变压装置制造方法

变压装置制造方法
【专利摘要】一种变压装置，设置在电源和负载之间，包括分别具有进行使相对于输入的输出的极性交替反转的开关动作的功能的前级电路以及后级电路，所述变压装置包括：串联体，设置在前级电路以及后级电路中的至少一方，将一对电抗元件在连接点中相互串联连接而成；以及开关装置，在将串联体的两端设为第一端口的情况下，使串联体的一端和连接点之间以及串联体的另一端和连接点之间通过开关动作而交替且反转极性而设为第二端口，执行从第一端口到第二端口的电力的传输以及从第二端口到第一端口的电力的传输中的任一个。
【专利说明】变压装置

【技术领域】
[0001] 本发明涉及变压装置。

【背景技术】
[0002] 在商用交流的配送电系统中，使用变压器。在供电对象的附近，使用例如将 6600V (50Hz或者60Hz)变压为200V的柱上变压器（参照非专利文献1)。这样的柱上变压 器中，成为导线的粗线圈卷绕在铁心上，有相应的重量。此外，若进一步包括绝缘油或壳，则 例如在直径40cm、高度80cm的类型中有200kg左右的重量。
[0003] 另一方面，面向作为下一代电力系统的智能电网的实现，正在进行 SST(Solid-State Transformer，固态变压器）的研究。在SST中，使用高频变压器（例如， 参照非专利文献2)。
[0004] 【现有技术文献】
[0005] 【非专利文献】
[0006] 【非专利文献1】
[0007]中部电力主页、"柱上变压器"、[online]、[平成25年7月19日检索]、互联网
[0008] < URL ：http ：//www. chuden. co. jp/e-museum/guide/3floor/exhibit_c23. html >
[0009] 【非专利文献2】
[0010] Falcones,S. ：et al.,Power and Energy Society General Meeting,2010IEEE, pp. 1-8, Minneapolis, July2010
[0011] 现有的柱上变压器重，因此，不容易安装。此外，柱上需要用于容纳其外形尺寸的 足够大的安装空间。
[0012] 另一方面，高频变压器不能避免寄生电容的影响，存在设计上的困难性。


【发明内容】

[0013] 鉴于这样的现有的问题点，本发明的目的在于，提供一种小型轻量且不需要如现 有的变压器那样的磁耦合或电磁感应、互电感用的线圈或铁心等的划时代的下一代的变压 装直。
[0014] 本发明是一种变压装置，设置在电源和负载之间，包括：前级电路，在与所述电源 连接的前端侧具有输入端口 P1以及P2,在后端侧具有输出端口 P3以及P4 ;以及后级电路， 在与所述负载连接的后端侧具有输出端口 P7以及P8,在前端侧具有输入端口 P5以及P6，
[0015] 作为所述前级电路，能够选择以下的（F1)?（F5)中的任一个：
[0016] (F1)将一对电容器在电容器连接点中相互串联连接而成的串联体的两端分别连 接到所述输入端口 P1以及所述输入端口 P2,所述电容器连接点连接到所述输出端口 P4,位 于所述输入端口 P1和所述输出端口 P3之间的第一开关和位于所述输入端口 P2和所述输 出端口 P3之间的第二开关通过开关动作而交替成为接通状态的前级电路；
[0017] (F2)将在所述（F1)的前级电路中在与所述输出端口 P3直连的线路中插入电容器 的电路作为一个单元，将多个单元的所述输入端口 PI、P2相互串联连接，将多个单元的所 述输出端口 P3、P4相互并联连接的前级电路；
[0018] (F3)将一对电感器在电感器连接点中相互串联连接而成的串联体的两端分别连 接到所述输出端口 P3以及所述输出端口 P4,所述电感器连接点连接到所述输入端口 P2,位 于所述输入端口 P1和所述输出端口 P3之间的第一开关和位于所述输入端口 P1和所述输 出端口 P4之间的第二开关通过开关动作而交替成为接通状态的前级电路；
[0019] (F4)将在所述（F3)的前级电路中在与所述输入端口 P1直连的线路中插入电感器 的电路作为一个单元，将多个单元的所述输入端口 PI、P2相互串联连接，将多个单元的所 述输出端口 P3、P4相互并联连接的前级电路；
[0020] (F5)由四个开关构成，从所述输入端口 P1、P2输入并从所述输出端口 P3、P4输出 的全桥电路的前级电路，
[0021] 此外，作为所述后级电路，能够选择以下的（R1)?（R5)中的任一个：
[0022] (R1)将一对电感器在电感器连接点中相互串联连接而成的串联体的两端分别连 接到所述输入端口 P5以及所述输入端口 P6,所述电感器连接点连接到所述输出端口 P8,位 于所述输入端口 P5和所述输出端口 P7之间的第一开关和位于所述输入端口 P6和所述输 出端口 P7之间的第二开关通过开关动作而交替成为接通状态的后级电路；
[0023] (R2)将在所述（R1)的后级电路中在与所述输出端口 P7直连的线路中插入电感器 的电路作为一个单元，将多个单元的所述输入端口 P5、P6相互串联连接，将多个单元的所 述输出端口 P7、P8相互并联连接的后级电路；
[0024] (R3)将一对电容器在电容器连接点中相互串联连接而成的串联体的两端分别连 接到所述输出端口 P7以及所述输出端口 P8,所述电容器连接点连接到所述输入端口 P6,位 于所述输入端口 P5和所述输出端口 P7之间的第一开关和位于所述输入端口 P5和所述输 出端口 P8之间的第二开关通过开关动作而交替成为接通状态的后级电路；
[0025] (R4)将在所述（R3)的后级电路中在与所述输入端口 P5直连的线路中插入电容器 的电路作为一个单元，将多个单元的所述输入端口 P5、P6相互串联连接，将多个单元的所 述输出端口 P7、P8相互并联连接的后级电路；
[0026] (R5)由四个开关构成，从所述输入端口 P5、P6输入并从所述输出端口 P7、P8输出 的全桥电路的后级电路，
[0027] 包括所述前级电路（F1)?（F5)中的任一个和所述后级电路（R1)?（R5)中的任 一个而构成，并且，排除前级电路为（F5)且后级电路为（R5)的组合。
[0028] 此外，从其他观点出发，本发明是一种变压装置，设置在电源和负载之间，包括分 别具有进行使相对于输入的输出的极性交替反转的开关动作的功能的前级电路以及后级 电路，所述变压装置包括：串联体，设置在所述前级电路以及所述后级电路中的至少一方， 将一对电抗元件在连接点中相互串联连接而成；以及开关装置，在将所述串联体的两端设 为第一端口的情况下，使所述串联体的一端和所述连接点之间以及所述串联体的另一端和 所述连接点之间通过开关动作而交替且反转极性而设为第二端口，执行从所述第一端口到 所述第二端口的电力的传输以及从所述第二端口到所述第一端口的电力的传输中的任一 个。
[0029] 另外，电抗元件是具有电感性电抗的电感器或者具有电容性电抗的电容器。
[0030] 另一方面，若将电源限定于直流电源，则进一步还有其他的结构。即，本发明是一 种变压装置，设置在直流电源和负载之间，包括：前级电路，在与所述电源连接的前端侧具 有输入端口 P1以及P2,在后端侧具有输出端口 P3以及P4 ;以及后级电路，在与所述负载连 接的后端侧具有输出端口 P7以及P8,在前端侧具有输入端口 P5以及P6，
[0031] 作为所述前级电路，能够选择以下的（F1)?（F5)中的任一个：
[0032] (F1)将一对电容器在电容器连接点中相互串联连接而成的串联体的两端分别连 接到所述输入端口 P1以及所述输入端口 P2,所述电容器连接点连接到所述输出端口 P4,位 于所述输入端口 P1和所述输出端口 P3之间的第一开关和位于所述输入端口 P2和所述输 出端口 P3之间的第二开关通过开关动作而交替成为接通状态的前级电路；
[0033] (F2)将在所述（F1)的前级电路中在与所述输出端口 P3直连的线路中插入电容器 的电路作为一个单元，将多个单元的所述输入端口 PI、P2相互串联连接，将多个单元的所 述输出端口 P3、P4相互并联连接的前级电路；
[0034] (F3)将一对电感器在电感器连接点中相互串联连接而成的串联体的两端分别连 接到所述输出端口 P3以及所述输出端口 P4,所述电感器连接点连接到所述输入端口 P2,位 于所述输入端口 P1和所述输出端口 P3之间的第一开关和位于所述输入端口 P1和所述输 出端口 P4之间的第二开关通过开关动作而交替成为接通状态的前级电路；
[0035] (F4)将在所述（F3)的前级电路中在与所述输入端口 P1直连的线路中插入电感器 的电路作为一个单元，将多个单元的所述输入端口 PI、P2相互串联连接，将多个单元的所 述输出端口 P3、P4相互并联连接的前级电路；
[0036] (F5)由四个开关构成，从所述输入端口 P1、P2输入并从所述输出端口 P3、P4输出 的全桥电路的前级电路，
[0037] 此外，作为所述后级电路，能够选择以下的（R1)?（R5)中的任一个：
[0038] (R1)将一对电感器在电感器连接点中相互串联连接而成的串联体的两端分别连 接到所述输入端口 P5以及所述输入端口 P6,所述电感器连接点连接到所述输出端口 P8,位 于所述输入端口 P5和所述输出端口 P7之间的第一二极管和位于所述输入端口 P6和所述 输出端口 P7之间的第二二极管根据输入电压的极性而交替导通的后级电路；
[0039] (R2)将在所述（R1)的后级电路中在与所述输出端口 P7直连的线路中插入电感器 的电路作为一个单元，将多个单元的所述输入端口 P5、P6相互串联连接，将多个单元的所 述输出端口 P7、P8相互并联连接的后级电路；
[0040] (R3)将一对电容器在电容器连接点中相互串联连接而成的串联体的两端分别连 接到所述输出端口 P7以及所述输出端口 P8,所述电容器连接点连接到所述输入端口 P6,位 于所述输入端口 P5和所述输出端口 P7之间的第一二极管和位于所述输入端口 P5和所述 输出端口 P8之间的第二二极管根据输入电压的极性而交替导通的后级电路；
[0041] (R4)将在所述（R3)的后级电路中在与所述输入端口 P5直连的线路中插入电容器 的电路作为一个单元，将多个单元的所述输入端口 P5、P6相互串联连接，将多个单元的所 述输出端口 P7、P8相互并联连接的后级电路；
[0042] (R5)由四个二极管构成，从所述输入端口 P5、P6输入并从所述输出端口 P7、P8输 出的全桥电路的后级电路，
[0043] 包括所述前级电路（F1)?（F5)中的任一个和所述后级电路（R1)?（R5)中的任 一个而构成，并且，排除前级电路为（F5)且后级电路为（R5)的组合。
[0044] 通过将本发明的变压装置作为电力用的变压器来使用，不需要包括线圈或铁心等 的现有的变压器。因此，能够实现变压器的飞跃性的小型轻量化以及伴随于此的低成本化。

【专利附图】

【附图说明】
[0045] 图1是表示第一实施方式的变压装置的电路图。
[0046] 图2(a)是表示在图1中的四个开关中，位于上侦彳的两个开关接通、位于下侦彳的两 个开关断开时的、实体连接的状态的电路图。（b)是将与（a)相同的电路图改写为阶段状的 电路图。
[0047] 图3(a)是表示在图1中的四个开关中，位于下侦彳的两个开关接通、位于上侦彳的两 个开关断开时的、实体连接的状态的电路图。此外，（b)是将与（a)相同的电路图改写为阶 段状的电路图。
[0048] 图4是分别表示对于变压装置的输入电压以及输入电流的波形图。
[0049] 图5是分别表示在变压的中间阶段的电压以及电流的波形图。
[0050] 图6是分别表示来自变压装置的输出电压以及输出电流的波形图。
[0051] 图7是表示第二实施方式的变压装置的电路图。
[0052] 图8是分别表示对于图7所示的变压装置的输入电压以及输入电流的波形图。
[0053] 图9是分别表示来自图7所示的变压装置的输出电压以及输出电流的波形图。
[0054] 图10是表示第三实施方式的变压装置的电路图。
[0055] 图11是表示第四实施方式的变压装置的电路图。
[0056] 图12是表示第五实施方式的变压装置的电路图。
[0057] 图13是表示第六实施方式的变压装置的电路图。
[0058] 图14是表示第七实施方式的变压装置的电路图。
[0059] 图15是表示第八实施方式的变压装置的电路图。
[0060] 图16是表示第九实施方式的变压装置的电路图。
[0061] 图17是表示第十实施方式的变压装置的电路图。
[0062] 图18是表示第i^一实施方式的变压装置的电路图。
[0063] 图19是表示第十二实施方式的变压装置的前级电路的电路图。
[0064] 图20是表示第十二实施方式的变压装置的后级电路的电路图。
[0065] 图21是相当于图1的实验用的电路图的例。
[0066] 图22是表示大体上观察各实施方式的变压装置的概略结构的框图。
[0067] 图23是表示能够作为变压装置的前级电路来选择的电路的基本形的图。
[0068] 图24是表示能够作为变压装置的后级电路来选择的电路的基本形的图。
[0069] 图25是表示基于分布常数电路的变压装置的连接图。
[0070] 图26是将图1所示的变压装置和图25的变压装置进行了组合的电路图。
[0071] 图27是表示基于二端子对电路（四端子电路）的变压装置的概念的图。
[0072] 图28是表示构成电路的元素数的想法的图。
[0073] 图29是表示能够由最小的元素数4构成的电路结构中的四个模式的图。
[0074] 图30是表示4A型的电路结构的图。
[0075] 图31是表示4A型的电路结构的实例6模式的图。
[0076] 图32是将图1所示的变压装置和具有4A型的电路结构的变压装置进行了组合的 电路图。
[0077] 图33是表示4B型的电路结构的图。
[0078] 图34是表示4B型的电路结构的实例6模式的图。
[0079] 图35是将图1所示的变压装置和具有4B型的电路结构的变压装置进行了组合的 电路图。
[0080] 图36是表示4C型的电路结构的图。
[0081] 图37是表示4C型的电路结构的实例6模式的图。
[0082] 图38是将图1所示的变压装置和具有4C型的电路结构的变压装置进行了组合的 电路图。
[0083] 图39是表示4D型的电路结构的图。
[0084] 图40是表示4D型的电路结构的实例2模式的图。
[0085] 图41是将图1所示的变压装置和具有4D型的电路结构的变压装置进行了组合的 电路图。
[0086] 图42(a)是表示n = 5的第一例的电路结构的图。（b)表示T型电路。
[0087] 图43(a)是表示n = 5的第二例的电路结构的图。（b)表示31型电路。
[0088] 图44(a)是表示n = 6的第一例的电路结构的图。（b)是表示n = 6的第二例的 电路结构的图。
[0089] 图45是将图19的前级电路的三个单元仅由两个单元改写的电路图。
[0090] 图46是与图45等效的电路。
[0091] 图47是表不在图12的变压装置的如级电路和后级电路之间插入了基于后述的集 中常数电路的变压装置的复合式的变压装置的电路图。
[0092] 图48是表示第十三实施方式的变压装置1的电路图。
[0093] 图49是在图48的变压装置中附加了环流二极管的电路图。
[0094] 图50是表示在使用了二极管的情况下的、能够作为后级电路来选择的电路的基 本形的图。
[0095] 图51是表示对于直流电源的变压装置的使用例的连接图。

【具体实施方式】
[0096][实施方式的主旨]
[0097] 作为本发明的实施方式的主旨，至少包括以下。
[0098] (1)其是一种变压装置，设置在电源和负载之间，包括：前级电路，在与所述电源 连接的前端侧具有输入端口 P1以及P2,在后端侧具有输出端口 P3以及P4 ;以及后级电路， 在与所述负载连接的后端侧具有输出端口 P7以及P8,在前端侧具有输入端口 P5以及P6， [0099] 作为所述前级电路，能够选择以下的（F1)?（F5)中的任一个：
[0100] (F1)将一对电容器在电容器连接点中相互串联连接而成的串联体的两端分别连 接到所述输入端口 P1以及所述输入端口 P2,所述电容器连接点连接到所述输出端口 P4,位 于所述输入端口 P1和所述输出端口 P3之间的第一开关和位于所述输入端口 P2和所述输 出端口 P3之间的第二开关通过开关动作而交替成为接通状态的前级电路；
[0101] (F2)将在所述（F1)的前级电路中在与所述输出端口 P3直连的线路中插入电容器 的电路作为一个单元，将多个单元的所述输入端口 PI、P2相互串联连接，将多个单元的所 述输出端口 P3、P4相互并联连接的前级电路；
[0102] (F3)将一对电感器在电感器连接点中相互串联连接而成的串联体的两端分别连 接到所述输出端口 P3以及所述输出端口 P4,所述电感器连接点连接到所述输入端口 P2,位 于所述输入端口 P1和所述输出端口 P3之间的第一开关和位于所述输入端口 P1和所述输 出端口 P4之间的第二开关通过开关动作而交替成为接通状态的前级电路；
[0103] (F4)将在所述（F3)的前级电路中在与所述输入端口 P1直连的线路中插入电感器 的电路作为一个单元，将多个单元的所述输入端口 PI、P2相互串联连接，将多个单元的所 述输出端口 P3、P4相互并联连接的前级电路；
[0104] (F5)由四个开关构成，从所述输入端口 P1、P2输入并从所述输出端口 P3、P4输出 的全桥电路的前级电路，
[0105] 此外，作为所述后级电路，能够选择以下的（R1)?（R5)中的任一个：
[0106] (R1)将一对电感器在电感器连接点中相互串联连接而成的串联体的两端分别连 接到所述输入端口 P5以及所述输入端口 P6,所述电感器连接点连接到所述输出端口 P8,位 于所述输入端口 P5和所述输出端口 P7之间的第一开关和位于所述输入端口 P6和所述输 出端口 P7之间的第二开关通过开关动作而交替成为接通状态的后级电路；
[0107] (R2)将在所述（R1)的后级电路中在与所述输出端口 P7直连的线路中插入电感器 的电路作为一个单元，将多个单元的所述输入端口 P5、P6相互串联连接，将多个单元的所 述输出端口 P7、P8相互并联连接的后级电路；
[0108] (R3)将一对电容器在电容器连接点中相互串联连接而成的串联体的两端分别连 接到所述输出端口 P7以及所述输出端口 P8,所述电容器连接点连接到所述输入端口 P6,位 于所述输入端口 P5和所述输出端口 P7之间的第一开关和位于所述输入端口 P5和所述输 出端口 P8之间的第二开关通过开关动作而交替成为接通状态的后级电路；
[0109] (R4)将在所述（R3)的后级电路中在与所述输入端口 P5直连的线路中插入电容器 的电路作为一个单元，将多个单元的所述输入端口 P5、P6相互串联连接，将多个单元的所 述输出端口 P7、P8相互并联连接的后级电路；
[0110] (R5)由四个开关构成，从所述输入端口 P5、P6输入并从所述输出端口 P7、P8输出 的全桥电路的后级电路，
[0111] 包括所述前级电路（F1)?（F5)中的任一个和所述后级电路（R1)?（R5)中的任 一个而构成，并且，排除前级电路为（F5)且后级电路为（R5)的组合。
[0112] 在如上述（1)那样构成的变压装置中，能够通过电路结构和开关动作来进行变 压。通过将这样的变压装置作为电力用的变压器来使用，不需要包括线圈或铁心等的现有 的变压器。因此，能够实现变压器的飞跃性的小型轻量化以及伴随于此的低成本化。此外， 也解除了在高频变压器中成为课题的寄生电容、漏磁场产生的问题，能够实现低损耗的变 压器。
[0113] (2)此外，若进行不同的表现，则其是一种变压装置，设置在电源和负载之间，包 括分别具有进行使相对于输入的输出的极性交替反转的开关动作的功能的前级电路以及 后级电路，所述变压装置包括：串联体，设置在所述前级电路以及所述后级电路中的至少一 方，将一对电抗元件在连接点中相互串联连接而成；以及开关装置，在将所述串联体的两端 设为第一端口的情况下，使所述串联体的一端和所述连接点之间以及所述串联体的另一端 和所述连接点之间通过开关动作而交替且反转极性而设为第二端口，执行从所述第一端口 到所述第二端口的电力的传输以及从所述第二端口到所述第一端口的电力的传输中的任 一个。
[0114] 在如上述（2)那样构成的变压装置中，能够通过包括一对电抗元件的电路结构和 开关动作来进行变压。通过将这样的变压装置作为电力用的变压器来使用，不需要包括线 圈或铁心等的现有的变压器。因此，能够实现变压器的飞跃性的小型轻量化以及伴随于此 的低成本化。此外，也解除了在高频变压器中成为课题的寄生电容、漏磁场产生的问题，能 够实现低损耗的变压器。
[0115] (3)此外，优选在（1)或者（2)的变压装置中，若所述串联体为一对电感器的串联 体，且将所述电源的频率设为f。，将开关频率设为fs，将任意的所述电感器的电感值设为L， 将所述负载的电阻值设为R，则
[0116] 2 Jr f〇L << R << 2 Jr fsL。
[0117] 此时，能够获得失真少的、进一步稳定的变压动作。另外，由不等号表示的差优选 为例如1位以上、更优选为2位以上的差。
[0118] (4)此外，优选在（1)或者（2)的变压装置中，若所述串联体为一对电容器的串联 体，且将所述电源的频率设为f。，将开关频率设为fs，将任意的所述电容器的电容值设为C， 将所述负载的电阻值设为R，则
[0119] 1八2 Jr fsC) << R << 1八2 Jr f0C)。
[0120] 此时，能够获得失真少的、进一步稳定的变压动作。另外，由不等号表示的差优选 为例如1位以上、更优选为2位以上的差。
[0121] (5)此外，在⑴或者⑵的变压装置中，也可以是在没有与所述串联体的连接点 连接的一方的输出用的线路中插入电容器的结构。
[0122] 此时，在装置发生故障的情况下或在线路中有接地或短路的情况下，能够抑制从 电源对负载流入过电流。
[0123] (6)此外，在（1)?（5)中的任一个的变压装置中，也可以在所述前级电路和所述 后级电路之间插入分布常数电路，该分布常数电路包括：将所述前级电路的输出的频率设 为f，将频率f的波长设为A，长度为A /4的第一转换器；以及在该第一转换器的末端和所 述后级电路之间设置的长度为A/4的第二转换器。
[0124] 此时，被插入的分布常数电路具有变压功能。因此，通过与分布常数电路的变压功 能进行组合，能够设为能够进行变压比的宽范围的设计的变压装置。
[0125] (7)此外，在（1)?（5)中的任一个的变压装置中，也可以在所述前级电路和所述 后级电路之间插入二端子对电路，该二端子对电路将4以上的自然数设为n，将n个电抗元 件相互连接而构成，相对于所述负载的任意的电阻值R，所述二端子对电路的输入阻抗Z in 的实数分量将k设为常数，由k ? R表示，且虚数分量为0。
[0126] 此时，被插入的二端子对电路具有变压功能。因此，通过与二端子对电路的变压功 能进行组合，能够设为能够进行变压比的宽范围的设计的变压装置。
[0127] (8)此外，也可以将⑴或者⑵的变压装置以多个组、级联而构成。
[0128] 此时，能够实现大的变压比。
[0129] (9)此外，在⑴?（7)中的任一个的变压装置中，还能够作为电容器、电感器或者 电抗元件而利用电缆的电容以及电感。
[0130] 此时，电缆能够容易确保耐压性能，此外，是低成本。
[0131] (10)此外，其是一种变压装置，设置在直流电源和负载之间，包括：
[0132] 前级电路，在与所述电源连接的前端侧具有输入端口 P1以及P2,在后端侧具有输 出端口 P3以及P4 ;以及
[0133] 后级电路，在与所述负载连接的后端侧具有输出端口 P7以及P8,在前端侧具有输 入端口 P5以及P6，
[0134] 作为所述前级电路，能够选择以下的（F1)?（F5)中的任一个：
[0135] (F1)将一对电容器在电容器连接点中相互串联连接而成的串联体的两端分别连 接到所述输入端口 P1以及所述输入端口 P2,所述电容器连接点连接到所述输出端口 P4,位 于所述输入端口 P1和所述输出端口 P3之间的第一开关和位于所述输入端口 P2和所述输 出端口 P3之间的第二开关通过开关动作而交替成为接通状态的前级电路；
[0136] (F2)将在所述（F1)的前级电路中在与所述输出端口 P3直连的线路中插入电容器 的电路作为一个单元，将多个单元的所述输入端口 PI、P2相互串联连接，将多个单元的所 述输出端口 P3、P4相互并联连接的前级电路；
[0137] (F3)将一对电感器在电感器连接点中相互串联连接而成的串联体的两端分别连 接到所述输出端口 P3以及所述输出端口 P4,所述电感器连接点连接到所述输入端口 P2,位 于所述输入端口 P1和所述输出端口 P3之间的第一开关和位于所述输入端口 P1和所述输 出端口 P4之间的第二开关通过开关动作而交替成为接通状态的前级电路；
[0138] (F4)将在所述（F3)的前级电路中在与所述输入端口 P1直连的线路中插入电感器 的电路作为一个单元，将多个单元的所述输入端口 PI、P2相互串联连接，将多个单元的所 述输出端口 P3、P4相互并联连接的前级电路；
[0139] (F5)由四个开关构成，从所述输入端口 P1、P2输入并从所述输出端口 P3、P4输出 的全桥电路的前级电路，
[0140] 此外，作为所述后级电路，能够选择以下的（R1)?（R5)中的任一个：
[0141] (R1)将一对电感器在电感器连接点中相互串联连接而成的串联体的两端分别连 接到所述输入端口 P5以及所述输入端口 P6,所述电感器连接点连接到所述输出端口 P8,位 于所述输入端口 P5和所述输出端口 P7之间的第一二极管和位于所述输入端口 P6和所述 输出端口 P7之间的第二二极管根据输入电压的极性而交替导通的后级电路；
[0142] (R2)将在所述（R1)的后级电路中在与所述输出端口 P7直连的线路中插入电感器 的电路作为一个单元，将多个单元的所述输入端口 P5、P6相互串联连接，将多个单元的所 述输出端口 P7、P8相互并联连接的后级电路；
[0143] (R3)将一对电容器在电容器连接点中相互串联连接而成的串联体的两端分别连 接到所述输出端口 P7以及所述输出端口 P8,所述电容器连接点连接到所述输入端口 P6,位 于所述输入端口 P5和所述输出端口 P7之间的第一二极管和位于所述输入端口 P5和所述 输出端口 P8之间的第二二极管根据输入电压的极性而交替导通的后级电路；
[0144] (R4)将在所述（R3)的后级电路中在与所述输入端口 P5直连的线路中插入电容器 的电路作为一个单元，将多个单元的所述输入端口 P5、P6相互串联连接，将多个单元的所 述输出端口 P7、P8相互并联连接的后级电路；
[0145] (R5)由四个二极管构成，从所述输入端口 P5、P6输入并从所述输出端口 P7、P8输 出的全桥电路的后级电路，
[0146] 包括所述前级电路（F1)?（F5)中的任一个和所述后级电路（R1)?（R5)中的任 一个而构成，并且，排除前级电路为（F5)且后级电路为（R5)的组合。
[0147] 在如上述（10)那样构成的变压装置中，能够通过电路结构和开关动作来进行变 压。通过将这样的变压装置作为电力用的DC/DC转换的变压器来使用，不需要包括线圈或 铁心等的现有的变压器。因此，能够实现变压器的飞跃性的小型轻量化以及伴随于此的低 成本化。此外，也解除了在高频变压器中成为课题的寄生电容、漏磁场产生的问题，能够实 现低损耗的变压器。
[0148] [实施方式的细节]
[0149] 提案的变压装置根据其结构而有以下的3种。
[0150] (A)基于使用了电抗元件的电路结构和开关动作的变压装置
[0151] (B)基于分布常数电路的变压装置
[0152] (C)基于集中常数电路的变压装置
[0153] 作为本发明的实施方式，主要例举（A)，补充性地还说明（B)以及（C)。
[0154] <基于使用了电抗元件的电路结构和开关动作的变压装置>
[0155] 《第一实施方式》
[0156] 图1是表示第一实施方式的变压装置1的电路图。在图中，变压装置1设置在交 流电源2和负载R(R也是电阻值）之间。变压装置1包括一对电容器Cl、C2、一对电感器 LI、L2、四个开关S rt、Srt、Sbl、Sb2、控制这些开关Srt、S rt、Sbl、Sb2的接通/断开的开关控制部 3。开关控制部3的开关频率是例如1MHz左右。
[0157] 另外，一对电容器C1、C2的电容值也可以是相同的值，也可以是互不相同的值。关 于一对电感器LI、L2的电感值，也是同样的。
[0158] 由开关Srt、S,2、Sbl、S b2以及开关控制部3构成切换变压装置1的电路连接的状态 的开关装置4。开关、、心相互同步地动作，此外，开关Sbl、Sb2相互同步地动作。并且， 开关S rt、Srf的对和开关Sbl、Sb2的对动作为排他地交替成为接通。开关Srt、S rt、Sbl、Sb2例 如是由SiC元件或者GaN元件构成的半导体开关元件。SiC元件或者GaN元件能够进行例 如比Si元件更快速的开关动作。此外，即使不将元件多级连接，也能够获得充分的耐压（例 如也可以是6kV/-个）。
[0159] 在图1中，一对电容器Cl、C2在连接点Ml中相互串联连接。并且，该串联体的两 端连接有交流电源2。在一对电容器Cl、C2的串联体中被施加输入电压v in，流过输入电流 lin〇
[0160] 此外，一对电感器LI、L2在连接点M2中相互串联连接。并且，在该串联体的两端 中被施加经由电容器Cl、C2的输入电压v m，流过输入电流im。在负载R中，在开关&2, Sb2 中的任一个接通时流过电流。这里，将在负载R中被施加的电压设为V()Ut，将从变压装置1 对负载R流过的输出电流设为i^。
[0161] 图2的（a)是表示在图1中的四个开关Srt、S,2、S bl、Sb2中，位于上侧的两个开关 、S,2接通、位于下侧的两个开关Sb 1、Sb2断开时的实体连接的状态的电路图。另外，省略 图1中的开关装置4的图示。此外，图2的（b)是将与（a)相同的电路图改写为阶段状的 电路图。
[0162] 另一方面，图3的（&)是表示在图1中的四个开关&1、5, 2、5131、5132中，位于下侧的 两个开关Sbl、Sb2接通、位于上侧的两个开关S rt、断开时的实体连接的状态的电路图。 此外，图3的（b)是将与（a)相同的电路图改写为阶段状的电路图。
[0163] 通过交替重复图2、图3的状态，经由电容器Cl、C2的串联体的连接点Ml而取出 的电压成为进一步经由电感器L1、L2的串联体的连接点M2而取出的电压。即，是包括一对 电容器Cl、C2的前级电路和包括一对电感器LI、L2的后级电路的电路结构，并且，在各级 中，通过开关动作，相对于输入的输出的极性反转。另外，关于电容器C1、C2,通过开关动作 而交替反转电流的方向，关于电感器L1、L2,通过开关动作而交替反转电压的方向。
[0164] 这里，能够估计输入电压是否成为1/4而被输出。以下，将其在理论上进行证明。
[0165] 在图2中，若将来自交流电源2的输入电压设为vin，将施加到负载R的电压设为 V。#，将施加到电容器C1的电压设为 Vl，将施加到电容器C2的电压设为v2，将流过电感器L1 的电流设为L，将流过电感器L2的电流设为i 2，则以下的式成立。
[0166] 另外，为了计算的简略化，设为电容器Cl、C2的电容都是相同的值C、电感器LI、L2 的电感都是相同的值L。

【权利要求】
1. 一种变压装置，设置在电源和负载之间，包括： 自U级电路，在与所述电源连接的自U端侧具有输入端口 P1 W及P2,在后端侧具有输出端 口 P3 W及 P4 及 后级电路，在与所述负载连接的后端侧具有输出端口 P7 W及P8,在自U端侧具有输入端 口 P5 W及 P6， 作为所述前级电路，能够选择W下的（F1)?（F5)中的任一个： (F1)将一对电容器在电容器连接点中相互串联连接而成的串联体的两端分别连接到 所述输入端口 P1 W及所述输入端口 P2,所述电容器连接点连接到所述输出端口 P4,位于所 述输入端口 P1和所述输出端口 P3之间的第一开关和位于所述输入端口 P2和所述输出端 口 P3之间的第二开关通过开关动作而交替成为接通状态的前级电路； (F2)将在所述（F1)的前级电路中在与所述输出端口 P3直连的线路中插入电容器的电 路作为一个单元，将多个单元的所述输入端口 P1、P2相互串联连接，将多个单元的所述输 出端口 P3、P4相互并联连接的前级电路； (F3)将一对电感器在电感器连接点中相互串联连接而成的串联体的两端分别连接到 所述输出端口 P3 W及所述输出端口 P4,所述电感器连接点连接到所述输入端口 P2,位于所 述输入端口 P1和所述输出端口 P3之间的第一开关和位于所述输入端口 P1和所述输出端 口 P4之间的第二开关通过开关动作而交替成为接通状态的前级电路； (F4)将在所述（F3)的前级电路中在与所述输入端口 P1直连的线路中插入电感器的电 路作为一个单元，将多个单元的所述输入端口 P1、P2相互串联连接，将多个单元的所述输 出端口 P3、P4相互并联连接的前级电路； (F5)由四个开关构成，从所述输入端口 P1、P2输入并从所述输出端口 P3、P4输出的全 桥电路的前级电路， 此外，作为所述后级电路，能够选择W下的巧1)?巧5)中的任一个： 巧1)将一对电感器在电感器连接点中相互串联连接而成的串联体的两端分别连接到 所述输入端口 P5 W及所述输入端口 P6,所述电感器连接点连接到所述输出端口 P8,位于所 述输入端口 P5和所述输出端口 P7之间的第一开关和位于所述输入端口 P6和所述输出端 口 P7之间的第二开关通过开关动作而交替成为接通状态的后级电路； 巧2)将在所述巧1)的后级电路中在与所述输出端口 P7直连的线路中插入电感器的电 路作为一个单元，将多个单元的所述输入端口 P5、P6相互串联连接，将多个单元的所述输 出端口 P7、P8相互并联连接的后级电路； 巧3)将一对电容器在电容器连接点中相互串联连接而成的串联体的两端分别连接到 所述输出端口 P7 W及所述输出端口 P8,所述电容器连接点连接到所述输入端口 P6,位于所 述输入端口 P5和所述输出端口 P7之间的第一开关和位于所述输入端口 P5和所述输出端 口 P8之间的第二开关通过开关动作而交替成为接通状态的后级电路； (R4)将在所述巧3)的后级电路中在与所述输入端口 P5直连的线路中插入电容器的电 路作为一个单元，将多个单元的所述输入端口 P5、P6相互串联连接，将多个单元的所述输 出端口 P7、P8相互并联连接的后级电路； 化5)由四个开关构成，从所述输入端口 P5、P6输入并从所述输出端口 P7、P8输出的全 桥电路的后级电路， 包括所述前级电路（FI)?（F5)中的任一个和所述后级电路巧1)?巧5)中的任一个 而构成，并且，排除前级电路为（巧）且后级电路为化。的组合。
2. -种变压装置，设置在电源和负载之间，包括分别具有进行使相对于输入的输出的 极性交替反转的开关动作的功能的前级电路W及后级电路，所述变压装置包括： 串联体，设置在所述前级电路W及所述后级电路中的至少一方，将一对电抗元件在连 接点中相互串联连接而成；W及 开关装置，在将所述串联体的两端设为第一端口的情况下，使所述串联体的一端和所 述连接点之间W及所述串联体的另一端和所述连接点之间通过开关动作而交替且反转极 性而设为第二端口，执行从所述第一端口到所述第二端口的电力的传输W及从所述第二端 口到所述第一端口的电力的传输中的任一个。
3. 如权利要求1或2所述的变压装置，其中， 若所述串联体为一对电感器的串联体，且将所述电源的频率设为f。，将开关频率设为fs，将任意的所述电感器的电感值设为L将所述负载的电阻值设为R，则 2化1<<R<< 2 3ifsL。
4. 如权利要求1或2所述的变压装置，其中， 若所述串联体为一对电容器的串联体，且将所述电源的频率设为f。，将开关频率设为fs，将任意的所述电容器的电容值设为C，将所述负载的电阻值设为R，则 1/ (2 31fsC) < <R< < 1/ (2 31f〇C)。
5. 如权利要求1或2所述的变压装置，其中， 在设置有所述串联体的电路中，在没有与所述串联体的连接点连接的一方的输出用的 线路中插入电容器。
6. 如权利要求1至5的任一项所述的变压装置，其中， 在所述前级电路和所述后级电路之间插入分布常数电路，该分布常数电路包括： 将所述前级电路的输出的频率设为f，将频率f的波长设为A，长度为A/4的第一转 换器拟及 在该第一转换器的末端和所述后级电路之间设置的长度为A/4的第二转换器。
7. 如权利要求1至5的任一项所述的变压装置，其中， 在所述前级电路和所述后级电路之间插入二端子对电路， 该二端子对电路如下： 将4 W上的自然数设为n，将n个电抗元件相互连接而构成，相对于所述负载的任意的 电阻值R，所述二端子对电路的输入阻抗Zi。的实数分量将k设为常数，由k ? R表示，且虚 数分量为0。
8. -种变压装置，将权利要求1或2所述的变压装置W多个组、级联而构成。
9. 如权利要求1至7的任一项所述的变压装置，其中， 利用电缆的电容W及电感作为电容器、电感器或者电抗元件。
10. -种变压装置，设置在直流电源和负载之间，包括： 自U级电路，在与所述电源连接的自U端侧具有输入端口 P1 W及P2,在后端侧具有输出端 口 P3 W及 P4 及 后级电路，在与所述负载连接的后端侧具有输出端口 P7 W及P8,在自U端侧具有输入端 口 P5 W及 P6， 作为所述前级电路，能够选择W下的（FI)?（F5)中的任一个： (F1)将一对电容器在电容器连接点中相互串联连接而成的串联体的两端分别连接到 所述输入端口 P1 W及所述输入端口 P2,所述电容器连接点连接到所述输出端口 P4,位于所 述输入端口 P1和所述输出端口 P3之间的第一开关和位于所述输入端口 P2和所述输出端 口 P3之间的第二开关通过开关动作而交替成为接通状态的前级电路； (F2)将在所述（F1)的前级电路中在与所述输出端口 P3直连的线路中插入电容器的电 路作为一个单元，将多个单元的所述输入端口 P1、P2相互串联连接，将多个单元的所述输 出端口 P3、P4相互并联连接的前级电路； (F3)将一对电感器在电感器连接点中相互串联连接而成的串联体的两端分别连接到 所述输出端口 P3 W及所述输出端口 P4,所述电感器连接点连接到所述输入端口 P2,位于所 述输入端口 P1和所述输出端口 P3之间的第一开关和位于所述输入端口 P1和所述输出端 口 P4之间的第二开关通过开关动作而交替成为接通状态的前级电路； (F4)将在所述（F3)的前级电路中在与所述输入端口 P1直连的线路中插入电感器的电 路作为一个单元，将多个单元的所述输入端口 P1、P2相互串联连接，将多个单元的所述输 出端口 P3、P4相互并联连接的前级电路； (F5)由四个开关构成，从所述输入端口 P1、P2输入并从所述输出端口 P3、P4输出的全 桥电路的前级电路， 此外，作为所述后级电路，能够选择W下的巧1)?巧5)中的任一个： 巧1)将一对电感器在电感器连接点中相互串联连接而成的串联体的两端分别连接到 所述输入端口 P5 W及所述输入端口 P6,所述电感器连接点连接到所述输出端口 P8,位于所 述输入端口 P5和所述输出端口 P7之间的第一二极管和位于所述输入端口 P6和所述输出 端口 P7之间的第二二极管根据输入电压的极性而交替导通的后级电路； 巧2)将在所述巧1)的后级电路中在与所述输出端口 P7直连的线路中插入电感器的电 路作为一个单元，将多个单元的所述输入端口 P5、P6相互串联连接，将多个单元的所述输 出端口 P7、P8相互并联连接的后级电路； 化3)将一对电容器在电容器连接点中相互串联连接而成的串联体的两端分别连接到 所述输出端口 P7 W及所述输出端口 P8,所述电容器连接点连接到所述输入端口 P6,位于所 述输入端口 P5和所述输出端口 P7之间的第一二极管和位于所述输入端口 P5和所述输出 端口 P8之间的第二二极管根据输入电压的极性而交替导通的后级电路； (R4)将在所述巧3)的后级电路中在与所述输入端口 P5直连的线路中插入电容器的电 路作为一个单元，将多个单元的所述输入端口 P5、P6相互串联连接，将多个单元的所述输 出端口 P7、P8相互并联连接的后级电路； 巧5)由四个二极管构成，从所述输入端口 P5、P6输入并从所述输出端口 P7、P8输出的 全桥电路的后级电路， 包括所述前级电路（F1)?（F5)中的任一个和所述后级电路巧1)?巧5)中的任一个 而构成，并且，排除前级电路为（巧）且后级电路为巧。的组合。
【文档编号】H02M5/06GK104467446SQ201410460772
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年9月11日 优先权日:2013年9月12日
【发明者】中幡英章, 弘津研一, 志贺信夫, 大平孝, 山田恭平, 江头大也 申请人:住友电气工业株式会社, 国立大学法人丰桥技术科学大学