JP2005505225A - 電圧変換器 - Google Patents

Abstract

本発明は、少なくとも電流制限器（６，５）と、電源電圧（Ｕ’）に同期した制御装置（３）によって制御されるスイッチ（２）と、蓄積コンデンサ（１）とが間に配置された２つの入力端子（Ａ’，Ｂ’）を備え、２つの出力端子が蓄積コンデンサに接続された電圧変換器に関する。電流制限器は少なくとも変圧器（５）の１次巻線（５１）からなり、この変圧器の２次巻線（５３）が整流器（７）に電力を供給し、該整流器の端子が該変換器の端子に接続される。変圧器の使用によって該変換器が吸収する電流は大きく低減される。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、間に少なくとも電流制限器と、電源電圧に同期した制御装置によって作動する電子スイッチと、蓄積コンデンサとが配置された２つの入力端子を備え、２つの出力端子が蓄積コンデンサから取り出される電圧変換器に関する。
【０００２】
かくして、本発明は、とりわけ周波数５０または６０Ｈｚの電源によって供給されるＡＣ電圧から本質的に一定のＤＣ電圧を提供する非調整化、非分離化変換器に関する。
【背景技術】
【０００３】
同様の変換器は、例えば、ＥＰ ０ ９２１ ６２８、ＥＰ ０ ７６３ ８７８、ＧＢ ２ ２０３ ００３、ＵＳ ４ ００１ ６６８及びＵＳ ４ ６４１ ２３３といった特許で説明されている。該電流制限器は抵抗素子、別言すれば抵抗からなる。
【０００４】
こうした電圧変換器は、例えば２３０Ｖの線間電源電圧を、一般に約１２Ｖの比較的低い電圧に下げる必要があるため、制御スイッチ及び蓄積コンデンサと直列に接続された電流制限器が存在する必要がある。電流制限器はとりわけ、制御スイッチに流入する電流がこのスイッチが導通する全期間を通じて許容可能なレベルを越えないように選択される。電流制限器として使用される抵抗内の熱損失は、変換器が電線路から得る実効電流の二乗に比例する。従って、あるレベルの有効電力についてこの電流を何らかの形で減少させれば、変換器の効率は非常に大きく改善される。
【発明の開示】
【０００５】
この観察に基づいて、本発明の目的はこの電流を非常に大きく減少させることにある。
【０００６】
この目的のため、本発明による変換器は、電流制限器が少なくとも変圧器の１次巻線によって形成されており、この変圧器の２次巻線が整流器に電力を供給し、その整流器の出力端子が変換器の出力端子に接続されることを特徴とする。
【０００７】
変圧器は少なくとも、１次巻線と、磁気回路と、出力側が整流器の入力側に接続され、その整流器の出力側がコンデンサと並列に接続された２次巻線とを備える。この接続により、変圧器は巻線間での大きな直流分離（galvanic isolation）を必要としない。しかし、変圧器は巻線間のすぐれた結合を有することが有利である。１つの実施形態によれば、１次巻線と２次巻線のエナメル線は同時に巻かれる。絶縁性が低くても十分であるため、このことは問題にならない。
【０００８】
電流制限器と、スイッチと、コンデンサとは直列に構成され、入力端子間に印加される電圧は整流された交流電圧である。
【０００９】
また、電流制限器は、ブリッジ整流器と直列に接続してもよく、その場合ブリッジ整流器の出力側は、直列に接続されたスイッチとコンデンサとに接続され、入力端子間に印加される電圧はＡＣ電圧である。
【００１０】
１つの実施形態によれば、１次巻線と２次巻線とは同じ巻線数を有する。
【００１１】
このことは、１次巻線と２次巻線との同時巻線を容易にするという効果を有するだけでなく、さらに、変圧比が１に等しい場合、１次電圧の変化は、低いと想定される出力電圧によって制限される２次電圧の変化を越えることがない。従って、利用される変圧器の１次電圧は低いレベルに制限されているので、その製造上の制約も制限される。従って、こうした変圧器を大量生産する費用は、従来の変圧器よりはるかに低く抑えられる。
【００１２】
これに関して想起されたいことは、変圧比１の変圧器は常に２つの回路間の直流分離を目的として使用されるが、本発明の実施形態による変換器は変圧比１であるが分離性の低い変圧器を使用しており、これは当該技術分野における通常の慣行とは異なっていることである。
【００１３】
別の実施形態によれば、変圧器の２次巻線と１次巻線との間の巻線数の比は１未満、例えば０．５である。この場合、巻線間のすぐれた結合が保持されれば、１次巻線の端子間でより大きな電圧降下が観察されるが、これは保護抵抗の値を下げる上でさらに有利である。この選択肢では、場合によっては、保護抵抗を除去することが十分に可能であるが、それは、保護抵抗が必要なのは、整流された入力電圧が出力電圧に対して非常に大きな振幅を有している時だけだからである。
【００１４】
変圧器の１次巻線は、電源から派生する干渉をろ波するためのインダクタとして使用することもできる。
【００１５】
添付の図面は、例示的に、本発明による変換器の２つの実施形態を示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図示される電圧変換器は２つの入力端子Ａ及びＢを有し、そこに、整流されたＡＣ電圧Ｕ、例えば線間電圧が印加される。この変換器は、電子スイッチ２によって給電される蓄積コンデンサ１を備えているが、この電子スイッチ２はこの場合ＭＯＳトランジスタまたはＭＯＳＦＥＴであって、制御ユニット３によって制御され、変圧器５の１次巻線５１と電流制限抵抗６とに直列に接続されている。制御ユニット３は、先行技術、例えば特許ＥＰ ０ ９２１ ６２８で説明されているようにして製造される。該制御ユニットは、ドレインが変圧器１次巻線５１に接続され、ソースがコンデンサ１、換言すれば変換器の出力側Ｓに接続されたトランジスタ２のゲートを介してスイッチ２の開閉を制御する。
【００１７】
また、変圧器５は磁気回路５２と２次巻線５３とを備えているが、この２次巻線の出力側は整流器７の入力側に接続され、該整流器の出力側はコンデンサ１と並列に接続されている。該変換器は記号で示されるユーザ側４に電力を供給する。
【００１８】
以下の計算に対してそれを単純化するため、各変圧器巻線間の比が１である場合を想定し、巻線結合は完璧であるとする。また、電流の基本周波数の場合のみならず高調波の場合にも完璧な動作を想定する。従って、電流ｉ₁の交流成分は常に変圧器出力電流の交流成分に等しい。整流器７の出力側の電流ｉ₂に関しては、その平均値はｉ₁の平均値に等しいが、両者は同一ではないことに注意されたい。
【００１９】
かくして、＜ ＞が平均値を表す時、
＜ｉ₂＞ ＝ ＜ｉ₁＞
が成り立つ。
【００２０】
さらに、負荷４は実際には抵抗性負荷に電力供給する電圧調整器で構成され、従ってコンデンサ１の端子間の電圧がある範囲内で変化しても一定の電流Ｉ₀を吸収すると想定する。
【００２１】
かくして、任意の瞬間において、次式が成り立つ。
【００２２】
ｉ_c ＝ ｉ₁ ＋ ｉ₂ − Ｉ₀
このようにして、平均値について、＜ｉ_c＞ ＝ ０及び＜ｉ₁＞ ＝ ＜ｉ₂＞であるとすれば、次式が成り立つ。
【００２３】
＜ｉ₁＞ ＝ Ｉ₀／２
従って、電流ｉ₁の平均値は、ｉ₂を伴わない従来技術による構成で必要とされる平均値と比較して半分に低下する。
【００２４】
電流ｉ₁は振幅ｉ_1Mを有するパルスである。伝導周期、ひいては電流の時間変化が、本発明による構成と従来技術による構成とで同一であると想定すると、ｉ₁の平均値が半分に低下したため、必要とされるｉ_1Mの値も単純に半分となるが、これはｉ₁の実効値Ｉ₁も、従来技術による装置と比較して半分になることを意味する。１次近似として、このｉ_1Mの低下は制限抵抗を２倍にすることによって達成される。
【００２５】
従って、同じ伝導周期について従来技術と比較すると、本発明による装置では制限抵抗６内の熱損失が半分になる。
【００２６】
この近似計算は変圧器１次巻線５１の端子間の電圧を考慮していないが、これは制限抵抗の計算に影響し、その値を２倍の増大から低下させる。従って、無損失変圧器の場合、消費電力中の利得は実際には２より大きい。
【００２７】
さらに注目されたいが、変圧器の制限された電圧偏位がコア中の最大誘導と、ひいては渦電流損失とを制限するが、このこと自体無損失変圧器の想定を部分的に正当化している。
【００２８】
利用される変圧器が１未満、例えば０．５の巻線比を有し、同時に巻線間のすぐれた結合を維持する実施形態では、達成することがより困難であることが多いが、より顕著な効果の恩恵が受けられる。変圧器１次電流に関しては、本発明による構成と従来技術による構成との間での１対３の比と、１次巻線の端子間のより大きな電圧降下とを達成できるが、これは保護抵抗の値を減少させる上でいっそう好ましい。このため、場合によっては電流制限抵抗６を完全に除去することも考えられる。
【００２９】
０．５の巻線比とすぐれた結合とを有する変圧器は、同じ巻線数を有し同時に巻かれた２つの１次巻線と２つの２次巻線であって、２つの１次巻線が直列に接続され２つの２次巻線が並列に接続されたものを使用することによって得られる。
【００３０】
本発明による変換器の詳細な動作は、スイッチ導通時に変圧器中に蓄積されるエネルギーと、スイッチ開放時に回収されるエネルギーとを伴うが、これは本発明の理解に加わるものではない。
【００３１】
特許請求される回路から離れることなく、例えば蓄積コンデンサと出力端子との間の構成に補助的要素を導入してもよい。
【００３２】
例えば、整流された電源（２３０Ｖ，５０Ｈｚ）から始まって、負荷４の平均出力電圧が１１Ｖ、電流が１００ｍＡである場合、２００ｍＡの入力実効電流が得られる。
【００３３】
図２に示される変換器の第２の実施形態は、前の場合にＡ及びＢの上流に配置されていたが図１では図示されなかった全波整流ユニット（グレーツ・ブリッジとして構成された各ダイオード）が、ここでは直列形態で導入されてスイッチ（２）とコンデンサ（１）とによって形成される区分に給電する点で異なっている。この整流ユニットを符号８で示す。その結果、点Ｂ’は接地に直接接続されない。
【００３４】
制御ユニット（図示せず）はスイッチ２を駆動する。
【００３５】
点Ａ’及びＢ’の間に印加される電圧Ｕ’はここではＡＣ電圧であるので、これらの点を電源に直接接続することができる。
【００３６】
図１の構成に関して、この構成は変圧器の使用をより良好にするという利点を有する。すなわち、その１次電流は双方向となり、各線間電源周期中に完全なヒステリシス・サイクルが示され、変圧器磁気回路中の磁束は、正の値の飽和磁束と正の値の残留磁束との間で変化するのではなく、正と負の値の飽和磁束の間で変化することができる。従って、変圧器コア積層体の機能は最適化され、場合によってはサイズを縮小することが可能になる。
【００３７】
他の態様については、上記で説明されたものと全く同一の動作である。
【００３８】
さらに注目されたいが、変圧器１次巻線の動作は完全に双方向になるので、その１次インダクタンスを使用して規格が定めるように、電源から派生される干渉をろ波することもできる。このろ波は実際には従来ＬＣ回路によって行われている。
【００３９】
従って、例えば、（特定の抵抗６が回路中で使用されている場合）巻線５１のインダクタンスが回路の上流に位置するように抵抗６と変圧器１次巻線５１との位置を交換し、このインダクタのあとに追加のフィルタ・コンデンサＣ’を接続し、そのもう一方の端子を点Ｂ’に接続するだけで十分である。
【００４０】
このフィルタ・コンデンサＣ’の静電容量は蓄積コンデンサ１のそれよりかなり低く、例えば、フィルタ・コンデンサＣ’では２２０ｎＦ、コンデンサ１では２２００μＦの値が使用される。
【００４１】
また、１次巻線を２つの半分の巻線に分割し、コンデンサＣ’をそれらの巻線のセンタタップに接続してもよい。この方法で、‘Ｔ’フィルタ構成が作られるが、そのすぐれた性能は当該技術分野で周知である。かくして、本発明のさらなる利点は、補足的なインダクタンスの必要なしに、良好な電源用フィルタリングを提供することである。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】第１の実施形態による変換器の回路図である。
【図２】第２の実施形態による変換器の回路図である。

Claims (8)

1. 少なくとも電流制限器（６，５）と、電源電圧（Ｕ；Ｕ’）に同期した制御装置（３）によって制御される電子スイッチ（２）と、蓄積コンデンサ（１）とが間に配置された２つの入力端子（Ａ，Ｂ；Ａ’，Ｂ’）を備え、２つの出力端子が前記蓄積コンデンサから取り出される電圧変換器であって、前記電流制限器が少なくとも変圧器（５）の１次巻線（５１）によって形成されており、該変圧器（５）の２次巻線（５３）が整流器（７）に電力を供給し、該整流器（７）の出力端子が該変換器の出力端子に接続されることを特徴とする電圧変換器。
2. 前記電流制限器（６，５）と、前記スイッチ（２）と、前記コンデンサ（１）とが直列に構成され、前記入力端子（Ａ，Ｂ）間に印加される電圧（Ｕ）が整流された交流電圧であることを特徴とする、請求項１に記載の変換器。
3. 前記電流制限器（６，５）がブリッジ整流器（８）と直列に接続され、該ブリッジ整流器（８）の出力側が、直列に接続された前記スイッチ（２）と前記コンデンサ（１）とに接続され、前記入力端子（Ａ’，Ｂ’）間に印加される電圧（Ｕ’）がＡＣ電圧であることを特徴とする、請求項１に記載の変換器。
4. 前記１次及び２次巻線が同じ巻線数を有することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の変換器。
5. 前記変圧器の前記１次巻線（５１）の巻線数に対する前記２次巻線（５３）の巻線数の比が１未満であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の変換器。
6. 前記電流制限器がまた、前記変圧器の１次巻線（５１）と直列の抵抗（６）を備えることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の変換器。
7. 前記１次及び２次の変圧器巻線の各ワイヤが同時に巻かれることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の変換器。
8. 前記変圧器（５）の前記１次巻線（５１）が、電源から派生する干渉をろ波するインダクタとして使用されることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載の変換器。