(57)【要約】モータ（５５２）の第１相巻線と接続してフロントエンド昇圧回路（５５３）を形成するフロントエンド昇圧部分回路（５５１）と、モータ（５５５）の第２相巻線と接続してバックエンド昇圧回路（５５４）を形成するバックエンド昇圧部分回路（５５４）とを有する、スイッチ磁気抵抗モータ（ＳＲＭ）または永久磁石ブラシレス直流（ＤＣ）モータ（ＰＭＢＤＣＭ）のための電力変換器。フロントエンド昇圧部分回路（５５１）は、第１相巻線（５５２）によって提供されるインダクタンスと協働して、第１の段階的に上昇する電圧を発生させる。バックエンド昇圧部分回路（５５４）は、第２相巻線（５５５）によって提供されるインダクタンスと協働して、第２の段階的に上昇する電圧を発生させる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１相巻線と第２相巻線とを有する、スイッチ磁気抵抗モーター又は永久磁石ブラシレス直流（ＤＣ）モーターのための電力変換器であって、
電力変換器は、
モーターの第１相巻線に接続してフロントエンド昇圧回路を形成するフロントエンド昇圧部分回路と、
モーターの第２相巻線に接続してバックエンド昇圧回路を形成するバックエンド昇圧部分回路と、を備え、
フロントエンド昇圧部分回路は、第１相巻線によって与えられるインダクタンスと協働して、第１の段階的に上昇する電圧を発生させ、
バックエンド昇圧部分回路は、第２相巻線によって与えられるインダクタンスと協働して、第２の段階的に上昇する電圧を発生させる、
電力変換器。
【請求項２】
１つのキャパシタが、フロントエンド昇圧部分回路とバックエンド昇圧部分回路とにより共有され、フロントエンド昇圧部分回路から受け取るエネルギーを蓄積し、蓄積されたエネルギーをバックエンド部分回路に与える、
請求項１に記載の電力変換器。
【請求項３】
フロントエンド昇圧部分回路とバックエンド昇圧部分回路の各々が、１つの制御可能なスイッチと、１つの整流器とを備える、
請求項１に記載の電力変換器。
【請求項４】
フロントエンド昇圧部分回路とバックエンド昇圧部分回路の各々が、１つの制御可能なスイッチと、１つの整流器とを備える、
請求項２に記載の電力変換器。
【請求項５】
交流を直流に整流する整流器と、
整流器によって与えられる直流からエネルギーを蓄積し、蓄積されたエネルギーを用いて、フロントエンド昇圧部分回路とバックエンド昇圧部分回路とにＤＣ電圧源を与えるＤＣ蓄積キャパシタと、
を更に備える請求項２に記載の電力変換器。
【請求項６】
フロントエンド昇圧部分回路の電気的構造とバックエンド昇圧部分回路の電気的構造とが協働して、ＤＣ電圧源の全ポテンシャル又はそれより多くを、第１相巻線と第２相巻線の各々へ印加する、
請求項５に記載の電力変換器。
【請求項７】
第１相巻線と第２相巻線とを有する、スイッチ磁気抵抗モーター又は永久磁石ブラシレス直流（ＤＣ）モーターのための電力変換器であって、
電力変換器は、
モーターの第１相巻線と接続して昇圧回路を形成する昇圧部分回路と、
モーターの第２相巻線と接続して降圧回路を形成する降圧部分回路と、を備え、
昇圧部分回路は、第１相巻線によって与えられるインダクタンスと協働して、段階的に上昇する電圧を発生させ、
降圧部分回路は、第２相巻線によって与えられるインダクタンスと協働して、段階的に減少する電圧を発生させる、
電力変換器。
【請求項８】
１つのキャパシタが、昇圧部分回路と降圧部分回路とにより共有され、昇圧部分回路から受け取るエネルギーを蓄積し、蓄積されたエネルギーを降圧部分回路に与える、
請求項７に記載の電力変換器。
【請求項９】
１つのキャパシタが、昇圧部分回路と降圧部分回路とにより共有され、降圧部分回路から受け取るエネルギーを蓄積し、蓄積されたエネルギーを昇圧部分回路に与える、
請求項７に記載の電力変換器。
【請求項１０】
昇圧部分回路と降圧部分回路の各々が、１つの制御可能なスイッチと、１つの整流器とを備える、
請求項７に記載の電力変換器。
【請求項１１】
昇圧部分回路と降圧部分回路の各々が、１つの制御可能なスイッチと、１つの整流器とを備える、
請求項８に記載の電力変換器。
【請求項１２】
昇圧部分回路と降圧部分回路の各々が、１つの制御可能なスイッチと、１つの整流器とを備える、
請求項９に記載の電力変換器。
【請求項１３】
交流を直流に整流する整流器と、
整流器によって与えられる直流からエネルギーを蓄積し、蓄積されたエネルギーを用いて、昇圧部分回路と降圧部分回路とにＤＣ電圧源を与えるＤＣ蓄積キャパシタと、
を更に備える請求項７に記載の電力変換器。
【請求項１４】
交流を直流に整流して、昇圧部分回路と降圧部分回路とにＤＣ電圧源を与える全波整流器、
を更に備える請求項７に記載の電力変換器。
【請求項１５】
昇圧部分回路および降圧部分回路のための制御可能なスイッチが、インバーターモジュールのフェーズレッグによって提供される、
請求項１１に記載の電力変換器。
【請求項１６】
制御可能なスイッチを相互接続する共通のターミナルが、第１相巻線と第２相巻線の各々のターミナルに接続される、
請求項１１に記載の電力変換器。
【請求項１７】
共有の１つのキャパシタのターミナルが、昇圧部分回路と降圧部分回路のそれぞれのダイオードの各々のターミナルに接続される、
請求項１６に記載の電力変換器。
【請求項１８】
交流を直流に整流する電力源整流器と、
電力源整流器によって与えられる直流からエネルギーを蓄積し、蓄積されたエネルギーを用いて、昇圧部分回路と降圧部分回路とにＤＣ電圧源を与えるＤＣ蓄積キャパシタと、
を更に備える請求項１６に記載の電力変換器。
【請求項１９】
昇圧部分回路と降圧部分回路とを組み合わせた電気的構造が協働して、共有の１つのキャパシタの前後に生じる電圧をＤＣ電圧源の電圧未満に制限する、
請求項１８に記載の電力変換器。
【請求項２０】
フロントエンド昇圧部分回路の電気的構造とバックエンド昇圧部分回路の電気的構造とが協働して、第１相巻線と第２相巻線の各々に、ＤＣ電圧源の全ポテンシャルを印加する、
請求項１８に記載の電力変換器。
【請求項２１】
昇圧部分回路と降圧部分回路の各々が、１つの制御可能なスイッチと、１つの整流器とを備え、
昇圧部分回路および降圧部分回路のための制御可能なスイッチが、インバーターモジュールのフェーズレッグによって提供される、
請求項７に記載の電力変換器。
【請求項２２】
制御可能なスイッチを相互接続する共通のターミナルが、第１相巻線と第２相巻線の各々のターミナルに接続される、
請求項２１に記載の電力変換器。
【請求項２３】
昇圧回路と降圧回路とが協働して、統一の力率を提供する、
請求項７に記載の電力変換器。
【請求項２４】
昇圧回路と降圧回路とが協働して、入力交流波形を提供する、
請求項７に記載の電力変換器。
【請求項２５】
第１相巻線と第２相巻線とを有する、スイッチ磁気抵抗モーター又は永久磁石ブラシレス直流（ＤＣ）モーターのための電力変換器であって、
電力変換器は、
モーターの第１相巻線に接続して、第１整流器を備える第１降圧回路を形成する第１降圧部分回路と、
モーターの第２相巻線に接続して、第２整流器を備える第２降圧回路を形成する第２降圧部分回路と、
ＤＣ電圧源と並列に接続される、３つの直列に接続されたキャパシタと、を備え、
第１降圧部分回路は、第１相巻線によって提供されるインダクタンスと協働して、段階的に減少する電圧を発生させ、
第２降圧部分回路は、第２相巻線によって与えられるインダクタンスと協働して、段階的に減少する電圧を発生させ、
３つの直列に接続されたキャパシタにおける第１キャパシタの第１ターミナルは、第１整流器によって第１相巻線に接続され、
第１キャパシタの第２ターミナルは、第２整流器によって第２相巻線に接続され、
第１キャパシタは、電流が第１相巻線および第２相巻線を同時に循環することを防止する、
電力変換器。
【請求項２６】
第１降圧部分回路と第２降圧部分回路の各々が、１つの制御可能なスイッチを備え、
第１降圧部分回路および第２降圧部分回路のための制御可能なスイッチが、インバーターモジュールのフェーズレッグによって提供される、
請求項２５に記載の電力変換器。
【請求項２７】
３つの直列に接続されたキャパシタにおける第２キャパシタは、第１の制御可能なスイッチにおける第１のスイッチのゲーティング動作のために蓄積されたエネルギーを利用する、
請求項２６に記載の電力変換器。
【請求項２８】
第１相巻線と第２相巻線と第３相巻線とを有する、スイッチ磁気抵抗モーター又は永久磁石ブラシレス直流（ＤＣ）モーターのための電力変換器であって、
電力変換器は、
モーターの第１相巻線に接続して昇圧回路を形成し、モーターの第２相巻線に接続して第１降圧回路を形成する昇圧-降圧部分回路と、
モーターの第３相巻線に接続して第２降圧回路を形成する降圧部分回路と、を備え、
昇圧-降圧部分回路は、第１相巻線によって与えられるインダクタンスと協働して、段階的な電圧を発生させ、第２相巻線によって与えられるインダクタンスと協働して、第１の段階的に減少する電圧を発生させ、
降圧部分回路は、第３相巻線によって与えられるインダクタンスと協働して、第２の段階的に減少する電圧を発生させる、
電力変換器。
【請求項２９】
１つのキャパシタが、昇圧部分回路と降圧部分回路とにより共有され、昇圧-降圧部分回路から受け取るエネルギーを蓄積し、蓄積されたエネルギーを降圧部分回路に与える、
請求項２８に記載の電力変換器。
【請求項３０】
昇圧-降圧部分回路が、１つの制御可能なスイッチと、１つの整流器とを備え、
降圧部分回路が、１つの制御可能なスイッチと、２つの整流器とを備える、
請求項２８に記載の電力変換器。
【請求項３１】
昇圧-降圧部分回路が、１つの制御可能なスイッチと、１つの整流器とを備え、
降圧部分回路が、１つの制御可能なスイッチと、２つの整流器とを備える、
請求項２９に記載の電力変換器。
【請求項３２】
交流電圧をＤＣ電圧に整流して、昇圧部分回路と降圧部分回路とにＤＣ電圧を与える整流器、
を更に備える請求項２８に記載の電力変換器。
【請求項３３】
整流器が、全波整流器である請求項３２に記載の電力変換器。
【請求項３４】
昇圧回路と第１降圧回路と第２降圧回路とが協働して、統一の力率を提供する、
請求項２８に記載の電力変換器。
【請求項３５】
昇圧回路と第１降圧回路と第２降圧回路とが協働して、入力交流波形を提供する、
請求項２８に記載の電力変換器。
【請求項３６】
第１相巻線と第２相巻線とを有する、スイッチ磁気抵抗モーター又は永久磁石ブラシレス直流（ＤＣ）モーターのための電力変換器であって、
電力変換器は、
モーターの第１相巻線に接続してフロントエンド降圧回路を形成するフロントエンド降圧部分回路と、
モーターの第２相巻線に接続してバックエンド降圧回路を形成するバックエンド降圧部分回路と、を備え、
フロントエンド降圧部分回路は、第１相巻線によって与えられるインダクタンスと協働して、第１の段階的に減少する電圧を発生させ、
バックエンド降圧部分回路は、第２相巻線によって与えられるインダクタンスと協働して、第２の段階的に減少する電圧を発生させる、
電力変換器。
【請求項３７】
１つのキャパシタが、フロントエンド降圧部分回路とバックエンド降圧部分回路とによって共有され、フロントエンド降圧部分回路から受け取るエネルギーを蓄積し、蓄積されたエネルギーをバックエンド降圧部分回路に与える、
請求項３６に記載の電力変換器。
【請求項３８】
フロントエンド降圧部分回路とバックエンド降圧部分回路の各々が、１つの制御可能なスイッチと、１つの整流器とを備える、
請求項３６に記載の電力変換器。
【請求項３９】
フロントエンド降圧部分回路とバックエンド降圧部分回路の各々が、１つの制御可能なスイッチと、１つの整流器とを備える、
請求項３７に記載の電力変換器。
【請求項４０】
交流を直流に整流する整流器と、
整流器によって与えられる直流からエネルギーを蓄積し、蓄積されたエネルギーを用いて、フロントエンド降圧部分回路とバックエンド降圧部分回路とにＤＣ電圧源を与えるＤＣ蓄積キャパシタと、
を更に備える請求項３７に記載の電力変換器。
【請求項４１】
フロントエンド降圧部分回路の電気的構造とバックエンド降圧部分回路の電気的構造とが協働して、第１相巻線と第２相巻線の各々へ、ＤＣ電圧源の全ポテンシャルを印加する、
請求項４０に記載の電力変換器。
【請求項４２】
第１相巻線と第２相巻線とを有する、スイッチ磁気抵抗モーター又は永久磁石ブラシレス直流（ＤＣ）モーターのための電力変換器であって、
電力変換器は、
モーターの第１相巻線に接続して昇降圧回路を形成する昇降圧部分回路と、
モーターの第２相巻線に接続して昇圧回路を形成する昇圧部分回路と、を備え、
昇降圧部分回路は、第１相巻線によって与えられるインダクタンスと協働して、第１の段階的に上昇する電圧を発生させ、第１相巻線によって与えられるインダクタンスと協働して、段階的に減少する電圧を発生させ、
昇圧部分回路は、第２相巻線によって与えられるインダクタンスと協働して、第２の段階的に上昇する電圧を発生させる、
電力変換器。
【請求項４３】
１つのキャパシタが、昇降圧部分回路と昇圧部分回路とによって共有され、昇降圧部分回路から受け取るエネルギーを蓄積し、蓄積されたエネルギーを昇圧部分回路に与える、
請求項４２に記載の電力変換器。
【請求項４４】
昇降圧部分回路と昇圧部分回路の各々が、１つの制御可能なスイッチと、１つの整流器とを備える、
請求項４２に記載の電力変換器。
【請求項４５】
昇降圧部分回路と昇圧部分回路の各々が、１つの制御可能なスイッチと、１つの整流器とを備える、
請求項４３に記載の電力変換器。
【請求項４６】
交流を直流に整流する整流器と、
整流器によって与えられる直流からエネルギーを蓄積し、蓄積されたエネルギーを用いて、昇降圧部分回路と昇圧部分回路とにＤＣ電圧源を与えるＤＣ蓄積キャパシタと、
を更に備える請求項４３に記載の電力変換器。
【請求項４７】
昇降圧部分回路と昇圧部分回路とを組み合わせた電気的構造が協働して、共有の１つのキャパシタの前後に生じる電圧をＤＣ電圧源と等しい最小電圧に制限する、
請求項４６に記載の電力変換器。
【請求項４８】
昇降圧部分回路の電気的構造と昇圧部分回路の電気的構造とが協働して、第１相巻線と第２相巻線の各々に、ＤＣ電圧源の全ポテンシャルを印加する、
請求項４６に記載の電力変換器。
【請求項４９】
交流を直流に整流する第１整流器と、
共有の１つのキャパシタに蓄積されたエネルギーから発生する電流を交流電源に帰還させる第２整流器と、
第１整流器によって提供される直流からエネルギーを蓄積し、蓄積されたエネルギーを用いて、ＤＣ昇降圧部分回路と昇圧部分回路とに電圧電源を提供するＤＣ蓄積キャパシタと、
を更に備える請求項４３に記載の電力変換器。
【請求項５０】
交流の全波を直流に整流する２つの整流器、を更に備え、
２つの整流器は、昇降圧部分回路と昇圧部分回路とに接続されて、第１相巻線と第２相巻線とに対して独立した通電及び遮断を与える、
請求項４３に記載の電力変換器。
【請求項５１】
直流からエネルギーを蓄積し、蓄積されたエネルギーを用いて、昇降圧部分回路と昇圧部分回路とにＤＣ電圧電源を与えるＤＣ蓄積キャパシタ、を更に備え、
昇降圧部分回路と昇圧部分回路とを組み合わせた電気的構造が協働して、共有の１つのキャパシタの前後に生じる電圧をＤＣ電圧源の電圧未満に制限する、
請求項５０に記載の電力変換器。
【請求項５２】
昇降圧部分回路の電気的構造と昇圧部分回路の電気的構造とが協働して、第１相巻線と第２相巻線の各々に、ＤＣ電圧源の全ポテンシャルを印加する、
請求項５１に記載の電力変換器。
【請求項５３】
昇降圧部分回路と昇圧回路とが協働して、統一の力率を提供する、
請求項４２に記載の電力変換器。
【請求項５４】
昇降圧回路と昇圧回路とが協働して、入力交流波形を提供する、
請求項４２に記載の電力変換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＰＭＢＤＣＭ又は２相ＳＲＭ駆動システムにおける駆動制御、電力変換及び始動制御のための装置に関する。
【０００２】
関連出願の相互参照
本出願は、米国仮出願番号６０／３８２，６０８、６０／３８２，６０９及び６０／３８２，６１０に基づく優先権を主張するものであり、さらに本出願は、これと同日に出願された代理人整理番号Ｌ１０８１．０３１０１、Ｌ１０８１．０３１０３、Ｌ１０８１．０３１０４及びＬ１０８１．０３１０５を有する、出願人の同時係属中のＰＣＴ国際特許出願に記載される開示内容をここに参照により援用するものである。
【背景技術】
【０００３】
可変速度のモーター駆動は、家庭用機器の改善、特に連邦政府のエネルギー効率に対する既定及び提案中の要件に適合する能力の改善に対して、ますます重要な役割を担うことが期待されている。この種のモーター駆動では、コスト減少が重要である。コスト減少は、一つ以上のサブシステム、すなわちモーター、電力変換器及びコントローラによりもたらされる。全ての既存のモーター駆動システムの中でも、これらサブシステムのコスト減少に対して最大の可能性を提供するものは、スイッチ磁気抵抗機器（ＳＲＭ: switched reluctance machine）であり、コストを実質的に下げることができる主要なサブシステムとして、電力変換器が挙げられる。以下、従来の２相ＳＲＭ用電力変換器のトポロジーについて簡単に説明する。
【０００４】
図１は、２相のＳＲＭの駆動に関連する従来技術の非対称電力変換器を例示する。電力変換器１００は、ＳＲＭの各相の巻線１０１，１０２に対して、制御可能な電力装置２つと、制御されない電力装置２つとを有する。つまり、４台の制御可能電力装置１０３〜１０６と、４台の非制御電力装置１０７〜１１０とが、電力変換器１００の動作のために必要である。この電力変換器１００の主な利点は、正又は負の直流（ＤＣ）リンク電圧を印加する能力に対して十分に制御可能であるということであり、したがって、ＳＲＭの操作モードを低減も制限もしない。この電力変換器のトポロジーの不利な点としては、８台の電力装置を使うということである。電力変換器１００の回路動作のより詳細な説明が、例えば、非特許文献１に記載されている。
【０００５】
図２は、２相のＳＲＭの駆動に関する従来技術のスイッチ・パー・フェーズ電力変換器を図示する。電力変換器２００の回路トポロジーは、DC入力ソース電圧２０１を機器側の電力変換器に等しく分割することに基づいている。これは、この回路が相巻線２０２，２０３につき制御可能電力装置１つと非制御電力装置１つを必要としているということに帰結する。したがって、全体としては、電力変換器２００は、２相のＳＲＭに対し、２つの制御可能な電力装置２０４，２０５と、２つの非制御電力装置２０６，２０７を必要とする。この回路設計の主な利点としては、非対称変換器と比較して、電力装置の数を低減できる（例えば、計４台）ことである。この回路の不利な点は、利用可能なＤＣソース電圧を半減させ、したがって、装置や機器に必要な定格電流を倍に上げ、結局、機器の動作効率が低くなってしまうことである。この回路のより詳細な説明も、例えば、非特許文献１に記載されている。
【０００６】
図３は、２相のＳＲＭの駆動に関連する従来技術のＣ−ダンプ電力変換器を図示する。電力変換器３００の回路は、３台の制御可能な電力装置３０１〜３０３及び３台の非制御ダイオード３０４〜３０６を用い、結局、６台の電力装置を用いることになる。これは、図１と図２に示される回路間の中間の回路である。機器の巻線３０７，３０８への全ＤＣソース電圧３０９は正の方向にのみ印加可能であることから、動作モードは、この回路のために多少制限される。更に、この回路は、Ｃ−ダンプ・キャパシタ３１１に貯蔵しておいたエネルギーを消失させるための、外部のインダクタ３１０又は抵抗器（図示せず）を必要とする。電力抵抗器（図示せず）を用いれば、熱に対する考慮が大きくなるため、システムの効率が低下しパッケージ容量が大型化するのに対し、外部のインダクタ３１０を用いれば、コストが上昇する。したがって、この回路は、２相のＳＲＭの用途に対して理想的でない。この回路についてのより詳細な記述は、非特許文献１や特許文献１に見いだすことができる。
【０００７】
図４は、２相のＳＲＭの駆動に関する従来技術のスイッチ・パー・フェーズ電力変換器を図示する。必要な電力変換器４００は、位相４０５，４０６につき、非制御電力装置が１つずつ（４０１，４０２）と制御電力装置が１つずつ（４０３，４０４）であり、したがって、４台の電力装置があってはじめて機能する。更に、電力変換器４００は機器中に特別な巻線を必要とし、これはバイファイラ巻線として知られているものである。この特別な巻線は、機器巻線中の銅の容量を増やし、その結果、機器のコストを増加させる。その上、電力スイッチ４０３，４０４は、それぞれの位相の巻線の間のリーク・インダクタンスにより、高電圧にさらされる。このリーク・インダクタンスは、実際の機器では最小に抑えることができるが除去はできない。したがって、全ＤＣソース電圧４０７は電流を完全に制御しつつ機器に電圧を加えることができるにもかかわらず、この変換器回路は、広く使われていない。この回路のより詳細な記述は、非特許文献１や特許文献２に見出すことができる。
【０００８】
この操作のために必要な電力装置の総数に関して、他の全ての電力変換器回路トポロジーは、上記のカテゴリーのうちの１つにあてはまる。上記のとおり、従来の２相のＳＲＭを操作するためには、最低４台の電力装置が必要であることが分かる。
【０００９】
しかし一般には、通常、２相のＳＲＭを駆動するために用いられる商用の電力変換器は、２つ以上の制御可能なスイッチと、２個以上のダイオードを有している。制御可能なスイッチ２つとダイオード２つしか要しない回路は、損失が大きい（低効率）という短所があり、また機器中にバイファイラ巻線が必要となる場合もあり、これにより機器の電力密度が低下する。したがって、高効率での操作、全範囲での速度の制御、変換器の実装のコンパクト性や、中でも最も重要であるシステムの全体的なコスト、といった点について考慮すれば、既存の解決法は魅力的ではない。
【００１０】
電力変換器開発における基礎分野の挑戦により、電力装置（制御可能型及び非制御型の両方とも）の数は、ＤＣモーター駆動や交直両用モーター駆動などに一般に用いるような、シングル・クォードラント・チョッパー駆動と同等のレベルまで、低減される。これらの駆動については、例えば、非特許文献１に記載されている。電力装置の数がこのレベルになったとき、ブラシレスＳＲＭ駆動が、可変速度の用途に対して、商業上の競争力を持つ。更に、ブラシレスＳＲＭは高効率という優れた利点を有し、何故なら、ＳＲＭにはブラシも整流子も存在しないからである。また、ブラシレスＳＲＭは、更に高速駆動性、高い信頼性、メインテナンスフリー動作、より大きなオーバーロード能力、そしてとりわけ、ＤＣモーター駆動上のコスト利点を与える。
【００１１】
なお、ここで引用される全ての参考文献は、参照事項としてこの開示内容に組み入れられる。
【非特許文献１】Switched Reluctance Motor Drives, R. Krishnan, CRC Press, June 2001
【特許文献１】米国特許第４,６８４,８６７号
【特許文献２】米国特許第４,５００,８２４号
【発明の開示】
【００１２】
本発明は、複数の位相のスイッチ磁気抵抗モーター（ＳＲＭ）用の変換器のトポロジーに関し、相巻線につき１つの制御可能なスイッチと、１つのダイオードとを有する永久磁石ブラシレス直流（ＤＣ）モーター駆動システム（ＰＭＢＤＣＭ）に関する。これらの変換器のトポロジーは、降圧回路、昇圧回路及び昇降圧回路を使用する。降圧回路、昇圧回路及び昇降圧回路並びにこれらの操作に関する補足的な記載は、電力エレクトロニクスにおける標準的な教科書であれば、どの本からでも見出すことができると考えられ、例えば、"Power Electronics : Converters, Applications And Design", N. Mohan, T. M. Undeland & W. P. Robins, John Wiley and Sons, 1989を挙げることができる。
【００１３】
従来技術の降圧、昇圧又は昇降圧の各ＤＣ変換器が動作するためには、外部のインダクタが必要である。これらの従来技術のＤＣ変換器をモーター駆動の用途に用いて可変速駆動システムを提供する場合、この動作のためには、やはりインダクタを必要とする。本発明は、降圧変換器、昇圧変換器又は昇降圧の変換器を動作させるために、モーターの相巻線のインダクタンスを使用し、外部のインダクタによって提供されるインダクタンスに頼ることなく、エネルギー変換を行うものである。
【００１４】
本発明は、１つの制御可能なスイッチと、１つのダイオード（例えば高速スイッチングダイオード）又は任意の２つのダイオード（例えば高速スイッチング１つにその他の低速ダイオードを１つ）を有する回路のトポロジーを用いることで、従来技術の電力変換器の不利益を克服する。制御可能なスイッチの数を１つに減らし、ダイオードを１つに減らすことにより、電力変換器の部品及び組立のコストは、全ての他の利用可能なトポロジーよりも必然的に低くなる。
【００１５】
したがって、本発明の目的は、従来技術の装置で生じる欠点及び問題を解決することにある。
【００１６】
発明の別の目的は、電力変換器に必要な電力装置の数を低減することにある。
【００１７】
発明の更に別の目的は、非常に効率の高い電力変換器を提供することにある。
【００１８】
発明の更なる目的は、全範囲速度制御可能な電力変換器を提供することにある。
【００１９】
発明の更なる目的は、電力変換器の実装のサイズを低減することにある。
【００２０】
発明の更なる目的は、ブラシレスＤＣモーター駆動の全体的なコストを低減することにある。
【００２１】
スイッチ磁気抵抗モーター（ＳＲＭ）又は永久磁石ブラシレス直流（ＤＣ）モーター（ＰＭＢＤＣＭ）のための電力変換器であって、モーターの第１相巻線に接続してフロントエンド昇圧回路を形成する、フロントエンドの昇圧部分回路と、モーターの第２相巻線に接続してバックエンド昇圧回路を形成する、バックエンド昇圧部分回路とを備える電力変換器により、本発明の全部又は一部の目的を達成することができる。フロントエンド昇圧部分回路は、第１相巻線により与えられるインダクタンスと協働して第１の段階的に上昇する電圧を発生させ、バックエンド昇圧部分回路は、第２相巻線により与えられるインダクタンスと協働して、第２の段階的に上昇する電圧を発生させる。
【００２２】
モーターの第１相巻線に接続して昇圧回路を形成する、昇圧部分回路と、モーターの第２相巻線に接続して降圧回路を形成する、降圧部分回路とを有するＳＲＭ又はＰＭＢＤＣＭのための電力変換器により、本発明の全部又は一部の目的を更に達成することができる。昇圧部分回路は第１相巻線によって与えられるインダクタンスと協働して、段階的に上昇する電圧を発生させ、降圧部分回路は第２相巻線によって与えられるインダクタンスと協働して、段階的に減少する電圧を発生させる。
【００２３】
モーターの第１相巻線に接続して昇圧回路を形成し、モーターの第２相巻線に接続して第１降圧回路を形成する、昇圧部分回路を有するＳＲＭ又はＰＭＢＤＣＭのための電力変換器により、本発明の全部又は一部の目的を更に達成することができる。更に、電力変換器は、モーターの第３相巻線に接続して第２降圧回路を形成する降圧部分回路を有する。昇圧部分回路は、第１相巻線によって与えられるインダクタンスと協働して、段階的に上昇する電圧を発生させ、また、第２相巻線によって与えられるインダクタンスと協働して、第１の段階的に減少する電圧を発生させる。また、降圧部分回路は、第３相巻線によって与えられるインダクタンスと協働して、第２の段階的に減少する電圧を発生させる。
【００２４】
モーターの第１相巻線に接続してフロントエンド降圧回路を形成する、フロントエンド降圧部分回路と、モーターの第２相巻線に接続してバックエンド降圧回路を形成するバックエンド降圧部分回路とを有するＳＲＭ又はＰＭＢＤＣＭのための電力変換器により、本発明の全部又は一部の目的を更に達成することができる。フロントエンド降圧部分回路は第１相巻線によって与えられるインダクタンスと協働して、第１の段階的に減少する電圧を発生させ、バックエンド降圧部分回路は第２相巻線によって与えられるインダクタンスと協働して、第２の段階的に減少する電圧を発生させる。
【００２５】
モーターの第１相巻線に接続して昇降圧回路を形成する昇降圧部分回路と、モーターの第２相巻線に接続して昇圧回路を形成する昇圧部分回路とを有するＳＲＭ又はＰＭＢＤＣＭのための電力変換器により、本発明の全部又は一部の目的を更に達成することができる。昇降圧部分回路は、第１相巻線によって与えられるインダクタンスと協働して、第１の段階的に上昇する電圧を発生させ、第１相巻線によって与えられるインダクタンスと協働して、段階的に減少する電圧を発生させる。昇圧部分回路は、第２相巻線によって与えられるインダクタンスと協働して、第２の段階的に上昇する電圧を発生させる。
【００２６】
本発明の好適な具体例は、更に明細書の以下のパラグラフに記載され、添付の図面と共に参照することで、更に良く理解されるだろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
図５Ａは、２相のスイッチ磁気抵抗モーター（ＳＲＭ）又は永久磁石ブラシレス直流モーター（ＰＭＢＤＣＭ）を駆動するための、フロントエンド昇圧ステージ及びバックエンド昇圧ステージを有するフェーズ電力変換器につき、単一の制御可能なスイッチを例示する。
【００２８】
電力変換器５００はフロントエンド整流器を有しており、このフロントエンド整流器は、ＳＲＭ駆動システムの電力レベルに依存して１つか４つのダイオードを有していてもよい。例示のために、単一の電源整流器ダイオード５０２が図示される。ＤＣ電源キャパシタ５０３は、ＤＣリンクフィルタを形成する。
【００２９】
２相のＳＲＭの２つの巻線は、Ａ相巻線５０４及びＢ相巻線５０８として示され、これらはＡ相トランジスタ５０５及びＢ相トランジスタ５１０のそれぞれの制御可能なスイッチと、これらのフリーホイーリング（自発型）ダイオードであるＡ相ダイオード５０６及びＢ相ダイオード５０９とを有している。中間キャパシタ５０７は、Ｂ相巻線５０８にエネルギーを与えるための中間エネルギー蓄積フィルタであり、このエネルギーは、Ａ相トランジスタ５０５、Ａ相ダイオード５０６、Ａ相巻線５０４及び中間キャパシタ５０７の昇圧動作から得られる。Ａ相トランジスタ５０５及びＢ相トランジスタ５１０は、あらゆる自己整流スイッチ、例えばパワートランジスタ、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴやＧＴＯ等でよい。この種の制御可能な電力装置は、スイッチとも呼ばれる。
【００３０】
図５Ｂは、ＳＲＭ又はＰＭＢＤＣＭモーター用のフロントエンド昇圧回路及びバックエンド昇圧回路を有する電力変換器のブロック図を例示する。電力変換器５５０は、フロントエンド昇圧部分回路５５１を有しており、これはＳＲＭ又はＰＭＢＤＣＭモーター（図示せず）の第１相巻線５５２に接続してフロントエンド昇圧回路５５３を形成する。バックエンド昇圧部分回路５５４は、モーターの第２相巻線５５５に接続してバックエンド昇圧回路５５６を形成する。フロントエンド昇圧部分回路５５３は、第１相巻線５５２によって与えられるインダクタンスと協働して、第１の段階的に上昇する電圧５５７を発生させ、バックエンド昇圧部分回路５５４は、第２相巻線５５５によって与えられるインダクタンスと協働して、第２の段階的に上昇する電圧５５８を発生させる。
【００３１】
図６は、図５Ａに例示される電力変換器のＡ相巻線の通電を例示する。Ａ相巻線５０４を有する昇圧回路は、Ａ相巻線５０４に制御された電流を与え、また、中間キャパシタ５０７にそのエネルギーを蓄積することにより、Ｂ相巻線５０８を動作させるためのエネルギーを与える。これは、以下から理解されるだろう。
【００３２】
そのエミッタに関して正となるようにゲートを制御する（ゲーティングする）ことにより、Ａ相トランジスタ５０５をオンにすることで、電流を導通することを可能にし、よって、Ａ相巻線５０４に電源ＤＣ電圧Ｖｓ ５１１を印可することが可能になる。このゲーティング動作により、Ａ相巻線５０４、Ａ相トランジスタ５０５、ＤＣ電源Ｖｓ５１１及びそのＤＣ電源キャパシタ５０３に電流６０１が流れる。この昇圧回路は外部のインダクタを必要とせず、代わりに、同じ目的のためにＡ相巻線５０４を用いる。
【００３３】
図７は、図５Ａに例示される電力変換器のフロントエンド昇圧回路の昇圧動作を例示する。フロントエンド昇圧回路７０１は、Ａ相トランジスタ５０５と、Ａ相ダイオード５０６と、中間キャパシタ５０７と、Ａ相巻線５０４と、ＤＣ電源キャパシタ５０３とを備える。Ａ相トランジスタ５０５がそのゲート信号をゼロ電圧に駆動することによってオフにされれば、装置は導通を停止する。Ａ相トランジスタ５０５がオフにされれば、Ａ相巻線５０４の電流７０１は、別の経路に向かわざるを得ず、これはＤＣ電源キャパシタ５０３、Ａ相巻線５０４、Ａ相ダイオード５０６及び中間キャパシタ５０７によってなされる。これにより、中間キャパシタ５０７は充電され、Ａ相巻線５０４から中間キャパシタ５０７へエネルギーが移動する。Ａ相巻線５０４の前後での電圧は、ＶＳ-ＶＢである点に注意されたい。通常、ＶＢ５１２は、電源電圧Ｖｓ５１１より大きい。したがって、Ａ相巻線５０４の前後に印加される電圧は負であり、そのため、この中の電流は減少し、この中の電流は整流される。これからわかるように、Ａ相トランジスタ５０５の前後での電圧低下が、通常通りのソース電圧と比較して無視できると仮定すれば、Ａ相巻線５０４は、およそＶｓ５１１の電圧を得る。したがって、Ａ相トランジスタ５０５が導通されればＶｓ５１１がＡ相巻線５０４の前後に印加され、Ａ相トランジスタ５０５がオフにされればＡ相巻線５０４がＶＳ-ＶＢの電圧を得る。Ａ相トランジスタ５０５のオン／オフを行うだけで、Ａ相巻線５０４の電流が制御される。
【００３４】
しかしながら、Ａ相巻線５０４の前後にゼロ電圧を印加する方法はない。このように、電流制御動作中の巻線は、巻線の前後にゼロ電圧を与えることができる回路と比較して、オンとオフとの間の電圧の変化率がより高くなる。ＶＢ ５１２がソース電圧Ｖｓ５１１より大きくなった場合であっても、Ａ相トランジスタ５０５がオフにされた時は電流が流れる経路がないため、Ａ相巻線５０４からの電流を中間キャパシタ５０７に充電させても問題にならない。
【００３５】
中間キャパシタ５０７の前後の高い電圧は、Ｂ相巻線５０８に入力される電圧の役目を果たすが、これは有益である。電圧が高ければ、より迅速な電流の強制がＢ相巻線５０８に対して可能になり、ゆえに、トルクと同様に電流を精密に制御できるようになる。Ａ相巻線５０４からエネルギーの一部が、中間キャパシタ５０７へ移され、昇圧動作であるので、その前後の電圧は、ソース電圧Ｖｓ５１１より高くなる。
【００３６】
図８は、図５Ａに例示される電力変換器のＢ相巻線の通電を例示する。電力変換器５００のバックエンド昇圧回路は、インダクタとしてのＢ相巻線５０８と、制御可能なＢ相トランジスタ５１０と、Ｂ相ダイオード５０９と、ＤＣ電源キャパシタ５０３と、中間キャパシタ５０７とを備える。ＤＣ電源キャパシタ５０３及び中間キャパシタ５０７は、それぞれ、入力フィルタ及び出力フィルタである。フロントエンド昇圧回路のデューティサイクルは、第２昇圧回路への電圧入力を決める。第２昇圧回路の入力キャパシタに蓄積されたエネルギーは、Ｂ相巻線５０８により機械的な動力に変換され、その一部は、Ａ相巻線５０４の動作と同様に、ＤＣ電源キャパシタ５０３に循環される。Ｂ相トランジスタ５１０をオンにすることで、Ｂ相巻線５０８の前後への電圧ＶＢの印可が可能になり、よって、Ｂ相トランジスタ５１０及びＢ相巻線５０８に電流８０１が導通できるようになる。
【００３７】
図９は、図５Ａに例示される電力変換器のバックエンド昇圧回路の昇圧動作を例示する。バックエンド昇圧回路９０１は、Ｂ相トランジスタ５１０と、Ｂ相ダイオード５０９と、中間キャパシタ５０７と、Ｂ相巻線５０８と、ＤＣ電源キャパシタ５０３とを備えている。Ｂ相トランジスタ５１０をオフにすれば、スイッチからの電流９０２をＢ相ダイオード５０９及びＤＣ電源キャパシタ５０３に迂回させ、よって、中間キャパシタ５０７及びＢ相巻線５０８を通る電流経路が完成する。オフの間、Ｂ相巻線５０８の前後の電圧は、ＶＢ-ＶＳとなる。ＤＣ電源キャパシタ５０３に充電する間、この電圧は増加し、中間キャパシタ５０７の前後の電圧は低減する。これにより、Ｂ相巻線５０８の前後に負の電圧が印加される。それゆえに、所望の通り、Ｂ相巻線５０８において電流９０２の減衰が生じる。
【００３８】
Ｂ相トランジスタ５１０のオン／オフにより、Ｂ相巻線５０８の電流を制御する。昇圧動作のため、Ｂ相巻線５０８からのエネルギーの一部が、ＤＣ電源キャパシタ５０３へ移動される。中間キャパシタ５０７の全電圧が、Ｂ相巻線５０８に印加される。このため、迅速な電流上昇と精密な制御が実現される。
【００３９】
電力変換器５００及び５５０は、以下の利点を与える：
１．全てのスイッチの定格は、ソース電圧、ＶＳ５１１、中間キャパシタ電圧、ＶＢ５１２の最大に等しい。２ＶＳのソース電圧を有する従来技術のスプリットサプライ変換器では、スイッチ定格は２ＶＳである。更に、この従来技術の回路では、単一のダイオードフロントエンド整流器を用いることができないため、フロントエンド整流器を選択することが制限される。
２．Ｂ相トランジスタ５１０及びＡ相トランジスタ５０５のスイッチングを、高速で最低限とすることができる。
３．外部のインダクタを要しない。
４．キャパシタの電圧定格が、ＶＳ５１１又はＶＢ５１２である。
５．中間キャパシタ５０７を、ＤＣ電源キャパシタ５０３よりかなり小さくすることが可能である。
６．プルーフトポロジーに適合する。
７．従来技術のスプリットＤＣ電源変換器の場合のようには、ＤＣリンク入力電圧が低下せず、このため、電圧電源を効率よく利用でき、よって、機器内の電流が低くなる。すなわち、従来技術のスプリット位相電力変換器の場合のように、実用電圧がＤＣソース電圧の半分程度に低い他の変換器トポロジーと比較して、ＤＣリンク電圧をフルに利用して、機器に動力を供給する。
８．ＤＣリンク電圧の性能を低下させることなくまた外部のインダクタを必要とせずに、相巻線につき１つの制御可能なスイッチ及びダイオードにより動作できる。
９．昇圧動作なので、他の駆動システムの制御を弱めてしまうフラックスに生じる電力出力を犠牲にすることなく、モーター駆動を高速で動作させることができるが、これは、高速で必要な高い電圧が、変換器の昇圧動作によって与えられるからである。
１０．昇圧ステージのため、ソース電圧より高い電圧が、より迅速に電流を上昇させ、高いダイナミックレスポンスをもたらす。
１１．制御可能なスイッチ群の各エミッタが共に接続される。したがって、ゲート回路から制御回路を分離する必要性がなく、実装に対してコストを低く、コンパクトにすることができる。
１２．制御可能なスイッチ群の各エミッタが結合されるので、電流及び電圧の検知にかかるコストが低くなり、分離する必要性がなくなる。これにより、コストの低い方法で回転子位置の推定ができるようになり、低いコストで大きな生産量の用途に最も適している。
１３．この変換器トポロジーは、あらゆる奇数（１を超える）又は偶数の位相数のＳＲＭに用いることができる。
１４.この変換器トポロジーはまた、奇数（１を超える）又は偶数の固定子位相を有する半波制御されたＰＭＢＤＣＭに用いることができる。
【００４０】
しかしながら、Ａ相巻線５０４及びＢ相巻線５０８の整流に利用可能な電圧は、ＶＢ-ＶＳである。速度が低いか高い作動状態の下では、利用可能な電圧は、ＤＣソース電圧ＶＳ５１１より非常に低い場合がある。これにより、これらの位相中の電流の導通が引き伸ばされる。したがって、電流の整流を進歩させるに適する技術は、この変換器の制御にとって望ましい。
【００４１】
図１０Ａは、フロントエンド昇圧及びバックエンド降圧を有する位相電力変換器につき単一の制御可能なスイッチを例示する。図１１は、図１０Ａに例示される電力変換器の昇圧ステージ及び降圧ステージのそれぞれの構成を例示する。昇圧ステージ１１０１は、Ａ相巻線５０４と、Ａ相トランジスタ５０５と、Ａ相ダイオード５０６と、中間キャパシタ５０７とを有している。降圧ステージ１１０２は、Ｂ相巻線５０８と、Ｂ相トランジスタ５１０と、Ｂ相ダイオード５０９と、中間キャパシタ５０７とを有している。電力変換器１０００は、ＡＣ電源５０１を整流する単一の電源整流ダイオード５０２により電力供給される。
【００４２】
図１０Ｂは、ＳＲＭ又はＰＭＢＤＣＭモーター用の昇圧回路及び降圧回路を有する電力変換器のブロック線図を例示する。電力変換器１０５０は、ＳＲＭ又はＰＭＢＤＣＭモーター（図示せず）の第１相巻線１０５２に接続して昇圧回路１０５３を形成する昇圧部分回路１０５１を有している。降圧部分回路１０５４は、モーターの第２相巻線１０５５に接続して降圧回路１０５６を形成する。昇圧部分回路１０５１は第１相巻線１０５２によって与えられるインダクタンスと協働して、段階的に上昇する電圧１０５７を発生させ、降圧部分回路１０５４は第２相巻線１０５５によって与えられるインダクタンスと協働して、段階的に減少する電圧１０５８を発生させる。
【００４３】
図１２は、図１０Ａに例示される電力変換器のＡ相巻線の通電を例示する。交流電源５０１を半波整流しているため、Ａ相巻線５０４は、交流電源５０１の正の半サイクルの間だけ電力が供給される。交流電源５０１の正の半波の間にＡ相トランジスタ５０５をオンしてＡＣ電源５０１の前後にＡ相巻線５０４を接続することにより、電流１２０１が、Ａ相巻線５０４、Ａ相トランジスタ５０５、交流電源５０１及び電源整流器ダイオード５０２を流れることができるようになる。
【００４４】
図１３は、図１０Ａに例示される電力変換器の昇圧動作を例示する。Ａ相トランジスタ５０５がオフにされれば、電流１３０１は、Ａ相トランジスタ５０５からＡ相ダイオード５０６及び中間キャパシタ５０７まで迂回して流れ、このように、交流電源５０１及びＡ相巻線５０４を介してキャパシタを充電する。これにより、Ａ相巻線５０４を流れる電流１３０１が減少及び減衰することが可能になる。
【００４５】
このように、制御可能なＡ相トランジスタ５０５のオン／オフを切り替えることで、Ａ相巻線５０４を流れる電流の制御だけでなく、交流電源５０１を流れる電流も制御される。電流制御により、正弦波の形をなぞるプロファイルを与えることにより、入力電流もこの形に制御され、また、力率は統一されるように制御される。これらの両方の特徴ともに、独自のものである。しかしながら、半波整流では、交流電源の電流の正の半サイクルだけが制御され、また、Ａ相巻線５０４は、この正の半サイクルの間だけ電力が供給される。このような欠点に対しては、電源整流器ダイオード５０２の代わりに全波整流器を用いることで対応することができる。
【００４６】
図１４は、図１０Ａに例示される電力変換器の降圧ステージの通電を例示する。中間キャパシタ５０７は、Ａ相トランジスタ５０５が作動しない時だけでなく、制御可能に作動している時にも充電される。したがって、Ｂ相巻線５０８に動力を供給するために蓄積されたエネルギーが、中間キャパシタ５０７に存在する。Ｂ相巻線５０８の通電は、Ｂ相トランジスタ５１０をオンにすることによってなされ、そしてこのＢ相トランジスタ５１０は、中間キャパシタ５０７、Ｂ相巻線５０８及びＢ相トランジスタ５１０から構成される回路を完結させる。これにより、Ｂ相巻線５０８に電流１４０１が流れるようになる。
【００４７】
図１５は、図１０Ａに例示される電力変換器の降圧ステージのフリーホイーリングを例示する。電流をオフにするか制御する必要が生じたときに、Ｂ相トランジスタ５１０をオフにする。この操作により、Ｂ相巻線５０８とＢ相ダイオード５０９とを備える電流１５０１の経路が有効になる。これは、フリーホイーリングとして知られ、ダイオードは理想的でその電圧低下は無視できると仮定すれば、Ｂ相巻線５０８の前後の電圧はほぼ０である。これにより、電流１５０１が減衰し、最終的にゼロになる。
【００４８】
電力変換器１０００及び１０５０は、以下の利点を与える：
１．単一のキャパシタベースである。
２．位相につき１つの制御可能なスイッチ及び１つのダイオードである。
３．整流は、１つのダイオードにより簡単に行われる。
４．２つの位相ＳＲＭ駆動に対して部品数が最少である。
５．このコンセプトは、あらゆる位相数に拡張可能である。たとえば、３相の機器が、２つの昇圧ステージと１つの降圧ステージ、あるいは個数がその逆のものを有していてもよい。４相機器では、２つの昇圧電力ステージと２つの降圧電力ステージを有していてもよく、それら全ては１つのキャパシタのみを用いる。
６．入力電流波形の整形と統一的な力率での動作が与えられる。
７．両方の制御可能なスイッチエミッタが結合されるので、ゲーティング回路を著しく単純化でき、また低コストアプリケーション用のゲーティング及び制御回路の分離が必要ない。
８．降圧電力変換器ステージ及び昇圧電力変換器ステージは、外部のインダクタを必要とせず、電力変換のための機器巻線を用いる。
【００４９】
しかしながら、フリーホイーリングのため、より遅い電流減衰がＢ相巻線５０８に生じる場合もある。したがって、この問題を回避するため、事前にスイッチオフをプログラムすることによりＢ相巻線５０８の制御に注意を及ぼすべきである。また、半波電流制御が交流側に対して使われるので、Ａ相巻線５０４のハーフタイムの制御及び通電が存在する。これらの欠点の両方とも、フロントエンドの中に全波整流器を導入することによって解決される。
【００５０】
図１６は、そのフロントエンドで全波整流器を有する、図１０Ａの電力変換器を例示する。昇圧ステージ１１０１が統一の力率を可能にし、また入力電流波形を正弦波形へ整形できるよう、電力変換器１６００は、全波フロントエンド整流器１６０１を有する。またこれは、昇圧ステージ入力にいつでも利用可能な電力供給を与える。それゆえに、Ａ相巻線５０４は、いつでも制御可能である。再び、電力変換器１６００は、電力変換器１０００及び１０５０と同じ利点を有し、しかもこれらの不利益はない。
【００５１】
図１７Ａは、２つの降圧ステージを有する昇圧フロントエンド及び昇圧バックエンドを有し、２つの制御可能なスイッチで３相のモーターを制御する電力変換器を例示する。図１７Ｂは、全波フロントエンド整流器を有する図１７Ａの電力変換器を例示する。２つの制御可能なスイッチだけで３相のＳＲＭ駆動のために、フロントエンド昇圧及びバックエンド降圧の基本的発明をここに組み合わせる。同時に、Ｃ相巻線１７０１及びＡ相巻線５０４はＡ相トランジスタ５０５により制御される。Ｂ相トランジスタ５１０は、Ｂ相巻線５０８のみを制御する。
【００５２】
ここでも、統一の力率の動作及び入力電流波形の整形という利点は、半波及び全波の整流の両方の場合に対して達成される。このシステムは、３相ＳＲＭを制御する２つの制御可能なスイッチに独自の特徴を与える。
【００５３】
Ａ相トランジスタ５０５を制御することにより、ＡＣ電源５０１、電源整流器ダイオード５０２又は電源全波整流器１７５１、Ｃ相巻線１７０１及びＡ相トランジスタ５０５を介して昇圧通電により、Ｃ相巻線１７０１に電流が流れるようにする。Ｃ相巻線１７０１がエネルギーを与えられる昇圧である一方、Ａ相巻線５０４は、ＶＢ５１２、Ａ相ダイオード１７０２、Ａ相巻線５０４及びＡ相トランジスタ５０５を介し、降圧モードで、中間キャパシタ５０７の前後のＤＣリンク電圧によりエネルギーが与えられる。Ａ相トランジスタ５０５がオフにされるとき、Ａ相巻線５０４の電流がフリーホイーリングダイオード１７０３を介してフリーホイールする一方で、Ｃ相巻線１７０１は、フリーホイーリングダイオード１７０３を介して中間キャパシタ５０７を充電する。
【００５４】
Ｂ相巻線５０８は、ＶＢ５１２からの降圧モードでＢ相トランジスタ５１０により制御され、電流は、フリーホイーリングＢ相ダイオード５０９を経由して制御され又は整流される。したがって、Ａ相及びＢ相が降圧モードで制御される一方、Ｃ相巻線１７０１は昇圧モードによって制御される。この説明は、半波整流及び全波整流の両方の場合に適用できる。
【００５５】
図１７Ｃは、ＳＲＭ又はＰＭＢＤＣＭモーター用の昇圧―降圧及び降圧回路を有する電力変換器のブロック図を例示する。電力変換器１７７０は、ＳＲＭ又はＰＭＢＤＣＭモーター（図示せず）の第１相巻線１７７２に接続して昇圧回路１７７３を形成する、昇圧―降圧部分回路１７７１を有している。昇圧―降圧部分回路１７７１は、モーターの第２相巻線１７７４に接続して第１降圧回路１７７５を形成する。更に、降圧部分回路１７７６は、モーターの第３相巻線１７７７に接続して第２降圧回路１７７８を形成する。昇圧―降圧部分回路１７７１は、第１相巻線１７７２によって与えられるインダクタンスと協働して、段階的に上昇する電圧１１７９を発生させ、第２相巻線１７７４によって与えられるインダクタンスと協働して、第１の段階的に減少する電圧１７８０を発生させる。降圧部分回路１７７６は、第３相巻線１７７７によって与えられるインダクタンスと協働して、第２の段階的に減少する電圧１７８１を発生させる。
【００５６】
電力変換器１７００、１７５０及び１７７０は、以下の利点を与える：
１．本来の昇圧回路及び降圧回路トポロジーの全ての利点を有している。
２．３つの位相機器を制御するためには、２つの制御可能なスイッチだけでよい。
【００５７】
しかしながら、スイッチングに慎重な制御が働かない場合は、位相Ａ及び位相Ｃの制御が重なり合い、トルクの発生が若干低下することになる。また、このトポロジーでは、わずかに低い出力となる場合がある。
【００５８】
図１８は、フロントエンド降圧及びバックエンド昇圧を有する位相電力変換器につき、単一の制御可能なスイッチを例示する。
【００５９】
図１９は、図１８に例示される電力変換器の昇圧ステージ及び降圧ステージのそれぞれの構成を例示する。電力変換器のフロントエンドは、降圧ステージ電力変換器１９０１であり、これは、ソース電圧よりも低い電圧を印加することを意味するものであり、また、バックエンドは、昇圧ステージ１９０２であり、そこでは、入力電圧は、出力電圧よりも低い。電力変換器１８００は、電源から機器へ、また機器から別の電源へと、電力を変換する。
【００６０】
降圧ステージ１９０１は、ＤＣ電源キャパシタ５０３及び制御可能なその電圧Ｖｓ５１１と、Ａ相トランジスタ５０５と、Ａ相巻線５０４と、中間のキャパシタ５０７と、Ａ相ダイオード５０６とを有している。フロントエンド整流器は、半波用又は全波用であってもよい。降圧の動作は、Ａ相トランジスタ５０５により制御され、その動作は、前述の降圧ステージに類似している。これは、中間キャパシタ５０７に出力電圧を与え、この出力電圧は、中間キャパシタ５０７と、Ｂ相巻線５０８と、制御可能なＢ相トランジスタ５１０と、Ｂ相ダイオード５０９と、ＤＣ電源キャパシタ５０３と、これの前後の電圧とを有する昇圧ステージへの入力電圧の役目を果たす。Ｂ相トランジスタ５１０は、前述の昇圧動作を制御する役目を果たす。したがって、充分に制御可能な２つの位相ＳＲＭ駆動が、この回路から派生する。
【００６１】
電力変換器１８００は、以下の利点を与える：
１．２つの位相ＳＲＭ駆動に対して位相につき１つのスイッチだけでよい。
２．このコンセプトは、あらゆる位相数に適用可能である。
３．このコンセプトは、半波制御されたＰＭＢＤＣＭ駆動に適用可能で、かつあらゆる位相数に適用可能である。
４．独立した位相制御が可能である。
５．部品のコンパクト性及び少ない部品数が可能となる。
６．降圧フロントエンドのため、その出力中間キャパシタ５０７の前後の電圧は良好に制御されて機器の動作速度の関数になり、適切な量のＢ相巻線５０８を供給するための電圧を与える。したがって、Ｂ相巻線５０８に対するスイッチングが最小限に抑えられるので、Ｂ相トランジスタ５１０のスイッチング損失を低減できる。これにより、変換器の効率を改善し、それゆえに、全体の駆動システムを改善する。
【００６２】
図２０Ａは、降圧フロントエンド及び降圧バックエンド電力ステージを有する位相電力変換器につき単一の制御可能なスイッチを例示する。フロントエンド降圧ステージは、図１８で示すのと同じである。このバックエンド降圧ステージは、中間キャパシタ５０７と、Ｂ相巻線５０８と、Ｂ相トランジスタ５１０と、フリーホイーリングＢ相ダイオード５０９とを有している。バックエンド降圧ステージの働きは、すでにここに記載済みである。ゆえに簡潔さのため、この記載の繰返しはここでは省略する。
【００６３】
図２０Ｂは、ＳＲＭ又はＰＭＢＤＣＭモーター用のフロントエンド降圧回路及びバックエンド降圧回路を有する電力変換器のブロック図を例示する。電力変換器２０００は、ＳＲＭ又はＰＭＢＤＣＭモーター（図示せず）の第１相巻線２０５２に接続してフロントエンド降圧回路２０５３を形成するフロントエンド降圧部分回路２０５１を有している。バックエンド降圧部分回路２０５４は、モーターの第２相巻線２０５５に接続してバックエンド降圧回路２０５６を形成する。フロントエンド降圧部分回路２０５１は、第１相巻線２０５２によって与えられるインダクタンスと協働して、第１の段階的に減少する電圧２０５７を発生させる。バックエンド降圧部分回路２０５４は、第２相巻線２０５５によって与えられるインダクタンスと協働して、第２の段階的に減少する電圧２０５８を発生させる。
【００６４】
電力変換器２０００及び２０５０は、以下の利点を与える：
１．降電力ステージ変換器及び昇電力ステージ変換器のトポロジーのほとんどすべての利点を保持する。
２．Ｂ相巻線５０８のスイッチングを最小限に抑え、よってより高い効率を与える。
３．Ｂ相巻線５０８の電流整流を長くすることができる。したがって、Ｂ相トランジスタ５１０の整流を促進させるにあたり注意を要する。
４．外部のインダクタを使わず、代わりに、機器巻線を、電力変換のための降圧電力ステージ及び回路の動作に用いる。
【００６５】
図２１Ａは、フロントエンド昇降圧及び昇圧バックエンド電力ステージを有する位相電力変換器につき単一の制御可能なスイッチを例示する。電力変換器２１００のフロントエンド変換器は昇降圧ステージ回路２１０１であり、そのバックエンドは単純な昇圧ステージ回路２１０２である。２つの変換器ステージの動作に対してはインダクタが必要であり、このインダクタは通常は、外部かつ機器に無関係なものである。本発明では、変換器ステージの動作に対して、インダクタとして機器巻線を用いる。
【００６６】
電力変換器２０００は、フロントエンド整流器を有し、これはＳＲＭ駆動システムの電力レベルに従い単一又は４つのダイオードを有していてもよい。ここでは例示のため、単一の電源整流器ダイオード５０２が示される。ＤＣ電源キャパシタ５０３は、ＤＣリンクフィルタを形成する。２相のＳＲＭの２つの巻線は、Ａ相巻線５０４及びＢ相巻線５０８として示され、これらは、Ａ相トランジスタ５０５及びＢ相トランジスタ５１０のそれぞれの制御可能なスイッチと、これらのフリーホイーリングＡ相ダイオード５０６及びＢ相ダイオード５０９を有している。中間キャパシタ５０７は、Ｂ相巻線５０８にエネルギーを与えるための中間エネルギー蓄積フィルタであり、そのエネルギーは、Ａ相トランジスタ５０５、Ａ相ダイオード５０６、Ａ相巻線５０４及び中間キャパシタ５０７の昇降圧動作から得られる。
【００６７】
昇降圧回路２１０１は、Ａ相巻線５０４へ制御された電流を与え、またＢ相巻線５０８にＤＣ電源電圧Ｖｓ５１１を与える。昇降圧型回路２１０１は、外部のインダクタを必要とせず、代わりに、同じ目的で機器のＡ相巻線５０４を用いる。
【００６８】
昇圧回路２１０２は、インダクタとしてのＢ相巻線５０８と、制御可能なＢ相トランジスタ５１０と、Ｂ相ダイオード５０９と、入力フィルタ及び出力フィルタのそれぞれのためのＤＣ電源キャパシタ５０３及び中間キャパシタ５０７とを有している。フロントエンド昇降圧型回路２１０１のデューティサイクルが、昇圧回路２１０２への電圧入力を決定する。昇圧回路の入力キャパシタに蓄積されるエネルギーは、Ｂ相巻線５０８を通して機械的動力に変換されて、また一部はＤＣ電源キャパシタ５０３に循環される。
【００６９】
図２１Ｂは、ＳＲＭ又はＰＭＢＤＣＭモーター用の昇降圧回路及び昇圧回路を有する電力変換器のブロック図を例示する。電力変換器２１００は、ＳＲＭ又はＰＭＢＤＣＭモーター（図示せず）の第１相巻線２１５２に接続して昇降圧回路２１５３を形成する昇降圧部分回路２１５１を有している。昇圧部分回路２１５４は、モーターの第２相巻線２１５５に接続して昇圧回路２１５６を形成する。昇降圧部分回路２１５１は、第１相巻線２１５２によって与えられるインダクタンスと協働して第１の段階的に上昇する電圧２１５７を発生させ、第１相巻線２１５２によって与えられるインダクタンスと協働して段階的に減少する電圧２１５８を発生させる。昇圧部分回路２１５４は、第２相巻線２１５５によって与えられるインダクタンスと協働して、第２の段階的に上昇する電圧２１５９を発生させる。
【００７０】
電力変換器２１００及び２１５０は、以下の利点を与える：
１．全てのスイッチ定格は、電源電圧ＶＳ５１１又はＶＢのいずれが高くとも、これらの最大値と等しい。２ＶＳ電源電圧を有する従来技術のスプリット供給変換器では、スイッチ定格は、２ＶＳに等しい。更に、単一のダイオードフロントエンド整流器はこの従来技術の回路に用いることができないので、このことはフロントエンド整流器の選択幅を制限する。
２．Ｂ相トランジスタ５１０及びＡ相トランジスタ５０５のスイッチングは、高速で最小限にできる。
３．フロントエンド昇降圧ステージ回路２１０１及びバックエンド昇圧回路２１０２のステージの動作のためには、外部のインダクタは必要でない。
４．キャパシタの電圧定格は、ＶＳ又はＶＢのいずれが高くとも、これらのいずれかに等しい。
５．中間キャパシタ５０７を、ＤＣ電源キャパシタ５０３よりかなり小さくできる。
６．プルーフトポロジーに適合する。
７．従来技術のスプリットＤＣ電源変換器の場合のようには、ＤＣリンク入力電圧が低下せず、このため、電圧電源を効率よく利用でき、よって、機器内の電流が低くなる。
８．電力変換器２１００は、ＤＣリンク電圧及び外部のインダクタの性能を低下させることなく、位相につき１つの制御可能なスイッチ及びダイオードを提供する。
９．昇圧動作なので、他の駆動システムの制御を弱めてしまうフラックス中に生じる電力出力を犠牲にすることなく、モーター駆動を高速で動作させることができるが、これは、高速で必要な高い電圧が、変換器の昇圧動作によって与えられるからである。
１０．昇圧ステージのため、電源電圧より高い電圧が電流をより迅速に上昇させることができ、高いダイナミックレスポンスに貢献する。
１１．機器の定格ないし名目の速度の動作の下で、フロントエンド昇降圧回路２１０１は降圧モードで動作させることができるため、Ｂ相巻線５０８のスイッチングを低減し、損失を低減する。また、非常に微細に電流の制御ができ、電流の変化率を最小にすることができ、音響雑音を低減できる。
１２．電力変換器２１００が、偶数と奇数のあらゆる位相ＳＲＭの数に対して使用可能である。
１３．電力変換器２１００は、半波制御の偶数又は奇数の位相ＰＭＢＤＣＭ制御に適用でき、類似の利点及び低コストを得ることができる。
１４．偶数の位相番号が利用可能でない場合、変換器を２つの位相で使って昇圧ステージと電力変換の昇降圧ステージを用いる１つの位相を使用できるようにし、あるいはその逆、すなわち３相機器も可能である。
【００７１】
図２２は、両方の相巻線に対して独立したエネルギー源を有する図２１Ａの電力変換器を例示する。独立したエネルギーの保存が、ＤＣ電源キャパシタ５０３及び中間キャパシタ５０７に与えられる。これには、始動におけるＢ相巻線５０８の動作が、Ａ相巻線５０４の動作から独立するという利点がある。Ｂ相巻線５０８が所与の始点でエネルギーを与えられる必要がある場合、中間キャパシタ５０７がエネルギーを有しない限り動作させることができないということを意味する。また、図２１Ａに関して上記のように、Ａ相巻線５０４にエネルギーを与えない限り、それはエネルギーを有することができない。
【００７２】
電力変換器２１００に関して、Ａ相巻線５０４にエネルギーを与えることは、必要ない又は意図しない方向にトルクが発生する可能性につながり、始動時の性能が低下する。昇圧ステージの入力キャパシタにエネルギーを与えることにより、この可能性を除去する。交流電源５０１からエネルギーを与えるこの独立した方法では、電力変換器２２００が追加の電源整流器ダイオード２２０１を有することができるようになり、Ａ相及びＢ相の独立した動作が可能になる。
【００７３】
電力変換器２２００は、２つの位相ＳＲＭの機器位相において、電流を独立して制御する新しい電力変換器トポロジーを提供する。電力変換器２２００は、外部のインダクタを必要とせず、機器位相への電圧入力を可変として使用可能である。また、あらゆる偶数又は奇数の位相ＳＲＭに対して、またＰＭＢＤＣＭ機器に対して拡張することができるので、ＳＲＭ及びＰＭＢＤＣＭ機器のブラシレス機器のサブセットのための変換器となりうる。位相につき１つの制御可能なスイッチ及び１つのダイオードを有するという特徴を有する。前方の変換器の動作により、入力力率の制御及び入力交流線電流の波形整形がこの発明で可能である。
【００７４】
電力変換器２２００は、偶数の位相機器に対して、ＳＲＭの位相につき１つの制御可能なスイッチ及び１つのダイオードを有する。フロントエンド変換器は昇降圧ステージ回路２１０１であり、後端は単純な昇圧ステージ回路２１０２である。２つの変換器ステージを動作させるには、インダクタが必要であり、このインダクタは通常は、外部かつ機器に無関係なものである。電力変換器２２００は、変換器ステージの動作用のインダクタとして機器巻線を用いる。
【００７５】
電力変換器２２００は、２つのフロントエンド整流器と、電源整流器ダイオード５０２と、電源整流器ダイオード２２０１とを有している。ＤＣ電源キャパシタ５０３と中間キャパシタ５０７が、ＤＣリンクフィルタを形成する。２相のＳＲＭの２つの巻線は、Ａ相巻線５０４及びＢ相巻線５０８として示され、これらは、Ａ相トランジスタ５０５及びＢ相トランジスタ５１０のそれぞれの制御可能なスイッチと、これらのフリーホイーリングダイオードであるＡ相ダイオード５０６及びＢ相ダイオード５０９を有している。また中間キャパシタ５０７は、Ｂ相巻線５０８にエネルギーを与えるための中間エネルギー蓄積フィルタであり、そのエネルギーは、Ａ相トランジスタ５０５、Ａ相ダイオード５０６、Ａ相巻線５０４及び中間キャパシタ５０７の昇降圧動作から得られる。この構成は、Ａ相巻線５０４の動作から独立しているＢ相巻線５０８へのエネルギーを入力し、またその逆の入力も可能にする。特に２相の機器駆動システムのために、これは非常に重要である。
【００７６】
回転子極がＢ相巻線５０８の固定子極の近傍にある際にＢ相巻線５０８が起動のためにエネルギーが与えられる必要がある場合を想定する。この場合、Ｂ相巻線５０８に動力を供給するためには、中間キャパシタ５０７にエネルギーがあることが要求される。しかし、駆動動作の初期には、エネルギーが存在しないので、中間キャパシタ５０７を満たす別の方法を講じる必要がある。これには、Ａ相巻線５０４の通電を必要とするが、こうすることは理想的でない。よって、望ましくない効果がより短い間隔に対して発生する。用途によっては、受け入れられないものもあろう。この問題は、ここで完全に除去される。
【００７７】
更に、この変換器により、２相の機器動作が可能になる。電力変換器２２００は、キャパシタを充電するための２つの独立した方法を有しているため、高い故障許容能力が与えられる。たとえば、フロントエンドダイオードのうちの１つが故障したような場合でも、エネルギー源が一つ、機器システムを駆動するために残っている。これは、非常に重大であり、また多くの用途に対して重要である。
【００７８】
全波整流を与えるフロントエンド整流器に２つのダイオードを使用することにより、１つのダイオードで半波整流を行うことと比較して、入力高調波を低減する。またこれにより、均一に入力電流を分布させ、ダイオードの損失が過度に増加することなく、このため、冷却の必要が過度に増加しない。これにより、システム及びその動作の信頼性が増加するが、それは、ダイオードの１つが故障しても、システムの動作を妨げないからである。
【００７９】
電力変換器２２００は、以下の利点を与える：
１．電力変換器２１００及び２１５０により与えられる全ての利益及び利点が与えられる。
２．あらゆる時点でＢ相巻線５０８は独立して動作するという追加的な利点を有する。
３．また、交流供給電流、正の半サイクルが電源整流器ダイオード５０２により、負の半分サイクルが電源整流器ダイオード２２０１により、全整流がなされるので、電源電流がバランスするようになる。
４．Ａ相巻線５０４への最小の整流電圧は、少なくとも交流線電圧の最大値と等しくなるよう与えられる。Ａ相巻線５０４への整流電圧は、昇降圧回路２１０１が降圧モードで動作する場合は、より低くなる。これは、重要な要因である。
５．整流器動作のための２つのフロントエンドダイオードにより全波の動作が与えられるため、入力側での高調波が最小限に抑えられる。
６．２-ダイオードのシステムにより、障害の許容範囲が増加する。
７．２-ダイオードのシステムは、機器側の変換器に接続し、Ａ相巻線５０４及びＢ相巻線５０８の独立した動作を与える。
８．２-ダイオードシステムは、２つの位相のために必要なエネルギーを、それぞれのキャパシタに均一に分配する。これは、Ｂ相巻線５０８に要するエネルギーは、Ａ相巻線５０４を流れる必要がないことを意味し、高効率のモーター駆動システムをもたらす。
９．電力変換器２２００の特徴は、どんな位相数にでも適用できることであり、特に２相のＳＲＭ又はＰＭＢＤＣＭ機器に対して効果的である。
１０．フロントエンド整流器中のダイオードの数は、全波動作用に２つだけであり、電力損失及び変換器の実装中のヒートシンクに要するスペースを低減する。
１１．Ｂ相巻線の動作は、Ａ相巻線５０４の動作から独立しているが、これは、そのためのエネルギー源が独立しているからである。Ｂ相巻線５０８は、それ自身の整流を通して交流電源からエネルギーを得る。さもなければ、Ｂ相巻線５０８の励起のために利用可能なエネルギーは、Ａ相巻線５０４の動作に大きく依存することになる。これにより、起動時に真に独立するシステムを構築し、起動時のより微細な制御及び微細な機器動作をもたらす。
１２．電力変換器２２００が位相の独立した動作を与えるため、個々の位相へのエネルギー可用性に関して、この機器は、一般に３よりも多い位相を必要とする他の従来技術の方式と異なり、２つの位相で動作させることができ、そこでは場合に応じて、２又は３の位相が、第３又は第４の位相の通電のために、（第３または第４の位相ＤＣリンクの）ＤＣリンクを充電する。電力変換器２２００は、そのような制限を取り除き、それを２つあるいはそれ以上の位相に対して適するようにする。
【００８０】
図２３は、インバーターモジュールの１の位相レッグを用いる位相電力変換器につき単一の制御可能なスイッチを例示する。電力変換器２３００は、インバーターモジュール２３０１の位相レッグを用いるので、制御可能なスイッチと迅速なダイオードとを別々に実装する必要を回避する。制御可能なスイッチ２３０２、２３０３及びそれぞれ接続された相巻線５０４，５０８のための高速の逆並列ダイオード２３０４、２３０５は、すでにインバーターモジュールの中に逆並列に接続されている。
【００８１】
電力変換器２３００は、コンパクト性及び価格の利点のため、インバーターモジュール２３０１を用いる。インバーターモジュール２３０１が整流タイプの低速操作ダイオードを用いる場合でも、これらは、安価で損失が非常に低い。したがって、その熱実装要求は、電流のフリーホイーリングに必要又はＳＲＭの反作用的な電流を取り扱うために必要な、高速のダイオードの実装のための要求と同じ程度には厳しくない。
【００８２】
本発明は、全ての偶数の位相ＳＲＭに拡張することができ、また、半波制御によるＰＭＢＤＣＭ機器に拡張することができる。よって、これは、ＳＲＭ及びＰＭＢＤＣＭ機器のブラシレス機器のサブセットのための変換器とすることができる。更に、電力変換器２３００は１つの制御可能なスイッチパッケージを有し、これは、逆並列のダイオードと、相巻線につき１つの低速のダイオードとを有している。
【００８３】
電力変換器２３００は、降圧ステージ２３０６であるフロントエンド変換器を有し、バックエンドは、単純な昇圧ステージ２３０７である。インバーター位相モジュールを用いることで、１つの装置中でフリーホイーリング及び反作用電流のハンドリングのために用いられる制御可能なスイッチ及び高速のダイオードの実装要求を、単純化する。これらの装置の両方は、１つのパッケージの中で利用可能であり、低い生産量であっても、コンパクト性及び低コストのために有用である。
【００８４】
４相機器は、インバーターモジュールの２本の位相レッグを有する４象限チョッパーモジュールを用いることができる。このようなモジュールは、商業上利用可能である。同様に、６相機器は、３相のフルブリッジインバーターモジュールを用いることができる。
【００８５】
電力変換器２３００はフロントエンド整流器を有し、これは、ＳＲＭ駆動システムの電力レベルに依存して、１つ又は４つのダイオードを有していてもよい。例示のために、単一の電源整流器ダイオード５０２のステージが示される。ＤＣ電源キャパシタ５０３は、ＤＣリンクフィルタを形成する。２相のＳＲＭの２つの巻線は、Ａ相巻線５０４及びＢ相巻線５０８として示され、これは、Ａ相トランジスタ５０５及びＢ相トランジスタ５１０のそれぞれの制御可能なスイッチと、これらの逆並列のフリーホイーリングダイオードとを有している。Ａ相ダイオード５０６及びＢ相ダイオード５０９はステアリングダイオードであり、これらは低速である。それゆえに、これらは導通電圧低下の低い整流型であってもよい。これらは、電流をステアリングするために、それぞれＡ相巻線５０４及びＢ相巻線５０８に直列に接続される。中間キャパシタ５０７は、Ｂ相巻線５０８にエネルギーを与えるための中間エネルギー蓄積フィルタである。
【００８６】
この回路の動作は、次の通りである。Ａ相巻線５０４は、Ａ相トランジスタ５０５をオンにすることによってエネルギーが与えられる。電流が命令値を上回る時又は完全に消すべき時は、これはオフにされる。電流は、Ｂ相トランジスタ５１０の逆並列のダイオード２３０５により引き継がれる。常に、中間キャパシタ５０７は充電されている。電力変換器２３００の動作は、降圧変換器であるステップダウンチョッパーの動作と同様である。Ｂ相巻線５０８は、中間キャパシタ５０７に蓄積されるエネルギーから、Ｂ相トランジスタ５１０をオンにすることにより電力供給される。電流を完全にオフする場合または軽減する場合、Ｂ相トランジスタ５１０がオフにされる。これにより、Ａ相トランジスタ５０５の逆並列のダイオード２３０４が、電流をＤＣ電源キャパシタ５０３へ導くことができるようになり、これによりＢ相巻線５０８の電流が減衰し、結局電流はゼロになる。これが、変換器の昇圧動作である。したがって、変換器の降圧及び昇圧動作は、この装置で実現する。降圧及び昇圧装置の利点は、このケースにも適用できるが、若干異なる点もある。
【００８７】
電力変換器２３００は、以下の利点を与える：
１．全てのスイッチ定格は、電源電圧ＶＳ５１１又はＶＢのいずれが高い場合でも、これらの最大値に等しい。２ＶＳソース電圧による従来技術のスプリットサプライ変換器では、スイッチ定格は２ＶＳに等しい。更に、単一のダイオードフロントエンド整流器はこの従来技術の回路に用いることができないため、フロントエンド整流器の選択を制限する。
２．制御可能なスイッチ２３０２と２３０３のスイッチングは、高速で最小限にすることができる。
３．変換器のフロントエンド降圧ステージとバックエンド昇圧ステージの操作に対して、外部のインダクタを必要としない。
４.コンデンサーの定格電圧は、ＶＳ又はＶＢのいずれが高い場合でも、ＶＳ又はＶＢである。
５．中間キャパシタ５０７を、ＤＣ電源キャパシタ５０３よりかなり小さくすることができる。
６．従来技術のスプリットＤＣ電源変換器の場合のようには、ＤＣリンク入力電圧が低下せず、このため、電圧電源を効率よく利用でき、よって、機器内の電流が小さくなる。
７．電力変換器２３００は、ＤＣリンク電圧と外部インダクタの性能を低下させることなく、位相につき１つの制御可能なスイッチとダイオードを与える。
８．第２変換器ステージの昇圧動作なので、他の駆動システムの制御を弱めてしまうフラックスに生じる電力出力を犠牲にすることなく、モーター駆動を高速で動作させることができるが、これは、高速で必要な高い電圧が、変換器の昇圧動作によって与えられるからである。
９．昇圧ステージなので、ソース電圧より高い電圧が与えられれば、電流は高速で上昇し、高いダイナミックレスポンスに貢献する。
１０．機器の定格ないし名目の速度動作の下で、Ａ相変換器ステージは降圧モードで動作させることができるため、Ｂ相巻線５０８のスイッチングを低減し、損失を低減する。また、非常に微細に電流の制御ができ、電流の変化率を最小にすることができ、音響雑音を低減できる。
１１．電力変換器２３００が、偶数のあらゆる位相ＳＲＭ数に対して使用可能である。
１２．電力変換器２３００は、半波制御の偶数の位相ＰＭＢＤＣＭ制御に適用でき、類似の利点及び低コストを得ることができる。
１３．インバーター位相レッグモジュール２３０１を用いるため、容易に利用可能なインバーター位相レッグモジュール２３０１を用いることにより、実装コストを削減でき、より多くの用途でＳＲＭの使用を可能にする。
１４．外部インダクタなしで、Ａ相のための降圧動作とＢ相のための昇圧動作のそれぞれが、この発明で与えられ、付随する利点も同時に与えられる。
【００８８】
しかしながら、電力変換器２３００の効率は、他の構成よりわずかに低い。これは、制御可能なスイッチ２３０２、２３０３又は逆並列のダイオード２３０４、２３０５によるものであり、これらは伝導の間は常にステアリングダイオード５０６、５０９と直列である。これにより、全体の伝導電圧降下が大きくなり、そのため損失が生じる。また、逆並列のダイオードにより与えられるフリーホイーリングのため、電流制御と位相の伝導を独立に行うことは可能でない。後続する位相で電流を流し始めるために、逆並列のダイオードとそのスイッチを同時に導通させる必要がある。このため、電流の不連続とトルク不連続が生じることがある。これは、低性能であるが生産量の多い機器等の用途に対しては、さほど重大な不利益ではない。その上、位相間の相互インダクタンスのため、相巻線に循環電流が生じる可能性があり、これは、機器の適当な設計によって最小にすることはできるが、必ずしも排除することはできない。繰り返すが、低性能の用途のためには、これは厳しい不利益でない。
【００８９】
ここで議論される不利益は、図２４に示される回路により克服される。図２４は、位相電力変換器につき単一の制御可能なスイッチを例示し、これは、インバーターモジュールの１つの位相レッグを用い、モーターの相巻線を流れる電流の循環を抑止する。電力変換器２４００は、インバーターモジュール２３０１の位相レッグを用いるため、制御可能なスイッチと高速のダイオードを別個に実装する必要性を回避する。制御可能なスイッチ２３０２、２３０３及びそれぞれ接続された相巻線５０４，５０８のための高速の逆並列ダイオード２３０４、２３０５は、すでにインバーターモジュールの中に逆並列に接続されている。
【００９０】
電力変換器２４００は、コンパクト性と価格の利点のため、インバーターモジュール２３０１を用いる。インバーターモジュール２３０１が整流タイプの低速のステアリングダイオードを用いる場合でも、これらは、安価で損失が非常に低い。したがって、その熱実装要求は、電流のフリーホイーリングに必要又はＳＲＭの反作用的な電流を取り扱うために必要な、高速のダイオードの実装のための要求と同じ程度には厳しくない。
【００９１】
本発明は、全ての偶数の位相ＳＲＭに拡張することができ、また、半波制御によるＰＭＢＤＣＭ機器に拡張することができる。よって、これは、ＳＲＭ及びＰＭＢＤＣＭ機器のブラシレス機器のサブセットのための変換器とすることができる。
【００９２】
更に、電力変換器２４００は１つの制御可能なスイッチパッケージを有し、これは、逆並列のダイオードと、電流ステアリングのための相巻線につき１つの低速ダイオードとを有している。電力変換器２３００は、スイッチ２３０２と、Ａ相巻線５０４と、ダイオード５０６と、ソース電圧を与えるキャパシタ５０３とを備える降圧ステージ２３０６であるフロントエンド変換器を有している。バックエンド変換器は、スイッチ２３０３と、Ｂ相巻線５０８と、ダイオード５０９と、電源電圧Ｖｓ５１２を与えるキャパシタ５０７とを備える単純な昇圧ステージ２３０７である。インバーター位相モジュール２３０１を用いることで、１つの装置中でフリーホイーリング及び反作用電流のハンドリングのために用いられる制御可能なスイッチ及び高速のダイオードの実装要求を、単純化する。これらの装置の両方は、１つのパッケージの中で利用可能であり、低い生産量であっても、コンパクト性及び低コストのために有用である。
【００９３】
４相の機器の場合は、インバーターモジュールの２つの位相レッグを有する４象限チョッパーモジュールを用いることができる。このようなモジュールは、商業上利用可能である。同様に、６相機器は、３相のフルブリッジインバーターモジュールを用いることができる。
【００９４】
電力変換器２４００はフロントエンド整流器を有し、これは、ＳＲＭ駆動システムの電力レベルに依存して、１つ又は４つのダイオードを有していてもよい。例示のために、全波電源整流ステージ２４０１が示される。ＤＣ電源キャパシタ５０３は、キャパシタ２４０２とキャパシタ５０７とともにＤＣリンクフィルターの部品を形成する。２相のＳＲＭの２つの巻線は、Ａ相巻線５０４及びＢ相巻線５０８として示され、これらは、Ａ相トランジスタ２３０２及びＢ相トランジスタ２０３のそれぞれの制御可能なスイッチと、これらの逆並列のフリーホイーリングダイオード２３０４及び２３０５をそれぞれ有している。Ａ相ダイオード５０６とＢ相ダイオード５０９はステアリングダイオードであり、これらは低速である。それゆえに、これらは導通電圧低下の低い整流型であってもよい。これらは、電流をステアリングするために、それぞれＡ相巻線５０４及びＢ相巻線５０８に直列に接続される。中間キャパシタ５０７は、Ｂ相巻線５０８にエネルギーを与えるための中間エネルギー蓄積フィルタである。
【００９５】
ＤＣ電源キャパシタ５０３と、中間キャパシタ５０７と、循環防止キャパシタ２４０２とは直列に接続され、かつ整流化された交流電源５０１と並列に接続される。ＤＣ電源で３つのキャパシタ５０３、２４０２及び５０７を用いることにより、またこれらが機器位相に接続されることにより、機器位相とＡ相巻線５０４とＢ相巻線５０８との間での循環電流が、位相間で高い相互結合がある場合であっても、回避される。巻線間でこのような循環電流を回避する必要であるのは、循環防止キャパシタ２４０２の前後の小さい電圧だけである点に留意すべきである。
【００９６】
この回路の動作は、次の通りである。Ａ相巻線５０４は、Ａ相トランジスタ２３０２をオンにすることによってエネルギーが与えられ、そして、同時に、Ａ相の前後での電圧はほぼ電圧５１２に等しく、これにより、Ａ相巻線５０４の電流が増加する。電流が命令値を上回るとき又は完全に消すべきときは、これはオフにされる。電流は、Ｂ相トランジスタ２３０３の逆並列のダイオード２３０５により引き継がれる。電流のための経路は、ここでは、ダイオード２３０４と、Ａ相巻線５０４と、ダイオード５０６と、キャパシタ２４０２及び５０７とから成るので、Ａ相巻線５０４の前後に負の電圧を印可することになり、このため電流が減衰することが強制される。全ての時間、ＤＣ電源キャパシタと、循環防止キャパシタ２４０２と、中間キャパシタ５０７とは、整流化された交流電源から充電されている。循環防止キャパシタ２４０２は他の２つのキャパシタより非常に小さいため、その電圧も著しく小さい。更に、この電圧は、Ａ相トランジスタ５０５のゲート駆動回路に電力を供給するために用いることができ、これは有意な利点である。またこれは、３つのキャパシタの前後の電荷の分布を与え、循環防止キャパシタ２４０２が意図したよりも多量の電荷を蓄積することを防止する。この変換器部品の動作は、降圧変換器である段階的減少チョッパーの動作に類似する。Ｂ相巻線５０８は、Ｂ相トランジスタ５１０をオンにすることにより、中間キャパシタ５０７に蓄積されたエネルギーからエネルギーが供給される。電流を完全にオフする場合または軽減する場合、Ｂ相トランジスタ２３０３がオフにされ、これにより、Ａ相トランジスタ２３０２の逆並列のダイオードが、電流をＤＣリンク入力キャパシタへ導くことができるようになり、これによりＢ相巻線５０８の電流が減衰し、結局電流はゼロになる。
【００９７】
電力変換器２４００は、以下の利点を与える：
１．全てのスイッチの定格は、電源電圧の最大値に等しい。２ＶＳ電源電圧による従来技術のスプリットサプライ変換器では、スイッチ定格は２ＶＳに等しい。
更に、単一のダイオードフロントエンド整流器はこの従来技術の回路に用いることができないため、フロントエンド整流器の選択を制限する。
２．制御可能なスイッチ２３０２と２３０３のスイッチングは、高速で最小限にすることができる。
３．変換器のフロントエンド降圧ステージとバックエンド昇圧ステージの操作に対して、外部のインダクタを必要としない。
４．キャパシタの定格電圧は、ＤＣリンクのほぼ半分であり、循環防止キャパシタ２４０２の定格電圧は、非常に小さい。
５．循環防止キャパシタ２４０２は、ＤＣ電源キャパシタ５０３および中間キャパシタ５０７よりも非常に小さくすることができる。
６．このトポロジーは、外部インダクタなしに、位相につき１つの制御可能なスイッチとステアリングダイオードを与える。
７．この変換器トポロジーは、あらゆる偶数の位相ＳＲＭに対して用いることができる。
８．同じ変換器トポロジーが、半波制御された偶数の位相ＰＭＢＤＣＭの制御に適用でき、同様の利点と低コストをもたらす。
９．インバーター位相レッグモジュール２３０１を用いることで、実装コストを削減し、容易に利用可能なインバーター位相レッグモジュール２３０１を用いることにより、より多くの用途でＳＲＭの使用を可能にする。
１０．外部インダクタなしに、位相Ａ及びＢのための降圧動作を本発明でも提供することができ、また、付随する利点もある。
１１．位相間の相互インダクタンスにもかかわらず、相巻線での循環電流が発生する可能性は、この変換器トポロジーにおいて排除され、それは、電流循環として作用する中間キャパシタ２４０２の電圧のためである。
１２．循環防止キャパシタ２４０２に蓄積されるエネルギーが、トップスイッチをゲートで制御するために用いられる。これにより、トップスイッチのゲート回路に対する別個の電源の必要性を排除しつつ、循環防止キャパシタ２４０２でのエネルギー蓄積が防止される。エネルギー蓄積をこのように無効にすることができることは、重要な技術革新を与える。
【００９８】
しかしながら、電力変換器２４００の効率は、この構成のためにわずかに低くなる。これは、制御可能なスイッチ２３０２、２３０３又は逆並列のダイオード２３０４、２３０５によるものであり、これらは伝導の間は常にステアリングダイオード５０６、５０９と直列である。これにより、全体の伝導電圧降下が大きくなり、効率を損失する。逆並列のダイオードにより与えられるフリーホイーリングのため、電流制御と位相の伝導を独立に行うことは可能でない。後続する位相で電流を流し始めるために、フリーホイーリングの逆並列のダイオードと関連するスイッチを同時に導通させる必要がある。このため、この変換器を用いるためには、電流の不連続とトルク不連続を許容する必要がある。これは、低性能であるが生産量の多い機器等の用途に対しては、さほど重大な不利益ではないことに注意すべきである。従来技術のスプリットＤＣ電源変換器の場合、ＤＣリンク入力電圧は低下し、電圧源の利用が低下し、それゆえに、機器位相に大きな電流が流れるようになる。これは、フロントエンド整流回路に倍電圧回路を用いることで克服することができるが、スイッチの定格電圧は大きくなる。
【００９９】
上述の説明は、本発明を例示し記載するものである。しかしながら、ここでの開示内容は、本発明の好適な具体例のみを示して記載するものであるが、本発明は、様々な他の組合わせ、修正及び環境で使用ができると考えられる。また、ここで説明したように、いわゆる当業者において上記の教示と同一であると考えられる本発明の思想の範囲内で、本発明を変形又は修正することができる。
【０１００】
ここに記載される具体例は、既知の発明の実施の最良の形態を説明する意図であり、また当業者が、これら及びその他の具体例において、本発明の特定の用途又は使用により要求されるであろう様々な修正をもって本発明を利用できるようにする意図である。したがって、この発明の詳細な説明は、本発明をここで明らかにした形態に限定する意図ではない。
【図面の簡単な説明】
【０１０１】
【図１】２相のＳＲＭの駆動用の従来技術の非対称電力変換器の回路図
【図２】２相のＳＲＭの駆動用の従来技術における単一のスイッチ・パー・フェーズ電力変換器の回路図
【図３】２相のＳＲＭの駆動用の従来技術におけるＣ−ダンプ電力変換器の回路図
【図４】２相のＳＲＭの駆動用の従来技術における単一のスイッチ・パー・フェーズ電力変換器の回路図
【図５Ａ】２相のＳＲＭ又はＰＭＢＤＣＭの駆動用の、フロントエンド昇圧ステージ及びバックエンド昇圧ステージを有する単一の制御可能なスイッチ・パー・フェーズ電力変換器の回路図
【図５Ｂ】フロントエンド昇圧回路とバックエンド昇圧回路とを有するＳＲＭ又はＰＭＢＤＣＭモーター用の電力変換器のブロック線図
【図６】図５Ａに図示される電力変換器のＡ相巻線の通電を図示する回路図
【図７】図５Ａに図示される電力変換器のフロントエンド昇圧回路の昇圧動作を図示する回路図
【図８】図５Ａに図示される電力変換器の相巻線の通電を図示する回路図
【図９】図５Ａに図示される電力変換器のバックエンド昇圧回路の昇圧動作を図示する回路図
【図１０Ａ】フロントエンド昇圧及びバックエンド降圧を有する位相電力変換器につき単一の制御可能なスイッチを図示する回路図
【図１０Ｂ】ＳＲＭ又はＰＭＢＤＣＭモーターのための昇圧回路及び降圧回路を有する電力変換器のブロック線図
【図１１】図１０Ａに図示される電力変換器の昇圧ステージ及び降圧ステージのそれぞれの構成を図示する回路図
【図１２】図１０Ａに図示される電力変換器のＡ相巻線の通電を図示する回路図
【図１３】図１０Ａに図示される電力変換器の昇圧動作を図示する回路図
【図１４】図１０Ａに図示される電力変換器の降圧ステージ通電を図示する回路図
【図１５】図１０Ａに図示される電力変換器用のフリーホイーリング（自発型）降圧ステージを図示する回路図
【図１６】自身のフロントエンドに全波整流器を有する図１０Ａの電力変換器を図示する回路図
【図１７】図１７Ａは、２つの制御可能なスイッチで３相のモーターを制御する２つの降圧ステージを有する、フロントエンド昇圧及びバックエンドを有する電力変換器を図示する回路図、図１７Ｂは、全波フロントエンド整流器を有する図１７Ａの電力変換器を図示する回路図
【図１７Ｃ】ＳＲＭ又はＰＭＢＤＣＭモーター用の昇圧-降圧回路及び降圧回路を有する電力変換器のブロック線図
【図１８】フロントエンド降圧及びバックエンド昇圧を有するフェーズ電力変換器につき単一の制御可能なスイッチを図示する回路図
【図１９】図１８に図示される電力変換器の昇圧ステージ及び降圧ステージのそれぞれの構成を図示する回路図
【図２０Ａ】降圧フロントエンド電力ステージ及び降圧バックエンド電力ステージを有するフェーズ電力変換器につき単一の制御可能なスイッチを図示する回路図
【図２０Ｂ】ＳＲＭ又はＰＭＢＤＣＭモーター用の、フロントエンド降圧回路及びバックエンド降圧回路を有する、電力変換器のブロック線図
【図２１Ａ】フロントエンド昇降圧電力ステージ及び昇圧バックエンド電力ステージを有するフェーズ電力変換器につき単一の制御可能なスイッチを図示する回路図
【図２１Ｂ】ＳＲＭ又はＰＭＢＤＣＭモーター用の、昇降圧回路及び昇圧回路を有する電力変換器のブロック図
【図２２】両方の相巻線のための独立したエネルギー源を有する、図２１Ａの電力変換器を図示する回路図
【図２３】インバーターモジュールの１つのフェーズレッグを用いるフェーズ電力変換器につき単一の制御可能なスイッチを図示する回路図
【図２４】インバーターモジュールの１つのフェーズレッグを用い、モーターの相巻線を流れる電流の循環を抑止するフェーズ電力変換器につき単一の制御可能なスイッチを図示する回路図
【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５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１７Ｃ】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０Ａ】
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【図２０Ｂ】
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【図２１Ａ】
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【図２１Ｂ】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【国際調査報告】
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