电压平衡电路的制作方法
【专利摘要】本发明的实施方式涉及电压平衡电路。提供一种电压平衡电路，能够尽量消除连接了3段以上的主电路电容器的彼此的端子间电压的不平衡。根据实施方式，第k段(2≤k≤n)的电压稳定化电路从第1晶体管通过第1电阻与作为通电源节点的第k-a输出节点(a为满足1≤a≤k-1的任意一个)连接，并且从第2晶体管通过第2电阻与作为通电目标节点的第k+b输出节点(b为满足1≤b≤n+1-k的任意一个)连接。
【专利说明】电压平衡电路
【技术领域】
[0001]本申请以日本专利申请2012-204353(申请日:2012年9月18日)为基础，享有该申请的优先权。本申请通过引用上述申请而包括该申请的全部内容。
[0002]本发明的实施方式涉及电压平衡电路。
【背景技术】
[0003]例如，逆变器装置等的电路在通过整流器和主电路电容器将交流电压变换为直流电压后，使用半导体开关驱动负载(例如电动机)。电路需要耐受比上述直流电压高的电压，因此，将主电路电容器串联连接在主端子之间使用。
[0004]此时，在主电路电容器产生泄漏电流。该主电路电容器的泄漏电流存在着与个体差异、温度相应的不均衡，随着时间经过，多个主电路电容器的电压分担发生变化，存在着超过主电路电容器的耐压的危险。因而，一般来说，在各主电路电容器的端子之间连接有平衡电阻。由于这些平衡电阻总是有电流流过，因此仅将交流电压供给到装置就会总是产生大量的电力损失。
[0005]因此，期望根据所供给的交流电压使整流后的平滑用主电路电容器的串联连接个数变化，通过使主电路电容器的串联连接个数不是2个而是3个以上，能够使耐压进一步高耐压化。
[0006]以往，提出有下述方法:晶体管互补连接体与电场电容器串联体的中点连接，并且电阻串联体的中点与该晶体管互补连接体的共用基极端子连接，由此实现电压平衡。
[0007]然而，例如在使用4个以上的偶数个电场电容器串联体时，将相邻并串联连接的电场电容器串联体作为一对，当在该一对之间实现电压平衡时，难以实现多个对之间的电压平衡。
【发明内容】
[0008] 本发明要解决的课题在于提供一种电压平衡电路，能够尽量消除连接了 3段以上的主电路电容器的彼此的端子间电压的不平衡。
[0009]实施方式的电压平衡电路具备下述特征。
[0010]具备n段电阻，其在输出直流电压的主端子之间、在高压侧的第I基准节点到低压侦_第n+1基准节点之间串联连接n段。
[0011]具备n段主电路电容器，其在主端子之间、在高压侧的第I输出节点到低压侧的第n+1输出节点之间串联连接n(n≥3)段。
[0012]具备n-1个电压稳定化电路，其构成于n段电阻的第k(2≤k≤n)基准节点与n段主电路电容器的第k输出节点之间，各自具备第I晶体管和第2晶体管，上述第I晶体管和第2晶体管彼此为逆导电型且基准输入端子和输出端子分别共用连接，n段电阻的第k基准节点与基准输入端子连接并且n段主电路电容器的第k输出节点与输出端子连接，在基准输入端子的电压高于输出端子的电压时，从通电源节点通过第I晶体管向输出端子通电，并且在基准输入端子的电压低于输出端子的电压时，从输出端子通过第2晶体管向通电目标节点通电，从而稳定化成使基准输入端子的电压与输出端子的电压一致。
[0013]在此，第k段(2≤k≤η)的电压稳定化电路从第I晶体管通过第I电阻与作为通电源节点的第k-a输出节点连接，并且从第2晶体管通过第2电阻与作为通电目标节点的第k+b输出节点连接。
[0014]根据上述结构的电压平衡电路，能够尽量消除连接了 3段以上的主电路电容器的彼此的端子间电压的不平衡。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1是示出第I实施方式的逆变器装置的电气结构图。
[0016]图2是在第I实施方式中与泄漏电流对应的各主电路电容器的端子电压特性图。
[0017]图3是在第I实施方式中与泄漏电流对应地在各电阻中流动的电流特性图。
[0018]图4是示出第2实施方式的逆变器装置的电气结构图(与图1相当的图)。
[0019]图5是在第2实施方式中与泄漏电流对应的各主电路电容器的端子电压特性图(与图2相当的图)。
[0020]图6是在第2实施方式中与泄漏电流对应地在各电阻中流动的电流特性图(与图3相当的图)。
[0021]图7是示出第3实施方式的逆变器装置的电气结构图(与图1相当的图)。
[0022]图8是在第3实施方式中与泄漏电流对应的各主电路电容器的端子电压特性图(与图2相当的图)。
[0023]图9是示出第4实施方式的逆变器装置的电气结构图(与图1相当的图)。
[0024]图10是在第4实施方式中与泄漏电流对应的各主电路电容器的端子电压特性图(与图2相当的图)。
[0025]图11是示出第5实施方式的逆变器装置的电气结构图(与图1相当的图)。
[0026]图12是在第5实施方式中与泄漏电流对应的各主电路电容器的端子电压特性图(与图2相当的图)。
[0027]图13是示出第6实施方式的逆变器装置的电气结构图(与图1相当的图)。
[0028]图14是在第6实施方式中与泄漏电流对应的各主电路电容器的端子电压特性图(与图2相当的图)。
[0029]图15是示出所有的实施方式的电压稳定化电路的组合说明图。
【具体实施方式】
[0030]下面，参照附图对电压平衡电路的若干个实施方式进行说明。另外，在下面说明的多个实施方式之间，对相同或类似的构成部分标以相同或类似的标号并根据需要省略说明，以不同部分为中心进行说明。
[0031](第I实施方式)
[0032]参照图1~图3说明第I实施方式。在本实施方式中，特别举例示出输入交流电压690V级别的逆变器装置进行说明。另外，本实施方式示出了(n，k，a，b) = (3，2，l，2)和(3，3,2,1)的情况的电压稳定化电路组合起来的方式。此(n，k，a，b)的意义参照后述内容。[0033]逆变器装置I具备输入三相交流电源2的端子R、S、T，端子R、S、T与整流器3连接。该整流器3使输入到端子R、S、T的三相交流电源2的交流电源输入并进行整流。该整流器3的输出被提供至主电源线NI和N2。
[0034]在这些主电源线NI (第I主端子:节点相当于第I基准节点、第I输出节点)和主电源线N2(第2主端子:节点相当于第n+1基准节点、第n+1输出节点)之间，串联连接三个主电路电容器Cl?C3，这些电容器Cl?C3使整流器3的整流输出平滑化并对主电源线NI和N2之间输出直流电力。
[0035]例如，在将400V左右的三相交流电源作为输入交流电压使用时，有时也可以仅串联连接例如两个主电路电容器Cl和C2，不过在使用更高的电源电压即例如实效值为690V的三相交流电源2时，通过串联连接三个电容器Cl?C3，容易实现高耐压化。
[0036]因此，在本实施方式中，在主电源线NI和N2之间串联连接三个电容器Cl?C3。电容器Cl?C3分别由铝电解电容器构成，它们各自存在内部电阻rI?r3并且各自有泄漏电流流出。
[0037]电容器Cl?C3在泄漏电流特性、温度特性等特性值方面存在个体差异，因此容易产生与上述个体差异相应的电压的不平衡。根据多个电容器Cl?C3的静电容量值的比，分别确定通常动作时的端子电压Vl?V3。因此，在将三段以上的电容器Cl?C3串联连接时，米用同一静电容量值、同一耐电压的电容器。下面，将电容器Cl?C3中相邻的电容器Cl和C2之间、C2和C3之间的共用连接点分别作为节点N3、N4(相当于第2输出节点(k=2)、第3输出节点(k=3))进行说明。
[0038]通过这些电容器Cl?C3而平滑化的直流电力被提供至逆变器主电路4。逆变器主电路4基于控制电路5的控制信号对输入的直流电力进行交流变换并从端子U、V、W输出。端子U、V、W与作为负载的马达6连接，逆变器装置I通过该端子U、V、W向马达6供给三相交流电力。另外，控制电路5例如由微型计算机等构成。
[0039]在主电源线NI和N2之间串联连接3段(n=3)基准电压生成用的电阻Rl?R3。这些电阻Rl?R3采用彼此相同的电阻值。下面，将电阻Rl?R3中相邻的电阻Rl与R2之间、R2与R3之间的共用连接点分别作为节点N5、N6(分别相当于第2基准节点、第3基准节点(k=2，3))进行说明。
[0040]而且，在主电源线NI和N2之间，在第2段(k=2)和第3段(k=3)构成电压稳定化电路72和73。第2段(k=2)的电压稳定化电路72构成为，在主电源线NI和N2之间串联连接电阻R4(相当于第I电阻)、NPN型晶体管Trl (相当于第I晶体管)的集电极发射极间、PNP型晶体管Tr2 (相当于第2晶体管)的发射极集电极间、电阻R5 (相当于第2电阻)。
[0041]上述晶体管Trl和Tr2的共用发射极(相当于输出端子)与电容器Cl和C2的共用连接节点N3连接。而且，晶体管Trl和Tr2的基极彼此共用连接并与节点N5连接而作为基准输入端子。在电阻Rl和R2的共用连接节点N5与电容器Cl和C2的共用连接节点N3之间连接有电阻R8。
[0042]而且，第3段(k=3)的电压稳定化电路73构成为，在主电源线NI和N2之间串联连接电阻R6(相当于第I电阻)、NPN型晶体管Tr3(相当于第I晶体管)的集电极发射极间、PNP型晶体管Tr4 (相当于第2晶体管)的发射极集电极间、电阻R7 (相当于第2电阻)。
[0043]上述晶体管Tr3和Tr4的共用发射极(相当于输出端子)与电容器C2和C3的共用连接节点N4连接。而且，晶体管Tr3和Tr4的基极彼此共用连接并与节点N6连接而作为基准输入端子。在电阻R2和R3的共用连接节点N6与电容器C2和C3的共用连接节点N4之间连接有电阻R9。
[0044](n, k，a, b)是指，在连接η段(η=3)基准电压生成用的电阻Rl?R3时，第k段(k=2、3)的电压稳定化电路72、73从第I晶体管Trl、Tr3分别经由电阻R4、R6与k_a(a=l、2)输出节点(通电源节点)连接，并且从第2晶体管Tr2、Tr4分别经由电阻R5、R7与k+b(b=2、l)输出节点(通电目标节点)连接。
[0045]对上述结构的作用进行说明。下面，将交流电源电压的最大值(=690X V 2)定义为向逆变器主电路4供给的直流电压VO进行说明。电容器Cl?C3具有与个体差异、温度条件相应的泄漏电流特性的偏差。由于该泄漏电流特性的个体差异，电容器Cl?C3的泄漏电流是彼此不同的值。因此，电容器Cl?C3的各端子电压也彼此不同，成为不平衡的原因。在本实施方式中，电容器Cl的泄漏电流与其他电容器C2和C3的泄漏电流不同，对端子电压Vl相比电容器C2和C3的端子电压V2和V3上升或下降时的作用进行说明。
[0046]当电容器Cl的泄漏电流比其他电容器C2和C3的泄漏电流大时，电容器Cl的端子电压Vl比电容器C2和C3的端子电压V2和V3低。这样，节点N3相比分压电压(2XV0/3)上升，并且节点N4也相比分压电压(V0/3)上升。
[0047]节点N5、N6的电压分别成为电阻Rl?R3的分压电压。因此，节点N5、N6的电压分别成为对应的分压电压(=2XV0/3，V0/3)，而节点N5的电压比节点N3的电压低，因此基极电流流向晶体管Tr2，从而晶体管Tr2导通。
[0048]此时，电阻R5被设定为与3段电阻Rl?R3中的2段电阻(即R2和R3)的电阻值相加而得到的电阻值对应地成比例的电阻值。并且，电阻R4被设定为与电阻Rl?R3中的I段电阻值对应地成比例的电阻值。
[0049]在本实施方式中，在将基准电压生成用的电阻Rl?R3分别设定为200[kQ]时，电阻R5被设定为与2段的电阻值对应的电阻值400 [k Ω ]，电阻R4被设定为与I段的电阻值对应的电阻值200[kQ]。而且，作为其他示例，在将电阻R5设定为与2段的电阻值对应的电阻值100[kQ]时，将电阻R4设定为与I段的电阻值对应的电阻值50[kQ]。g卩，电阻R4的电阻值:电阻R5的电阻值=1:2，这是各个段数的量的电阻值比。上述电阻R4和R5的电阻值的比在设计中是根据泄漏电流的补偿量确定的比，因此不必特别设定为段数的量的电阻值比，也可以设定为其他的电阻值。
[0050]这样，与各晶体管Trl?Tr4的集电极、发射极连接的电阻R4?R7被设定为分别与对应的段数的量的电阻值对应地成比例的电阻值时，能够有效地确保施加于各电容器Cl?C3的电压平衡。在这样的情况下，以使节点N3的电压与节点N5的电压基本一致的方式对晶体管Tr2的发射极集电极间通电，能够控制成使节点N3的电压与节点N5的电压基
本一致。
[0051]相反地，当电容器Cl的泄漏电流比其他电容器C2和C3的泄漏电流小时，电容器Cl的端子电压Vl比电容器C2和C3的端子电压V2和V3大。从而，节点N3的电压相比标准值2XV0/3下降。节点N5、N6的电压分别成为电阻Rl?R3的分压电压，因此分别成为电压=2XV0/3、V0/3。因此，节点N5的电压比节点N3的电压高，从而基极电流流向晶体管Trl,晶体管Trl导通。由此，从节点NI通过电阻R4向节点N3通电。[0052]此时，电阻R4被设定为与3段电阻Rl?R3中I段的电阻(即Rl)对应地成比例的电阻值。而且，电阻R5被设定为与2段的电阻(即R2和R3)对应地成比例的电阻值。SP，在将电阻R4设定为200[kQ]时，电阻R5被设定为400[kQ]。
[0053]因此，以使节点Ν3的电压与节点Ν5的电压基本一致的方式对晶体管Trl的集电极发射极间通电。无论是主电路电容器Cl?C3中的哪一个电容器的泄漏电流不同，由于在各段(k=2、k=3)设有电压稳定化电路，因此能够根据与上述说明相同的作用而消除电压不平衡。
[0054]发明人模拟了电容器Cl的泄漏电流比其他电容器C2和C3的泄漏电流大时的电容器Cl?C3的各端子电压、泄漏电流1、流过电阻R5的电流特性(Tr2导通时)。图2示出了电容器的端子电压的与泄漏电流相应的特性，图3示出了与泄漏电流相应地流过电阻的电流特性。特别地，图2中，纵轴表示各电容器的端子间电压V，横轴表示假定为在电容器Cl产生的泄漏电流I。在这些图2和图3中，示出了在电容器C2和C3中流动的泄漏电流为O时的模拟结果。
[0055]如图3所示，当泄漏电流I增大时，与该泄漏电流I成比例的电流流到电阻R5。通过该作用，节点N3的电压上升，接近分压电压的标准值2 X V0/3。
[0056]在图2所示的例子中，虽然假定电容器C2和C3的泄漏电流为0，但是当电容器Cl的泄漏电流I比其他电容器C2和C3的泄漏电流大时，如图2所示，电容器Cl的端子电压Vl比其他电容器C2和C3的端子电压V2和V3低。但是，由于电容器C2和C3的端子电压V2和V3能够成为大致相同电压，因此能够尽量使电压平衡良好。而且，所有的电容器Cl?C3的端子电压Vl?V3的最大值与最小值的偏差比后述的第2实施方式小，因此，与后述的第2实施方式相比，能够尽量使电压的平衡良好。
[0057]根据本实施方式，使电压稳定化电路72和73的通电源节点均为第I主电源线NI，并且使电压稳定化电路72和73的通电目标节点为第2主电源线N2。与电容器Cl?C3的共用连接节点N3和N4连接的电压稳定化电路72和73分别将节点N3和N4的电压控制成标准值(分别为2XV0/3、V0/3)。
[0058]因此，电压稳定化电路72能够使节点N3的电压接近标准值2XV0/3，并且电压稳定化电路73能够使节点N4的电压接近标准值V0/3。因此，能够使所有主电路电容器Cl?C3的共用连接节点N3和N4的电压接近理想的分压电压，能够尽量消除电压的不平衡。
[0059]而且，在未发生电压不平衡时，各晶体管Trl?Tr4维持截止状态，因此，不会产生由电阻R4?R7引起的电力损失，能够抑制消耗电力。由此，能够补偿各电容器Cl?C3之间的泄漏电流差。
[0060](第2实施方式)
[0061]图4?图6示出第2实施方式，与上述实施方式的不同点在于，将电压稳定化电路72的通电目标节点设为第3输出节点N4，将电压稳定化电路73的通电源节点变更为第2输出节点N3。本实施方式示出了(n，k，a，b) = (3，2，l，l)和(3，3，1，1)的情况的电压稳定化电路组合起来的一个方式。对与上述实施方式相同或类似的部分标以相同或类似标号并省略说明，下面，仅对不同部分进行说明。
[0062]在上述实施方式中，电压稳定化电路72通过电阻R5将第2主电源线N2 (第n+1输出节点)作为通电目标节点，电压稳定化电路73通过电阻R6将第I主电源线NI (第I输出节点)作为通电源节点。取代该结构，在本实施方式中，如图4所示，将电压稳定化电路72的通过了电阻R5的通电目标节点设为节点N4 (相当于第3输出节点)，将电压稳定化电路73的通过了电阻R6的通电源节点设为节点N3 (相当于第2输出节点)。在该电路结构中，在相邻的电容器C1-C2之间、C2-C3之间取得电压的平衡这一点与上述实施方式的电路结构不同。
[0063]图5和图6示出了分别与图2和图3对应的特性。特别地，图5中，纵轴表示各电容器的端子间电压V，横轴表示假定为在电容器Cl产生的泄漏电流I。在上述图5和图6中，示出了在电容器C2和C3中流动的泄漏电流为O时的模拟结果。
[0064]在图5所示的例子中，虽然假定电容器C2和C3的泄漏电流为0，不过如图5所示，当电容器Cl的泄漏电流较大时，电容器C1、C2、C3的端子电压按照Vl — V2 — V3的顺序增大。虽然电容器C1-C2、C2-C3之间的电压平衡良好，但是电容器C1-C3之间的电压平衡还是第I实施方式的电路结构比较好。
[0065]在第I和第2主电源线NI和N2之间施加有整流和平滑化了的电压V0，但是在本实施方式中，可以使用对于将该电压VO分为3部分的电压估计了余量电压而得到的电压，作为各晶体管(Trl、Tr2、Tr3)的耐电压的元件。
[0066]在第I实施方式中，晶体管Tr2、Tr3的发射极集电极间耐压，是将对2段的量的电压(电压VO的2/3)估计了余量电压而得到的电压作为耐电压，而在本实施方式中，能够将对I段的量的电压估计了余量电压而得到的电压作为耐电压，能够采用尽量降低了电容器Cl?C3的耐电压的元件。因此，成为成本方面有利的电路结构。
[0067]而且，如图6所示，与上述实施方式相比的话，也可以对电阻R7通电。这是因为，节点N4的电位上升，晶体管Tr4导通。在上述实施方式中，如图2所示，电容器C2和C3的端子电压V2和V3为大致相同的电压，不过在本实施方式的结构中，如图5所示，电容器C3的端子电压V3比电容器C2的端子电压V2高，因此节点N4的电位容易变高，晶体管Tr4也导通。通过晶体管Tr4导通，能够控制成使节点N4的电位降低。这样接线连接时也能够得到与上述实施方式同样的作用效果。
[0068](第3实施方式)
[0069]图7和图8示出了第3实施方式，与上述实施方式的不同点在于，串联连接偶数个主电路电容器Cl?C4，得到直流最大电压的1/2的电压V0a(=Vl+V2)、V0b(=V3+V4)。对与上述实施方式相同的部分标以相同标号并省略说明，下面，仅对不同部分进行说明。
[0070]本实施方式示出了(n，k，a，b)= (4，2，l，3)、(4，3，2，2)和(4,4,3,1)的情况的电压稳定化电路72、73和74组合起来的一个方式。另外，(n，k，a, b)的组合，特别是a、b的组合并不限定于此。
[0071]此种逆变器装置I根据其种类不同而得到直流电压的中间电压并进行利用。因此，将偶数个(例如4个)电容器Cl?C4串联连接，在高压侧的第I主电源线NI与低压侧的第2主电源线N2之间得到个数彼此相同的电容器Cl和C2、C3和C4的分压电压。由此，通过取得电容器Cl和C2的串联电路的电压V0a(=Vl+V2)，或者取得电容器C3和C4的串联电路的电压V0b(=V3+V4)，能够输出第I和第2主电源线NI和N2之间的直流电压的1/2的电压。
[0072]在这样的情况下，可采用下述结构:如图7所示，在第I主电源线NI和第2主电源线N2之间，串联连接偶数个(在本实施方式中为4个(=n))电阻Rl~R3和R14，并且串联连接偶数个(在本实施方式中为4个)电容器Cl~C4。另外，在图7中，设电容器Cl~C4的内部电阻分别为电阻rl~r4。
[0073]在本实施方式中，如图7所示，设有电压稳定化电路72、73、74。电压稳定化电路72具备晶体管Trl和Tr2，电压稳定化电路73具备晶体管Tr3和Tr4。并且，电压稳定化电路74构成为将NPN型的晶体管Tr5和PNP型的晶体管Tr6连接成基极共用并且连接成发射极共用。
[0074]与晶体管Trl的集电极连接的电阻R4作为通电源节点与第I主电源线NI (第I输出节点)连接。与晶体管Tr3的集电极连接的电阻R6作为通电源节点与第I主电源线NI连接。同样地，晶体管Tr5的集电极与电阻RlO连接，该电阻RlO也作为通电源节点与第I主电源线NI连接。
[0075]而且，与晶体管Tr2的集电极连接的电阻R5作为通电目标节点与第2主电源线N2(第5输出节点)连接。与晶体管Tr4的集电极连接的电阻R7作为通电目标节点与第2主电源线N2连接。并且，晶体管Tr6的集电极与电阻Rll连接，该电阻Rll也作为通电目标节点与第2主电源线N2连接。另外，在晶体管Tr5的共用基极与共用发射极之间连接有电阻R12。
[0076]电阻R5被设定为与4段的电阻Rl~R3和R14中3段的电阻值对应地成比例的电阻值，电阻R4被设定为与I段的电阻值对应地成比例的电阻值。即，设定为电阻R4的电阻值:电阻R5的电阻值=1:3。
[0077]电阻R6被设定为与4段的电阻Rl~R3和R14中2段的电阻值对应地成比例的电阻值，电阻R7被设定为与2段的电阻值对应地成比例的电阻值。即，设定为电阻R6的电阻值:电阻R7的电阻值=2: 2=1:1。
[0078]电阻RlO被设定为与4段的电阻Rl~R3和R14中3段的电阻值对应地成比例的电阻值，电阻Rll被设定为与I段的电阻`值对应地成比例的电阻值。即，设定为电阻RlO的电阻值:电阻Rll的电阻值=3:1。电压稳定化电路72示出与(n，k，a，b) = (4，2，l，3)的组合相当的结构。电压稳定化电路73示出与(n, k, a, b) = (4, 3, 2, 2)的组合相当的结构。电压稳定化电路74示出与(n, k, a, b) = (4,4,3,1)的组合相当的结构。
[0079]在图8中示出了，对于(a)电容器Cl的泄漏电流多的情况、(b)电容器C2的泄漏电流多的情况、(c)电容器C3的泄漏电流多的情况、(d)电容器C4的泄漏电流多的情况这四种模式，发明人通过模拟而对各电容器Cl~C4的端子电压Vl~V4进行研究的结果。另外，在各图8(a)~图8(d)中，示出了假定泄漏电流多的对象电容器(在图8(a)中为电容器Cl)以外的电容器(例如在图8(a)中为电容器C2~C4)的泄漏电流为O的模拟结果。
[0080]在上述4种模式中，在(a)的情况下，电容器Cl的端子电压Vl特别低，电容器C2~C4的端子电压V2~V4大致同等。而且，在(b)的情况下，可知端子电压的高低顺序为V2〈V1〈V3 ^ V4。而且，在(c)的情况下，可知端子电压的高低顺序为V3〈V1 ^ V2〈V4。而且，在⑷的情况下，可知端子电压的高低顺序为V4〈V1~V2~V3。即，可知泄漏电流多的电容器的端子电压较低，其他电容器的端子电压较高。
[0081 ] 在节点N3的电位比节点N5的电位高时，晶体管Tr2导通，从而将节点N3的电位控制得较低以与节点N5的电位一致。相反地，在节点N3的电位比节点N5的电位低时，晶体管Trl导通，从而将节点N3的电位控制得较高以与节点N5的电位一致。
[0082]同样地，在节点N4的电位比节点N6的电位高时，晶体管Tr4导通，从而将节点N4的电位控制得较低以与节点N6的电位一致。相反地，在节点N4的电位比节点N6的电位低时，晶体管Tr3导通，从而将节点N4的电位控制得较高以与节点N6的电位一致。
[0083]进而同样地，在电容器C3和C4的共用连接节点N7的电位比电阻R3和R14的共用连接节点N8的电位高时，晶体管Tr6导通，从而将节点N7的电位控制得较低以与节点N8的电位一致。相反地，在节点N7的电位比节点N8的电位低时，晶体管Tr5导通，从而将节点N7的电位控制得较高以与节点N8的电位一致。这样，能够与上述实施方式同样地实现电压平衡。
[0084](第4实施方式)
[0085]图9和图10不出第4实施方式，与上述实施方式的不同点在于，改变了通电目标节点、通电源节点。
[0086]本实施方式示出了(n, k, a, b) = (4, 2,1,1) > (4，3，2，2)和(4,4,1,1)的情况的电压稳定化电路72、73和74组合起来的一个方式。在本实施方式中，如图9所示，k=2的电压稳定化电路72将与晶体管Tr2的集电极连接的电阻R5的通电目标节点设为节点N4 (第3输出节点(b=l))。并且，k=4的电压稳定化电路74将与晶体管Tr5的集电极连接的电阻RlO的通电源节点设为节点N4(第3输出节点(a=l))。[0087]在图10中示出了，对于(a)电容器Cl的泄漏电流多的情况、(b)电容器C2的泄漏电流多的情况、(c)电容器C3的泄漏电流多的情况、(d)电容器C4的泄漏电流多的情况这四种模式，发明人进行研究的结果。另外，在各图10(a)~图10(d)中，示出了假定泄漏电流多的对象电容器(在图10(a)中为电容器Cl)以外的电容器(例如在图10(a)中为电容器C2~C4)的泄漏电流为O的模拟结果。
[0088]在上述4种模式中，在(a)的情况下电容器Cl的端子电压Vl特别低，电容器C2的端子电压V2比端子电压Vl高，电容器C3和C4的端子电压V3和V4为大致相同电压且比端子电压V2高。
[0089]在(b)的情况下，可知端子电压的高低顺序为V2〈V1〈V3 ^ V4。而且，在(C)的情况下，可知端子电压的高低顺序为V3〈V1~V2〈V4。而且，在⑷的情况下，可知端子电压的高低顺序为V4〈V3〈V1~V2。与上述实施方式同样地，泄漏电流多的电容器的端子电压较低，其他电容器的端子电压较高。在这样的实施方式中，也能够通过与上述实施方式同样的作用得到相同的效果。
[0090](第5实施方式)
[0091]图11和图12示出第5实施方式，与上述实施方式的不同点在于，改变了通电目标节点、通电源节点。
[0092]本实施方式示出了(n，k，a，b) = (4，2，l，2)、(4，3，l，l)和(4,4,2,1)的情况的电压稳定化电路72、73和74组合起来的一个方式。在本实施方式中，如图11所示，电压稳定化电路72将与晶体管Trl的集电极连接的电阻R4的通电源节点设为第I主电源线NI (第I输出节点)，并且将与晶体管Tr2的集电极连接的电阻R5的通电目标节点设为节点N7 (第4输出节点)。
[0093]而且，电压稳定化电路73将与晶体管Tr3的集电极连接的电阻R6的通电源节点设为节点N3 (第2输出节点)，并且将与晶体管Tr4的集电极连接的电阻R7的通电目标节点设为节点N7 (第4输出节点)。而且，电压稳定化电路74将与晶体管Tr5的集电极连接的电阻RlO的通电源节点设为节点N3 (第2输出节点)，并且将与晶体管Tr6的集电极连接的电阻Rll的通电目标节点设为第2主电源线N2 (第5输出节点)。
[0094]在图12中示出了，对于(a)电容器Cl的泄漏电流多的情况、(b)电容器C2的泄漏电流多的情况、(c)电容器C3的泄漏电流多的情况、(d)电容器C4的泄漏电流多的情况这四种模式，发明人对各电容器Cl~C4的端子电压Vl~V4研究的结果。另外，在各图12(a)~图12(d)中，示出了假定泄漏电流多的对象电容器(在图12(a)中为电容器Cl)以外的电容器(例如在图12(a)中为电容器C2~C4)的泄漏电流为O的模拟结果。
[0095]在上述4种模式中，在(a)的情况下电容器Cl的端子电压Vl特别低，电容器C3和C2的端子电压V3和V2比端子电压Vl高，电容器C4的端子电压V4为比端子电压V3和端子电压V2高。
[0096]在(b)的情况下，可知端子电压的高低顺序为V2〈V1。V3〈V4。而且，在(C)的情况下，可知端子电压的高低顺序为V3<V2<V4<V1。而且，在(d)的情况下，可知端子电压的高低顺序为V4<V2 ^ V3〈V1。与上述实施方式同样地，泄漏电流多的电容器的端子电压较低，其他电容器的端子电压较高。在这样的实施方式中，也能够通过与上述实施方式同样的作用得到相同的效果。
[0097](第6实施方式)
[0098]图13和图14不出第6实施方式,与上述实施方式的不同点在于，改变了通电目标节点、通电源节点。
[0099]本实施方式示出了(n，k，a，b) = (4，2，l，l)、(4，3，l，l)和(4,4,1,1)的情况的电压稳定化电路72、73和74组合起来的一个方式。在本实施方式中，如图13所示，电压稳定化电路72将与晶体管Trl的集电极连接的电阻R4的通电源节点设为第I主电源线NI (第I输出节点)，并且将与晶体管Tr2的集电极连接的电阻R5的通电目标节点设为节点N4(第3输出节点)。
[0100]而且，电压稳定化电路73将与晶体管Tr3的集电极连接的电阻R6的通电源节点设为节点N3 (第2输出节点)，并且将与晶体管Tr4的集电极连接的电阻R7的通电目标节点设为节点N7 (第4输出节点)。而且，电压稳定化电路74将与晶体管Tr5的集电极连接的电阻RlO的通电源节点设为节点N4(第3输出节点)，并且将与晶体管Tr6的集电极连接的电阻Rll的通电目标节点设为第2主电源线N2 (第5输出节点)。
[0101]在图14中示出了，对于(a)电容器Cl的泄漏电流多的情况、(b)电容器C2的泄漏电流多的情况、(c)电容器C3的泄漏电流多的情况、(d)电容器C4的泄漏电流多的情况这四种模式，发明人通过模拟而对各电容器Cl~C4的端子电压Vl~V4研究的结果。另外，在各图14(a)~图14(d)中，示出了假定泄漏电流多的对象电容器(在图14(a)中为电容器Cl)以外的电容器(例如在图14(a)中为电容器C2~C4)的泄漏电流为O的模拟结果O
[0102]在上述4种模式中，在(a)的情况下电容器Cl的端子电压Vl特别低，相继于此，按照电容器C2的端子电压V2`、电容器C3的端子电压V3、电容器C4的端子电压V4的顺序升高。[0103]在(b)的情况下，可知端子电压的高低顺序为V2〈V1?V3〈V4。而且，在(C)的情况下，可知端子电压的高低顺序为V3<V2<V4<V1。而且，在(d)的情况下，可知端子电压的高低顺序为V4<V3<V2<V1。与上述实施方式同样地，泄漏电流多的电容器的端子电压较低，其他电容器的端子电压较高。在这样的实施方式中，也能够通过与上述实施方式同样的作用得到相同的效果。
[0104](第3?第6实施方式的相互比较)
[0105]下面，对第3?第6实施方式所示的电路结构的相互比较结果进行说明。比较并观察各电容器Cl?C4的端子电压Vl?V4的模拟结果，存在与泄漏电流相应的电压偏差(与某泄漏电流对应的端子电压的最大值与最小值的差)按照第3实施方式(图7、图8)、第4实施方式(图9、图10)、第5实施方式(图11、图12)、第6实施方式(图13、图14)的顺序减小的趋势。即，即使泄漏电流增大，电容器Cl?C4的端子电压Vl?V4的最大值-最小值的差最小的电路结构为第3实施方式(图7)，相反地，最大的电路结构为第6实施方式(图 13)。
[0106]S卩，在第3?第6实施方式所示的电路结构之中，第3实施方式(图7)的电路结构是示出最高性能的电路结构，之后，按照第4实施方式(图9)、第5实施方式(图11)、第6实施方式(图13)的顺序其电路结构的性能逐渐变低。
[0107]另一方面，构成电压稳定化电路72、73、74的各晶体管Trl?Tr6的集电极发射极间耐压被设定为与到通电源节点或通电目标节点为止的段数的量的电压对应的耐压，因此，在第3实施方式(图7)中，晶体管Tr2被设定为对4段的量的电阻Rl?R3和R14施加的直流电压的3段的量的耐压。
[0108]同样地，晶体管Tr3、Tr4被设定为对4段的量的电阻Rl?R3和R14施加的直流电压的2段的量的耐压。而且，晶体管Tr5被设定为对4段的量的电阻Rl?R3和R14施加的直流电压的3段的量的耐压。
[0109]另一方面，在第4实施方式(图9)中，晶体管Tr3、Tr4被设定为对4段的量的电阻Rl?R3和R14施加的直流电压的2段的量的耐压。在第5实施方式(图11)中，晶体管Tr2、Tr5被设定为对4段的量的电阻Rl?R3和R14施加的直流电压的2段的量的耐压。并且，在第6实施方式(图13)中，晶体管Trl?Tr6的任意一个仅需设定为对电阻Rl?R3和R14施加的直流电压的I段的量的耐压。即，第6实施方式是在能够采用使集电极发射极间的耐电压较低的晶体管这一点最为有利的电路结构。
[0110]S卩，第3?第6实施方式所示的电路结构之中，第6实施方式(图13)的电路结构是示出能够采用耐压性能最低的晶体管构成的电路，之后，按照第5实施方式(图11)和第4实施方式(图9)、第3实施方式(图7)的顺序采用的晶体管的耐压性能逐渐变高。采用耐压性能低的晶体管时，在成本方面是有利的。即，第6实施方式(图13)的电路结构在上述第3?第6实施方式中详细说明的电路结构中在成本方面最为有利。采用上述电路结构中的任意一个都可以，但是优选折衷地考虑电压平衡性能和晶体管的耐压性能来构成电路。
[0111](其他实施方式)
[0112]已示出了若干个实施方式，不过并不限定于上述说明了的实施方式。例如，示出了具备若干个电压稳定化电路72、73(、74)的各实施方式，不过，这些电压稳定化电路中的(n，k，a，b)的组合并不限定于上述实施方式示出的例子。例如，可以采用图15所示那样的(n, k，a, b)的组合的电压稳定化电路。即，示出了在第I实施方式、第2实施方式中采用n=3的电压稳定化电路、在第3~第6实施方式中采用n=4的电压稳定化电路的例子，不过n ^ 5的情况也能够适用。
[0113]已示出了在各晶体管Trl-Tr2之间、Tr3_Tr4之间、Tr5_Tr6之间的共用基极和共用发射极之间连接电阻R8、R9、R12的结构，不过这些电阻R8、R9、R12根据需要设置即可。
[0114]已示出了将与各晶体管Trl~Tr6的集电极连接的电阻的电阻值设定为与电阻Rl~R3、R14的各段数的量对应地成比例的电阻值的方式，不过，考虑到各元件值的偏差、设计值等，不必严格地设定为上述实施方式所示的电阻值，也可以适当改变。
[0115](所有实施方式的作用效果)
[0116]如以上说明的那样，在所有实施方式中起到了以下所示的作用效果。η段电阻将主端子之间的电压分压，η段主电路电容器也将主端子之间的电压分压，但由于主电路电容器产生泄漏电流，因此该分压电压发生变动。n-Ι个电压稳定化电路分别具备第I和第2晶体管。作为通电源节点的第k-a输出节点通过例如与a段数的量对应地成比例的第I电阻和第I晶体管而与第I和第2晶体管的输出端子连接。
[0117]因此，当η段电阻的第k基准节点的电压比η段主电路电容器的第k输出节点的电压高时，从第k-a输出节点通过第I晶体管向其输出端子侧通电，能够对与该输出端子连接的主电路电容器的第k输出节 点的电压进行上升控制。
[0118]相反地,作为通电目标节点的第k+b输出节点通过例如与b段数的量对应地成比例的第2电阻和第2晶体管而与第I和第2晶体管的输出端子连接。因此，当η段电阻的第k基准节点的电压比η段主电路电容器的第k输出节点的电压低时，从输出端子通过第2晶体管向第k+b输出节点通电，能够对与该输出端子连接的主电路电容器的第k输出节点的电压进行下降控制。
[0119]第k(2≤k≤η)个电压稳定化电路能够使第k个的第k输出节点的电位向标准电压稳定化，因此能够使所有主电路电容器的共用连接节点的电压以接近标准值的方式稳定化。由此，相邻的主电路电容器的一对之间实现了电压平衡，并且与未在多个对之间实现电压平衡的现有技术相比，能够尽量消除所有的主电路电容器的端子电压的不平衡。
[0120]已说明了本发明的若干个实施方式，但并不限定于各实施方式所示的结构，这些实施方式是作为例子提出的，并非要限定发明的范围。这些新的实施方式能够以其他各种方式实施，能够在不脱离发明的主旨的范围内进行各种省略、置换、变更。这些实施方式及其变形包含在发明的范围和主旨中，并且包含在权利要求书所记载的发明及与其均等的范围内。
【权利要求】
1.一种电压平衡电路，其特征在于， 具备:n段电阻，在输出直流电压的第I和第2主端子之间、在高压侧的第I基准节点到低压侧的第n+1基准节点之间，串联连接n段，其中n > 3 ; n段主电路电容器，在上述第I和第2主端子之间、在高压侧的第I输出节点到低压侧的第n+1输出节点之间，串联连接n段；以及 n-1个电压稳定化电路，分别构成于上述n段电阻的第k基准节点与上述n段主电路电容器的第k输出节点之间，且各自具备第I晶体管和第2晶体管，上述第I晶体管和第2晶体管彼此为逆导电型且基准输入端子和输出端子分别共用连接，上述n段电阻的第k基准节点与上述基准输入端子连接，并且上述n段主电路电容器的第k输出节点与上述输出端子连接，在上述基准输入端子的电压高于上述输出端子的电压时，从通电源节点通过上述第I晶体管向上述输出端子通电，并且在上述基准输入端子的电压低于上述输出端子的电压时，从上述输出端子通过上述第2晶体管向通电目标节点通电，从而稳定化成使上述基准输入端子的电压与上述输出端子的电压一致，其中2 < k < n， 第k段的电压稳定化电路从上述第I晶体管通过第I电阻与作为上述通电源节点的第k-a输出节点连接，并且从上述第2晶体管通过第2电阻与作为上述通电目标节点的第k+b输出节点连接，其中，a为满足KaSk-1的任意一个，b为满足n+1-k的任意一个。
2.根据权利要求1所述的电压平衡电路，其特征在于， 上述电阻和上述主电路电容器分别设置n=3段，
上述 n-1 个电压稳定化电路分别满足(n, k, a, b) = (3, 2,1, 2)、(n, k, a, b) = (3, 3, 2,1)。
3.根据权利要求1所述的电压平衡电路，其特征在于， 上述电阻和上述主电路电容器分别设置n=3段， 上述 n-1 个电压稳定化电路分别满足(n, k, a, b) = (3,2,1,1)、(n, k, a, b) = (3,3,1,1)。
4.根据权利要求1所述的电压平衡电路，其特征在于， 上述电阻和上述主电路电容器分别设置n=4段，
上述 n-1 个电压稳定化电路分别满足(n, k, a, b) = (4, 2,1, 3)、(n, k, a, b) = (4, 3, 2, 2)、(n, k, a, b) = (4,4,3,1)。
5.根据权利要求1所述的电压平衡电路，其特征在于， 上述电阻和上述主电路电容器分别设置n=4段，
上述 n-1 个电压稳定化电路分别满足(n, k, a, b) = (4, 2,1,1)、(n, k, a, b) = (4, 3, 2, 2)、(n, k, a, b) = (4,4,1,1)。
6.根据权利要求1所述的电压平衡电路，其特征在于， 上述电阻和上述主电路电容器分别设置n=4段， 上述 n-1 个电压稳定化电路分别满足(n, k, a, b) = (4, 2,1, 2)、(n, k, a, b) = (4, 3,1,1)、(n, k, a, b) = (4,4,2,1)。
7.根据权利要求1所述的电压平衡电路，其特征在于， 上述电阻和上述主电路电容器分别设置n=4段， 上述n-1个电压稳定化电路分别满足(n, k, a, b) = (4,2,1,1)、(n, k, a, b) = (4,3,1,1)和(n, k, a, b) = (4,4,1,1)。
8.根据权利要求1~7的任意一项所述的电压平衡电路，其特征在于， 上述第I电阻被设定为与上述n段电阻中的上述a段数的量的电阻值对应地成比例的电阻值， 上述第2电阻被设定为与上述n段电阻中的上述b段数的量的电阻值对应地成比例的电阻值 。
【文档编号】H02M7/537GK103684023SQ201310424901
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年9月17日 优先权日:2012年9月18日
【发明者】柴田真生, 乡司阳一 申请人:东芝施耐德变换器公司