御が低速スイッチングインバータ手段との干渉による影響を受けにくいことを特徴とする交流電源の回路方式及び交流電源装置。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【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が可能であることから、インバータ回路のスイッチング周波数を高速にして交流電圧波形歪みの少ない交流電力を供給できるものの、耐電圧や許容電流容量に対する動作抵抗などの問題から大電力の供給には適しておらず、大電力に対応するには複数の交流電源装置を並列同期運転する必要があることから装置の高価格化を招いてしまう欠点があった。一方、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は高速スイッチングに適していないために、高品質な交流電圧出力波形が要求される用途には適していない欠点がある。
特許第３３９８８６９号広報では、低速スイッチング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、高速スイッチング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とを直列に接続し、低速スイッチング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と基準交流電圧との誤差信号により制御される第一の帰還制御ループを形成し、高速スイッチングインバータ手段はふたつのインバータ手段の交流電圧出力が直列に接続された最終段の交流出力電圧と基準交流電圧との誤差信号により制御される第二の帰還制御ループを形成している。低速スイッチングインバータ手段の生成する交流電圧波形に含まれるリップルノイズや急激な負荷変動による電圧波形歪みを高速スイッチングインバータ手段の生成する交流電圧で補償するとしているが、第二の帰還制御ループとして高速スイッチングインバータ手段の制御目標となる誤差信号の検出が当該交流電源装置の最終交流電圧出力端子の電圧であることから第一の帰還制御ループの一部と重なった多重帰還ループとなっていること、および異なる周波数を使用したインバータ手段に起因する干渉現象が発生する等の制御の不安定さがあることは否めない。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】
【特許文献１】特開平８−１６８２６７号広報
【特許文献２】特許第３３９８８６９号広報
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１３】
この低速スイッチングインバータ回路２は、当該インバータ回路の交流電圧出力である  コンデンサＣ２の両端電圧を検出する電圧検出器１２による検出電圧と、基準交流電圧信号発生器Ｖ３との信号が接続されたインバータ制御回路３２で帰還制御され、フルブリッジ回路を構成するＱ２ａ・Ｑ２ｄとＱ２ｂ・Ｑ２ｃのゲート電圧ＯＮ／ＯＦＦ時間比率制御を行っている。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１５】
この高速スイッチングインバータ回路１は、当該インバータ回路の平滑化フィルタを構成するコンデンサＣ１の両端の電圧と、低速スイッチングインバータの電圧検出器１２の出力電圧と基準電圧信号発生器Ｖ３との誤差電圧を逆極性で出力する誤差電圧検出器２０による電圧信号出力を制御目標量として高速スッチングインバータ回路１を負帰還制御するインバータ制御回路３１により、フルブリッジ回路を構成するスイッチＱ１ａ・Ｑ１ｄとスイッチＱ１ｂ・Ｑ１ｃのゲート電圧ＯＮ／ＯＦＦ時間比率制御を行い低速スイッチングインバータ回路２の生成する交流電圧出力波形に含まれるリップルノイズや急激な負荷変動に対する交流電圧波形歪みなどを打ち消す交流電圧を生成する。このインバータ制御回路３１への入力信号が当該インバータ回路が生成する交流電圧と、直列に接続されている低速スイッチングインバータ手段の生成する交流電圧波形に含まれている基準電圧波形との誤差を逆極性とした電圧信号とにより構成される制御回路方式により、異なるスイッチング周波数を使用したインバータ手段の出力を直列接続した複合型交流電源における干渉などによる制御不安定性を大幅に軽減できる。