(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電圧源(2)と交流電流源(4)との間で電力を可逆的に変換するためのチョッパ形装置であって、
偶数のスイッチングセル（６1、・・・、６2n）からなり、各セルは、第１のスイッチ（８1、・・・８2n）と第２のスイッチ（１０1、・・・１０2n）を有し、電圧に関し一方向的で、電流に関し双方向的であって、前記スイッチングセル（６1、・・・、６2n）に接続する容量（２４1、・・・、２４2n-1）は、前記複数セルの端子において、０又は電圧源の電圧（Ve）の所定の分割比に等しい電荷をもつ電圧の維持に適しており、複数の制御装置（２６1、・・・、２６2n）は、スイッチングセルに接続し、前記セルの第１と第２の複数スイッチ（８1、・・・８2n、１０1、・・・１０2n）のスイッチングを制御し、前記複数セルの第１の半分（６1、・・・、６2i-1、・・・、６2n-1）は、電圧源（２）の電圧（Ve）の正電圧部分を処理し、前記複数セルの第２の半分（６1、・・・、６2i、・・・、６2n）は、電圧源（２）の電圧（Ve）の負電圧部分を処理するように構成されており、
第１スイッチ群は、前記スイッチングセルの第１の複数スイッチ（８1、・・・８2n）で構成されており、その第１の複数スイッチは、前記電圧源（２）の第１端子（14）と前記電流源（４）の第１端子（12）との間に直列に接続され、
第２スイッチ群は、前記スイッチングセルの第２の複数スイッチ（１０1、・・・１０2n）で構成されており、前記第２の複数スイッチは、前記電圧源（２）の第２端子（16）と前記電流源（４）の前記第１端子（12）との間に直列に接続され、
前記複数セルの前記第1の半分に属する前記第１と第２のスイッチ（８1、・・・８2n-1、１０1、・・・１０2n）の電圧の一方向的特性は、それぞれ、前記複数セルの前記第２の半分に属する第１と第２複数スイッチ（８2、・・・、８2i、・・・、８2n、１０2、・・・、１０2i、・・・１０2n）の電圧の一方向的特性と反対のものであることを特徴とする、電力を可逆的に変換するためのチョッパ形装置。
【請求項２】
前記電流源４の第２端子(18)が、前記電圧源(2)の第１、第２端子(14、16)のいずれかに接続しており、前記電圧源と前記電流源に共通な、前記装置の中性点を形成することを特徴とする請求項１記載の電力を可逆的に変換するためのチョッパ形装置。
【請求項３】
前記複数セルの第1の半分に属する群の複数スイッチ（８1、・・・８2n−１、１０1、・・・１０2n）は、前記複数セルの第2の半分に属する各群の複数スイッチ（８２、・・・、８２ｉ、・・・、８2n、１０２、・・・、１０２ｉ、・・・１０2n）に交互に接続されることを特徴とする請求項1又は２記載の電力を可逆的に変換するためのチョッパ形装置。
【請求項４】
前記制御装置（２６1、・・・、２６2n）は、前記複数セルの第1の半分の各セル(６1、・・・、６２ｉ−１、・・・、６2n−１)の２つのスイッチの切替を制御するのに適しており、それらが反対の状態であることを確保し、前記電圧源の電圧(Ve)が正の時、前記複数セルの第2の半分の各セル(６２、・・・、６２ｉ、・・・、６2n)の２つのスイッチを導通に保つものであって、前記制御装置は、反対に、前記複数セルの第2の半分の各セル(６２、・・・、６２ｉ、・・・、６2n)の２つのスイッチの切替を制御するのに適しており、それらが反対の状態であることを確保し、前記電圧源の電圧(Ve)が負の時、前記複数セルの第1の半分の各セル(６1、・・・、６２ｉ−１、・・・、６2n−１)の２つのスイッチを導通に保つことを特徴とする請求項１−３のいずれか1項記載の電力を可逆的に変換するためのチョッパ形装置。
【請求項５】
前記電圧源の電圧が正の時、前記複数セルの第1の半分の全セル(６1、・・・、６２ｉ−１、・・・、６2n−１)、及び、前記電圧源の電圧が負の時、前記複数セルの第2の半分の全セル(６２、・・・、６２ｉ、・・・、６2n)は、実質的に均一なサイクリック比と、前記複数セルの半分の二つの連続するセルの間の実質的に均一な位相シフトで、制御されることを特徴とする請求項４記載の電力を可逆的に変換するためのチョッパ形装置。
【請求項６】
請求項１−４のいずれか１項に基づく複数の装置を含み、電圧源（２）と電流源（４）が、それらの間で、それぞれ接続されていることを特徴とする、複数の電圧源と複数の電流源との間の多相電力を可逆的に変換する為のチョッパ形装置。
【請求項７】
全電流源(4)の第2端子(18)は相互に接続して、前記電流源の中性点を形成し、各前記電圧源(2)の端子（14,16）の一つは同一点に接続し、前記電圧源の中性点を形成することを特徴とする請求項6記載の多相電力を可逆的に変換する為のチョッパ形装置。
【請求項８】
前記複数電流源(4)の前記中性点及び前記複数電圧源(2)の中性点が,相互に接続され、全電圧源と全電流源に共通な装置の中性点を形成することを特徴とする請求項6記載の多相電力を可逆的に変換する為のチョッパ形装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、可逆的電力変換の為のチョッパ形装置（cutting device for reversibly converting electrical power）に関する。
【０００２】
更に具体的に言えば、本発明は、交流電圧源と交流電流源との間で電力を可逆的に変換する装置に関する。該装置は、偶数のスイッチングセルからなり、各セルは第１と第２のスイッチを有し、それらは、電圧に関し一方向的で、電流に関し双方向的である。スイッチングセルに接続する容量は、セルの端子において、０又は電圧源の電圧の所定の分割比に等しい電荷をもつ電圧の維持に適しており、複数の制御装置は、スイッチングセルに接続し、セルの第１と第２のスイッチのスイッチングを制御し、セルの第１部分は、電圧源の正電圧部分を処理し、セルの第２部分は、電圧源の負電圧部分を処理するのに適している。
【０００３】
次に、スイッチングセルは、二つのスイッチで構成され、電気制御信号が供給される、複数の制御装置で、反対状態（導通/非導通）に制御されるユニットを意味する。
【０００４】
このように、セルの二つのスイッチは、同時に遮断状態を取れない。同様に、二つのスイッチは、同時に導電状態を取れない。その例外は、第１端子と第２端子の間にそれぞれ維持される電圧が等しいとき、特に、その値が０である時である。
【０００５】
このような変換器は、B.H.Kwon、B.−D.Min及びJ.−H.Kim著「Novel topologies of AC choppers」IEE Proceeding on Electr. Power Appl., page 323-330, volume 143, no. 4, 1996年７月に説明されている。
【０００６】
前記変換器は、二つのスイッチングセルを持ち、各々は、容量に接続している。
【０００７】
第１セルは、電圧源の正電圧部分を処理するのに適しており、前記電圧源の二つの端子の一つにだけ接続する。
【０００８】
第２セルは、電圧源の負電圧部分を処理するのに適しており、前記電圧源の二つの端子の他の１つにだけ接続する。
【０００９】
この構成の有利な点は、電圧に関し一方向的で、電流に関し双方向的であるスイッチをもつスイッチングセルを使用できることであり、その実際の実装は簡単である。
【００１０】
しかしながら、この装置においては、電流源が、一方では、第１セルの二つのスイッチ間に接続され、他方では、第２セルの二つのスイッチ間に接続される。この制約条件の結果、例えば、電流源の二つの端子の内の一つを電圧源の二つの端子の内の１つ又は所定の電圧レベルを持つ装置の一点に接続すること（所定の複数アプリケーションに推奨される）ができなかった。
【００１１】
本発明の目的は、電力を可逆的に変換するために、従来のチョッパ形装置の欠点を改善し、電流源の二つの端子の１ つを、回路のどの点（例えば、電圧源の二つの端子の１ つ） にも自由に接続できるような装置を作り出すことである。
【００１２】
従って、本発明は、交流電圧源と交流電流源との間で電力を可逆的に変換するためのチョッパ形装置に関し、偶数のスイッチングセルからなり、各セルは、第１と第２のスイッチを有し、それらは、電圧に関し一方向的で、電流に関し双方向的である。スイッチングセルに接続する容量は、前記複数セルの端子において、０又は電圧源の電圧の所定の分割比に等しい電荷をもつ電圧の維持に適しており、複数の制御装置は、スイッチングセルに接続し、前記セルの第１と第２のスイッチのスイッチングを制御し、前記複数のセルの第１の半分は、電圧源の正電圧部分を処理し、前記複数セルの第２の半分は、電圧源の負電圧部分を処理するのに適しており、その特徴は、スイッチの第１群は、前記スイッチングセルの第１の複数スイッチで構成されており、その第１の複数スイッチは、電圧源の第１端子と電流源の第１端子との間に直列に接続され、第２スイッチ群は、前記スイッチングセルの第２の複数スイッチで構成されており、その第２の複数スイッチは、電圧源の第２端子と電流源の第１端子との間に直列に接続され、
前記複数セルの前記第１半分に属する前記第１と第２のスイッチの電圧において一方向的特性は、それぞれ、前記複数セルの前記第２の半分に属する第１と第２スイッチのそれに対立するものである。
【００１３】
このように、本発明に基づく装置によれば、電流源の第２端子の接続点を自由に選択することができる。このことは、複数の応用例において主要な利点であることが明らかである。
【００１４】
本発明に基づく電力の可逆的変換の為のチョッパ形装置は、一つ又はそれ以上の以下の特徴をもつものである。
【００１５】
−電流源の第２端子が、電圧源の第１と第２の端子のいずれかに接続しており、電圧源と電流源に共通な、装置の中性点を形成する。
【００１６】
−前記複数セルの第１の半分に属する群の複数スイッチは、前記複数セルの第２の半分に属する各群のスイッチに交互に接続される。
【００１７】
−制御装置は、前記複数セルの第1の半分の各セルの２つのスイッチの切替を制御するのに適しており、それらが反対の状態であることを確保し、電圧源の電圧が正の時、前記複数セルの第2の半分の各セルの２つのスイッチを導通に保つものである。反対に、前記制御装置は、前記複数セルの第2の半分の各セルの２つのスイッチの切替を制御するのに適しており、それらが反対の状態であることを確保し、電圧源の電圧が負の時、前記複数セルの第1の半分の各セルの２つのスイッチを導通に保つものである。
【００１８】
−電圧源の電圧が正の時、前記複数セルの第1の半分の全セル、及び、電圧源の電圧が負の時、前記複数セルの第２の半分の全セルは、実質的に均一なサイクリック比と、複数セルの半分部分の二つの連続するセルの間の実質的に均一な位相シフトで、制御される。
【００１９】
−本発明は、又、複数の電圧源と複数の電流源の間の多相電力を変換する為のチョッパ形装置に関するものである。その特徴は、複数の装置と、相互に接続された電圧源と電流源を含む点である。
【００２０】
本発明に基づく多相電力を可逆的に変換する為のチョッパ形装置は、又、以下の特徴を有する。
【００２１】
−全電流源の複数の第２端子は、相互に接続されており、電流源の中性点を形成し、各電圧源の複数端子の１つは、同一点に接続されており、電圧源の中性点を形成する。
【００２２】
−電流源の中性点と電圧源の中性点は、相互に接続されており、全電圧源と全電流源の全てに共通な装置の中性点を形成する。
【００２３】
本発明は、実施例と図面を参照しながら、以下の説明により充分理解される。
【００２４】
図１は、電力を可逆的に変換する為のチョッパ形装置を表す。該装置は、交流電圧源２を有し、その端子間の電圧振幅Veのサイン波電位差を生成する。又、該装置は、交流電流源４を有し、その端子間の電圧振幅Vｓの電位差を許容する。
【００２５】
前記装置は、２n個のスイッチングセル６1、・・・、６2nを有する。但し、ｎは、１より大きい、又は、１に等しい整数である。
【００２６】
各スイッチングセル６iは、二つのスイッチ８iと10iから構成される。これらスイッチの制御は、図３と５を説明する時に、詳細に説明する。
【００２７】
２ｎ個のスイッチ８1、・・・８2nは、複数スイッチの第1群を形成し、電流源４の第1端子１２と電圧源２の第1端子１４との間で、数字の増加する順に直列接続している。
同様に、２ｎ個のスイッチ１０1、・・・１０2nは、複数スイッチの第２群を形成し、電流源４の第1端子１２と電圧源２の第1端子１４と電圧源２の第1端子１６との間で、数字の増加する順に直列接続している。
【００２８】
電圧源２の第２端子１６は、又、電流源４の第２端子１８に接続しており、電圧源２と電流源４に共通であり、前記装置の中性点を形成する。
【００２９】
前記装置の複数スイッチは、全て同一タイプで、即ち、電圧について一方向的で、電流について双方向的であって、各スイッチは、IGBTトランジスタ20と逆並行のダイオード２２が接続してなる。各IGBTトランジスタは、応用例によっては、バイポーラ、ダーリントン、Mｏｓｔ、GTO等のトランジスタに代えてもよい。
【００３０】
2n−１個の容量２４1、・・・、２４2n-1が、又、2n個のセル６1、・・・６2n間に接続されている。各容量２４iは、一方では、二つのスイッチ８iと８ｉ+1の接続点に接続され、他方では、二つのスイッチ１０iと１０i+1の接続点に接続される。
【００３１】
このように、各容量２４iは、各セル６iのそれぞれの端子において、０、又は、電圧源２の電圧Veの所定の分割比に等しい電荷をもつ電圧を維持している。この電圧は、複数のスイッチ８1、・・・、８2n、１０1、・・・１０2nの状態の関数となっている。
【００３２】
複数セルの第1の半分６1、・・・、６2i-1、・・・、６2n-1は、電圧源2の電圧Vｅの正部分を処理するように構成される。複数セルの第１の半分の各セル６2i-1に関して、電圧について一方向的であるスイッチ１０2i-1は、電流源４に最も近接する端子と電圧源２に最も近接する端子との間の正の電圧差に耐えるように、及び、他の方向の電位差を防止するように構成されている。従来のように、セル６2i-1の他のスイッチ８2i-1が、逆方向に配置される。
【００３３】
同様に、複数セル６2、・・・、６2i、・・・、６2nは、電圧源２の電圧Veの負電圧部分を処理できるように構成する。前記複数セルの第２の半分の各セル６2iに関して、電圧に関し、一方向的であるスイッチ１０2iは、電流源４に最も近接する端子と電圧源２に最も近接する端子との間の負の電圧差に耐えるように、及び、他の方向の電位差を防止するように構成される。セル６2iの他のスイッチ８2iは、逆方向に配置される。
【００３４】
最後に、制御装置２６1、・・・、２６2nが、スイッチングセル６1、・・・、６2nを制御するが、この点については、図３と図５を説明する時に詳述する。
【００３５】
図２は、前記した装置の動作期間の１周期にわたる、電圧源２の端子電圧Veの応答曲線を表す。
【００３６】
該電圧Veは、交番電圧で、例えば、サイン波形である。その周期において、その期間の前半分（時間ｔ０と時間ｔ１）は、正の電圧であり、その期間の後半部分（時間ｔ１と時間ｔ２）は、負の電圧である。
【００３７】
上記の装置の特定の構成を、図３に示す。
【００３８】
図において、該装置は、二つのスイッチングセル６1と６2、及びこれらスイッチングセルを制御するための二つの装置２６1、２６2を有する。ここでは、電圧源２の電圧Veの正電圧の期間が表わされている。
【００３９】
この交番期間に、前記制御装置２６1は、二つのスイッチ（８1と１０1）のスイッチングを制御し、それらが逆の状態（導通/非導通）であるように制御する。これに対し、前記制御装置２６2は、セル６2を制御し、二つのスイッチ（８2と１０2）の導通状態を維持する。このために、制御装置（２６1と２６2）は、それぞれ、制御信号SC1とSC2をスイッチングセル（６1と６2）に送出する。
【００４０】
なお、交流電圧源２は、従来のやり方で構成されている。即ち、一方では、インダクタンス３０に、他方では容量３２に直列に接続する実電圧源２８に並列に、組み付け（montage）により構成される。容量３２の二つの端子は、前記電圧源２二つの端子１４と１６である。
【００４１】
図３に示す装置の、電圧源２の正の交番期間の動作について、図４を使って説明する。
【００４２】
この図において、時間ｔ０と時間ｔ１の間（即ち正の電圧期間の）、電圧源２の２端子（１４と１６）間の電圧Veが、示されている。
【００４３】
この図は、又、前記二つの制御装置の出力に供給される制御信号（SC1とSC2）を表す。これら信号の値は、どの時点でも、０又は１に等しい。
【００４４】
変換装置のどのスイッチも、１の制御信号を受信する時には、導通状態に維持され、０の制御信号を受信する時には、遮断状態に維持される。
【００４５】
このように、時間ｔ０と時間ｔ１の間、前記信号SC２は、１であり、直接二つのスイッチ８２と１０２を制御し、それらを導通状態に維持するので、容量２４１の端子において、どの時点においてもVeに等しくなる。
【００４６】
その間、信号SC1は、周期的な矩形波信号であり、その周期は、明らかにｔ1−ｔ0期間より短い。スイッチ８1は、直接的に、その信号により制御される。他方、スイッチ１０1は、信号SC1の反転信号（信号SC1の１に対する補数）により、制御される。このように、正の電圧期間に、そのスイッチ１０1が遮断される時スイッチ１０1に、スイッチ１０1が導通する時スイッチ８1に、電圧源の電圧Veが、交代で印加されることになる。
【００４７】
交流電流源４の端子１８と１２における出力電圧を図４に示す。該電圧は、交流電圧がチョップされたものである。その電圧値は、０かVeに等しい。但し、該電圧は、スイッチ１０１と１０２の端子における電圧の総和に等しい。
【００４８】
前記装置は二つのセルを有しており、前記電圧源２の電圧Veが正の期間については、前記した通りである。前記電圧源２の電圧Veが負の期間についての図を、図５に示す。
【００４９】
この電圧期間、制御装置２６1は、セル６1を制御し、二つのスイッチ８1と１０1を導通状態に維持する。制御装置２６2は、二つのスイッチ８2と１０2のスイッチングを制御し、それらが反対の状態になるようにする。
【００５０】
図５に示す装置の、電圧源２の負電圧期間の動作は、図６を使って説明する。
【００５１】
この図において、時間ｔ１と時間ｔ２の間（即ち、電圧源２が負電圧の期間）の電圧Veが、示されている。
【００５２】
この図は、又、制御信号（SC1とSC2）を表す。時間ｔ１と時間ｔ２の間、前記信号SC１は、１であり、直接二つのスイッチ８１と１０１を制御し、それらを導通状態に維持するので、容量２４１の端子における電圧は、０である。
【００５３】
その間、信号SC2は、周期的な矩形波信号であり、その周期は、明らかにｔ2−ｔ1期間より短い。スイッチ８2は、直接的に、その信号により制御される。他方、スイッチ１０2は、信号SC2の反転信号（信号SC２の１の補数）により、制御される。このように、負の電圧期間に、そのスイッチ１０2が遮断される時スイッチ１０2に、スイッチ１０2が導通する時スイッチ８2に、電圧源の電圧Veが、交代でかかることになる。
【００５４】
交流電流源４の端子１８と１２における出力電圧を図６に示す。前記と同様に、該電圧は、交流電圧がチョップされたものである。その電圧値は、０かVeに等しい。
【００５５】
次に、電圧源２の電圧の周期期間に、チョップされた出力電圧が得られ、該電圧は、各時点で、０か、又は、電圧源２の電圧か、に等しい。
【００５６】
図３と図５に示される装置の制御の仕方についての考え方を使って、図１に示す装置の適正制御を行うことができる。該制御装置を使って、電圧源の電圧が正の時、前記セルの第1の半分の全セルが、及び、電圧源の電圧が負の時、前記セルの第2の半分の全セルが、実質的にサイクリック・レイシオが等しく、前記セルの半分の二つの連続するセル間の、前記制御信号SC1とSC2の位相シフトが、実質的に２π/ｎに等しくなるように制御される。
【００５７】
本発明の他の態様によると、複数電圧源と複数電流源の電力の可逆変換のための３相チョッパ形装置は、図７に示すものであるが、前記の三つの装置（(例えば、これぞれが二つのスイッチングセルを有する三つの装置)）の相互接続により構成される。これら三つの装置は、装置の三つの中性点を接続することにより、相互接続される。多相装置の中性点は、このように構成され、全電圧源、全電流源に共通のものである。
【００５８】
本発明による、電力の可逆変換のための１相又は多相のチョッパ形装置は、従来装置の出力電圧Vsをチョップする（cutting）機能を維持する一方、同時にユーザが、前記装置の電流源４の端子の１つを、自由に、所定の電圧レベル接続することを可能にする。特別な場合には、この所定電圧レベルは、各電圧源２の二つの端子の内の１つのレベルに共通であってもよい。
【００５９】
本発明は、前記実施例に限定されないことに留意すべきである。
【００６０】
従って、変形により、スイッチングセル６１、…、６２ｎは、前記のように、前記複数セルの第1の半分に属する複数セルと、前記複数セルの第2の半分に属する複数セルの間、交互に接続される。例えば、第1の半分に属するセルは、セル６１から６ｎで、第2の半分に属するセルは６ｎ＋１から６２ｎである。
【００６１】
変形により、電力の可逆変換のための、３相の分割装置を構成するための、三つの変換装置（図７に示す）の相互接続は、一方で、３電流源、他方で３電圧源を相互接続することにより、行われる。これら相互接続は、三角形タイプ又は星型タイプの回路構成の選択に従って、実行される。これら回路構成は従来技術である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明による電力の可逆変換のための装置のブロックダイアグラムである。
【図２】  図１に示す変換装置の交流電圧源の端子電圧の応答曲線である。
【図３】  本発明による電力の可逆変換のための装置のブロックダイアグラムであって、二つのセルを有し、電圧源の電圧が正の期間、該装置の制御ユニットを詳しく示す装置のダイアグラムである。
【図４】  図３に示す装置における、交流電圧源の端子電圧の応答曲線、スイッチングセルを制御するためのユニットの制御信号、及び、交流電流源の端子の出力電圧を表す。
【図５】  本発明による電力の可逆変換のための装置のブロックダイアグラムであって、二つのセルを有し、電圧源の電圧が負の期間、該装置の制御ユニットを示す装置のダイアグラムである。
【図６】  図５に示す装置における、交流電圧源の端子電圧の応答曲線、スイッチングセルを制御するためのユニットの制御信号、及び、交流電流源の端子の出力電圧を表す。
【図７】  本発明の他の態様による、電力の可逆変換のための装置のブロックダイアグラムである。制御装置は図示しない。
【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６】
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【図５】
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【図７】
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