(57)【要約】【課題】可能な限りスイッチングロスを少なくする電子システムを備えることを提供し、先行技術の欠点を克服する。【解決手段】本発明は、第１のシステムの第１の信号を第２のシステムの第２の信号に適応させるための電気モジュールであって、−  入力部であって、電源（１０１）をこの入力部に接続できるように構成され、上記電源が第１の信号を供給し、上記第１の信号が直流信号である、入力部と、−  電源電圧を、直流成分および正弦波成分で形成される整流された中間信号に変換するように構成された、コンバータモジュール（１０２）と、−  第２のシステムの第２の信号に適合した信号を出力するように構成されたインバータモジュール（１０３）とを含む、電気モジュール（１００）に関する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のシステムの第１の信号（ＳI）を第２のシステムの第２の信号（Ｓout）に適応させるための電気モジュールであって、
−  入力部であって、電源（１０１）を前記入力部に接続できるように構成され、前記電源が前記第１の信号を供給し、前記第１の信号が直流信号である入力部と、
−  電源電圧を、直流成分および整流された正弦波成分で形成される中間信号（Ｓｉｎｔ）に変換するように構成されたコンバータモジュール（１０２）と、
−  第２のシステムの第２の信号に適合した信号を出力するように構成されたインバータモジュール（１０４）と
を含む、電気モジュールにおいて、
前記インバータモジュールは、前記中間信号を使用して、前記中間信号を前記第２のシステムの第２の信号に適合した正弦波信号に変換するように構成されることを特徴とする、電気モジュール（１００）。
【請求項２】
前記インバータモジュールは、Ｈブリッジ回路（１０４）を含むことを特徴とする、請求項１に記載の電子モジュール。
【請求項３】
前記モジュールは、さらに、前記コンバータモジュールを制御するためのマイクロコントローラ（１１１）を含むことを特徴とする、請求項１または２に記載の電子モジュール。
【請求項４】
前記コンバータモジュールは、変圧器（Ｔ１）を備える少なくとも１つの調節ユニット（１０５）を含み、前記変圧器は、スイッチング手段（Ｃ１）と直列接続され、前記スイッチング手段は、前記マイクロコントローラによって制御されることを特徴とする、請求項１〜３のうちいずれか一項に記載の電子モジュール。
【請求項５】
前記コンバータモジュール（１０２）は、少なくとも２つの調節ユニット（１０５、１０６）を含み、前記調節ユニットは、このユニットの出力部を介して並列接続され、このユニットの出力部を介して並列もしくは直列に接続されるかまたは直列接続と並列接続を組み合わせた形で接続され、前記ユニットの前記入力部は、フローティングであり、前記調節ユニットは、パルス幅変調によって制御されることを特徴とする、請求項４に記載の電子モジュール。
【請求項６】
第１のシステムの第１の信号（ＳI）を第２のシステムの第２の信号（Ｓout）に適応させるための電気モジュールの動作方法であって、前記モジュールが、
−  入力部であって、電源（１０１）を前記入力部に接続できるように構成され、前記電源が第１の信号を供給し、前記第１の信号が直流信号である入力部と、
−  電源電圧を、直流成分および正弦波成分で形成される整流された中間信号（Ｓｉｎｔ）に変換するように構成されたコンバータモジュール（１０２）と、
−  第２のシステムの第２の信号に適合した信号を出力するように構成されたインバータモジュール（１０３）と
を含む、電気モジュール（１００）の動作方法において、
前記動作方法は、
−  前記第１の信号を前記電気モジュールの前記入力部に供給するステップと、
−  前記コンバータモジュール（１０２）を介して、前記第１の信号を直流成分および正弦波成分を含む中間信号に変換するステップと、
−  前記中間信号を、前記第２のシステムの前記第２の信号に適合した信号に変換するステップと
を含むことを特徴とする、動作方法。
【請求項７】
前記中間信号および前記第２の信号の正弦波成分は、同じ周波数を有することを特徴とする、請求項６または７に記載の動作方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、第１のシステムの第１の信号を第２のシステムの第２の信号に適応させるための電気モジュールであって、
−  入力部であって、電源をこの入力部に接続できるように構成され、上記電源が第１の信号を供給し、上記第１の信号が直流信号である入力部と、
−  電源電圧を、直流成分および整流された正弦波成分で形成される中間信号に変換するように構成されたコンバータモジュールと、
−  第２のシステムの第２の信号に適合した信号を出力するように構成されたインバータモジュールと
を含む、電気モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
電力網に適合した信号を生成することを目的とする公知の電気システムがある。このような電気システムの一例は、直流信号を供給する電源を含むものであり、上記電源の出力部は、直流信号を供給するコンバータモジュールに接続されている。この信号は、インバータモジュールに送信され、インバータモジュールは、信号を電力網に適合した信号に変換し、この場合は正弦波信号に変換する。
【０００３】
現在のシステムでは、この直流信号の値は、システムが出力信号の電圧値を供給できるように規定される。例えば、２３０ＶＡＣのＲＭＳ電圧で動作する電力網の場合、最大電圧は３２５ボルト、すなわち√２を乗じたＲＭＳ電圧になる。
【０００４】
このシステムの１つの欠点は、甚大なスイッチングロスを招くという点である。実際、出力されるコンバータモジュール信号のインバータモジュールによる変換は、時間間隔を置いて発生する。これはつまり、正弦波出力信号は、小さな部分で徐々に構築され、この各々の小さな部分が最終的な信号の一部になるということである。最終的な正弦波信号の各々の小さな部分は、面積Ａ１を表し、これらの面積Ａ１の和が電力網を走る正弦波信号を形成する。したがって、インバータモジュールは、直流信号が正弦波信号に変換される際にスイッチングする。このスイッチングは、設定した期間にわたって続き、この期間は、図３に見られるように、直流成分の面積Ｒ１が面積Ａ１と同じになるように規定される。したがって、面積Ａ１が極めて小さいとき、インバータモジュールのスイッチング時間は極めて短くなければならない。そのため、高電圧のスイッチングが甚大なスイッチングロスを招くことは明らかである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
第１の信号を第２の信号に適応させて可能な限りロスを少なくする電子システムを備えることを提供して先行技術の欠点を克服することが、本発明の目的である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
したがって、本発明は、第１のシステムの第１の信号を第２のシステムの第２の信号に適応させるための電気モジュールであって、
−  入力部であって、電源をこの入力部に接続できるように構成され、上記電源が第１の信号を供給し、上記第１の信号が直流信号である入力部と、
−  電源電圧を、直流成分および整流された正弦波成分で形成される中間信号に変換するように構成されたコンバータモジュールと、
−  第２のシステムの第２の信号に適合した信号を出力するように構成されたインバータモジュールと
を含む、電気モジュールにおいて、
上記インバータモジュールは、中間信号を使用して、この中間信号を上記第２のシステムの第２の信号に適合した正弦波信号に変換するように構成されることを特徴とする、
電気モジュールに関する。
【０００７】
第１の有利な実施形態では、上記インバータモジュールは、Ｈブリッジ回路を含む。
【０００８】
第２の有利な実施形態では、インバータモジュールは、さらに、上記コンバータモジュールを制御するためのマイクロコントローラを含む。
【０００９】
他の１つの有利な実施形態では、コンバータモジュールは、変圧器を備える少なくとも１つの調節ユニットを含み、変圧器は、スイッチング手段と直列接続され、上記スイッチング手段は、上記マイクロコントローラによって制御される。
【００１０】
他の１つの有利な実施形態では、上記コンバータモジュールは、少なくとも２つの調節ユニットを含み、調節ユニットは、このユニットの出力部を介して並列接続され、このユニットの入力部を介して並列もしくは直列に接続されるかまたは並列接続と直列接続を組み合わせた形で接続され、このユニットの入力部は、フローティングであり、調節ユニットは、パルス幅変調によって制御される。
【００１１】
本発明は、第１のシステムの第１の信号を第２のシステムの第２の信号に適応させるための電気モジュールの動作方法であって、上記モジュールは、
−  入力部であって、電源をこの入力部に接続できるように構成され、上記電源が第１の信号を供給し、上記第１の信号が直流信号である入力部と、
−  電源電圧を、直流成分および整流された正弦波成分で形成される中間信号に変換するように構成されたコンバータモジュールと、
−  第２のシステムの第２の信号に適合した信号を出力するように構成されたインバータモジュールと
を備える、電気モジュールの動作方法において、
この動作方法は、
−  第１の信号を上記電気モジュールの入力部に供給するステップと、
−  コンバータモジュールを介して、第１の信号を直流成分および整流された正弦波成分を含む中間信号に変換するステップと、
−  中間信号を、第２のシステムの第２の信号に適合した信号に変換するステップと
を含むことを特徴とする、動作方法。
【００１２】
もう１つの有利な実施形態では、中間信号および第２の信号の正弦波成分は、同じ周波数を有する。
【００１３】
本発明による電子モジュールの特徴および方法の目的および利点は、非限定的な例のみを目的として挙げ、添付の図面で描いた以下に詳細に記載する本発明の少なくとも１つの実施形態からさらに明瞭に明らかなるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は本発明による電子モジュールの概略図である。
【図２】図２は本発明の一変形例の概略図である。
【図３】図３は本発明による電子モジュールの概略的な電圧グラフである。
【図４】図４は本発明による電子モジュールの概略的な電圧グラフである。
【図５】図５は本発明による電子モジュールの概略的な電圧グラフである。
【図６】図６は本発明の一変形例の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１は、本発明による電子システム１００を示す。この電子システムは、第１のシステムの第１の信号ＳIを第２のシステムの第２の信号Ｓoutに適応させるための電気モジュール１００である。第１のシステムは、直流電圧を供給する電源１０１であってよい。例えば、この電源１０１は、１つ以上のソーラーパネルまたは１つ以上の風力タービンまたは１つ以上のバッテリまたはその他の素子であってよい。第２のシステムは、例えば、家庭内の電力網、すなわち正弦波電圧である。
【００１６】
電源の直流出力電圧は、コンバータモジュール１０２に入る。コンバータモジュールは、少なくとも１つの調節ユニット１０５を含む。図２に見られる一変形例では、コンバータモジュールは、複数の調節ユニット１０６、１０７、１０８を備えることができ、これらの調節ユニットは、このユニットの出力部を介して並列接続され、このユニットの入力部を介して並列もしくは直列に接続されるかまたは並列接続と直列接続を組み合わせた形で接続され、このユニットの入力部は、フローティングである。
【００１７】
調節ユニットは、スイッチング手段Ｃ１と直列の変圧器Ｔ１を含む。調節ユニット１０５は、さらに、スイッチング手段Ｃ１に直列接続された電流測定手段Ｉ１を含む。変圧器Ｔ１、スイッチング手段Ｃ１および電流測定手段Ｉ１は、電源１０１と並列接続された図示していない第１の結合解除手段と並列接続している。調節ユニット１０５は、中間信号を送るために変圧器Ｔ１の出力部に接続された整流器Ｒ１も含む。このため、調節ユニット１０５は、これ自体の整流器を含んでいることがわかる。コンバータモジュール１０２は、さらに、マイクロコントローラ１１１を含む。マイクロコントローラ１１１は、調節ユニットを制御するために使用される。
【００１８】
コンバータモジュールが、並列もしくは直列に接続されるか、または並列接続と直列接続を組み合わせた形で接続された調節ユニット１０５、１０６、１０７、１０８を有する場合、マイクロコントローラ１１１は、パルス幅変調を用いて各々の調節ユニット１０５、１０６、１０７、１０８を制御する。この場合、マイクロコントローラ１１１は、全調節ユニットに対して単一の制御を用いる。並列または直列に接続された電源１０１が複数ある場合、調節ユニットの制御は、調節ユニットごとに異なっていてもよく、あるいは図６に見られるように、１つの電源が全調節ユニットを制御してもよい。
【００１９】
本発明の他の１つの変形例では、調節ユニット１０５、１０６、１０７、１０８の位相シフト制御を検討することができる。実際、信号の位相シフトを用いて制御するということは、周期ごとに１つの調節ユニットを作動させるということである。これは、各調節ユニットを４周期ごとに作動させるということである。
【００２０】
この変形例では、調節ユニットは、同じ周期内だが位相がシフトした状態で作動することになる。したがってこれは、各周期で調節ユニット１０５、１０６、１０７、１０８のすべてが作動し、その結果、所与の任意の瞬間で調節ユニット１０５、１０６、１０７、１０８のうち１つのみが作動しているということである。
【００２１】
この場合、位相シフトは、４分の１周期すなわちＴ／４となるため、ｔ＝０の瞬間では、第１の調節ユニット１０５が作動していて、パルス幅範囲は０からＴ／４である。ｔ＝Ｔ／４では、第２の調節ユニット１０６が作動している。ｔ＝Ｔ／２では、第３の調節ユニット１０７が作動し、ｔ＝３Ｔ／４では、第４の調節ユニット１０８が作動している。
【００２２】
このように調節ユニットを制御することで、動作周波数を実質的に増加させることができる。実際、１周期あたり調節ユニット１０５、１０６、１０７、１０８のうちの１つが作動する代わりに、１周期あたり４つが作動する。さらに詳細には、調節ユニット１０５、１０６、１０７、１０８の作動周波数の増加が見られるのは、結合解除手段である。
【００２３】
コンデンサのインピーダンスは、周波数に依存している。したがって、周波数が増加すれば、コンデンサ値を低下させるとともに同じインピーダンスを維持することが可能である。さらに、コンデンサのサイズおよびコストは、コンデンサのファラッド値と関係しているため、上記値が下がれば、結合解除手段の効率を下げることなく結合解除手段のコンデンサのサイズおよび価格が下がることになる。
【００２４】
中間信号Ｓｉｎｔは、インバータモジュール１０３に送信される。インバータモジュール１０３は、Ｈブリッジ回路１０４を含む。この種の回路は、複数のスイッチをＨ型に構成した形態である。このため、上記Ｈブリッジ回路は、２つの並列の枝路を有し、各々の枝路が２つの直列接続スイッチの形態になっていることがわかる。Ｈブリッジ回路１０４は、２つの並列の枝路を接続している中央の枝路の中間に位置する充電部に給電するものであり、この中央の枝路は、２つのスイッチ間の接続点で各枝路に接続される。
【００２５】
このブリッジ回路は、充電電圧の極性が周期的に変わるように操作されることができ、このブリッジ回路をインバータにすることができ、マイクロコントローラ１１１は、Ｈブリッジ回路１０４のスイッチに制御信号を送信するように構成される。このＨブリッジ回路１０４は、ブリッジ回路の入力部に接続された中間信号Ｓｉｎｔを電力網に適合した信号に変換するためのインバータとして使用される。
【００２６】
本発明に有利には、中間信号Ｓｉｎｔは、整流された正弦波信号であり、電力網に適合した出力信号を形成するために使用される。この中間信号は、直流成分ＳR、すなわち規定振幅の直流信号および整流された正弦波成分ＳQを含む。この中間信号Ｓｉｎｔは、半正弦波または整流された正弦波信号の形態である、すなわち正弦波部はすべて正である。換言すれば、この中間信号は、直流成分および整流された正弦波で形成される。
【００２７】
この構成には、スイッチングロスを低減するという利点がある。実際、図４に見られるように、中間信号Ｓｉｎｔの形状は、電子システムの出力信号の形状に近く、電子システムの出力信号との相異点は、その振幅および整流された形状である。したがって、中間信号Ｓｉｎｔを電力網に適合した信号に変換すると、スイッチング時間は増加する。これを達成するため、上記コンバータモジュール１０２を用いて中間信号Ｓｉｎｔを生成して、出力周波数と同じ周波数にできるようにする。例えば、スイスまたはフランスの電力網の場合、周波数は５０Ｈｚであるため、コンバータモジュールは、正弦波成分の周波数が５０Ｈｚである中間信号を生成する必要がある。しかし、中間信号は固有の形状であるため、電力網信号に対して二重周波数を有するようになる。
【００２８】
実際、上記で説明したように、継続時間がｔ２である出力信号の部分的要素を作り出すために、コンバータモジュール１０３は、期間ｔ２以内に、入力される信号、すなわち中間信号Ｓｉｎｔを、スイッチングされた中間信号の面積Ｒ２が出力信号の部分的要素の面積Ａ２と等しくなるように計算される瞬間にスイッチングしなければならない。面積とは、一般に高さと幅の相関関係で決まる。これはつまり、高さが短くなれば幅は長くなるはずであり、それによって一定の面積になるということであり、この逆も同じである。
【００２９】
本発明の場合、中間信号Ｓｉｎｔの形状が出力信号に近いという構成は、中間信号Ｓｉｎｔの振幅と出力信号Ｓoutの振幅との間にわずかな振幅のずれがあることを意味する。したがって、直流振幅が一定である直流信号を使用すれば、出力信号の振幅からのずれは可変的になり、極めて大きくなる可能性がある。
【００３０】
以上のことから、図５に見られる出力信号に対して継続時間がＴS3の面積Ａ３を得るためには、面積Ａ３と同等の面積Ｑ３を得るために中間信号Ｓｉｎｔを期間ＴQ3でスイッチングしなければならないが、これに対し先行技術で同じ目的を達成するためには、面積Ｒ３を得るために直流信号を期間ＴR3でスイッチングしなければならない。したがって、期間ＴQ3の継続時間は、期間ＴR3の継続時間よりも長いことがわかる。
【００３１】
したがって、中間信号Ｓｉｎｔを用いて出力信号を形成することにより、低い方の電圧レベルをスイッチングするインバータモジュール１０３が提供され、これによってスイッチングロスが著しく低減される。したがって、電子システム１００の動作は最適化される。さらに、低い方の電圧レベルがスイッチングされるため、電流のリップルも小さくなる。このため、Ｈブリッジ回路１０４によって供給され電力網に投入される電流の質は、さらによくなる。
【００３２】
上記の本発明の様々な実施形態には、添付の特許請求の範囲で規定した本発明の範囲を逸脱しないかぎり、当業者に自明の様々な変更および／または改良および／またはこれを組み合わせたものを加えてよいことは明らかであろう。
【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５】
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【図６】
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