(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気的な入力直流電圧（ＵＳＧ）を電気的な出力直流電圧（ＵＤＣ）に昇圧させるステップアップコンバータ（４）であって、
・入力直流電圧（ＵＳＧ）が印加される、正の入力側ノード（１２）と負の入力側ノード（１６）を備えている電圧入力側と、
・出力直流電圧を供給する、正の出力側ノード（２２）と負の出力側ノード（２６）を備えている電圧出力側と、
・前記電圧出力側で、前記正の出力側ノード（２２）と前記負の出力側ノード（２６）との間に直列に接続されており、かつ出力側中央ノード（２４）を介して相互に接続されている、第１の出力側コンデンサ手段（２７）および第２の出力側コンデンサ手段（２９）と、
・前記正の入力側ノード（１２）と前記正の出力側ノード（２２）との間に接続されている第１のチョークコイル（ＬＰ）と、
・前記第１のチョークコイル（ＬＰ）とともに、前記入力直流電圧（ＵＳＧ）を昇圧させるためにクロックスイッチングされる、前記第１のチョークコイル（ＬＰ）と前記出力側中央ノード（２４）との間に接続されている第１のスイッチング手段（ＳＰ）と、
・前記負の出力側ノード（２６）と前記負の入力側ノード（１６）との間に接続されている第２のチョークコイル（ＬＮ）と、
・前記第２のチョークコイル（ＬＮ）とともに、前記入力直流電圧（ＵＳＧ）を昇圧させるためにクロックスイッチングされる、前記出力側中央ノード（２４）と前記第２のチョークコイル（ＬＮ）との間に接続されている第２のスイッチング手段（ＳＮ）と、
・前記入力直流電圧（ＵＳＧ）を受け入れ、平滑化する、前記正の入力側電圧ノード（１２）と前記負の入力側電圧ノード（１６）との間の電圧入力側に接続されている総入力側コンデンサ手段（１８）とを有しており、前記第１のチョークコイル（ＬＰ）と前記第２のチョークコイル（ＬＮ）は相互に誘導性に結合されており、
前記第１のスイッチング手段（ＳＰ）および前記第２のスイッチング手段（ＳＮ）は交互のクロック供給が行われ、これによって第１の出力側コンデンサ手段（２７）ないしは第２の出力側コンデンサ手段（２９）における第１および第２の出力部分電圧（ＵＤＣ／２）を交互に昇圧させるように構成されている、
ことを特徴とするステップアップコンバータ（４）。
【請求項２】
前記総入力側コンデンサ手段は第１の入力側コンデンサ手段（１７）と第２の入力側コンデンサ手段（１９）とを有しており、前記第１の入力側コンデンサ手段（１７）と前記第２の入力側コンデンサ手段（１９）とは、電圧入力側で、前記正の入力側電圧ノード（１２）と前記負の入力側電圧ノード（１６）との間で直列接続されており、かつ、入力側中央ノード（１４）を介して相互に接続されており、前記入力側中央ノード（１４）と前記出力側中央ノード（２４）とは相互に接続されている、請求項１記載のステップアップコンバータ。
【請求項３】
前記出力側中央ノード（２４）はアースされている、請求項１または２記載のステップアップコンバータ（４）。
【請求項４】
・前記第１の出力側コンデンサ手段（２７）および第２の出力側コンデンサ手段（２９）、
・前記第１のチョークコイル（ＬＰ）および第２のチョークコイル（ＬＮ）、ならびに、
・前記第１の入力側コンデンサ手段（１７）および第２の入力側コンデンサ手段（１９）のうちの少なくとも１組は、
それぞれ同じ大きさを有している、請求項１から３までのいずれか１項記載のステップアップコンバータ（４）。
【請求項５】
直流電圧から交流電流を生成するためのインバーター装置であって、
・前記入力直流電圧（ＵＳＧ）を前記出力直流電圧（ＵＤＣ）に昇圧させる、請求項１から４までのいずれか１項に記載されたステップアップコンバータ（４）と、
・前記ステップアップコンバータ（４）の前記出力直流電圧（ＵＤＣ）から交流電圧を形成するインバーター（６）とを有している、ことを特徴とするインバーター装置。
【請求項６】
前記ステップアップコンバータ（４）の前記出力直流電圧（ＵＤＣ）は、前記インバーター（６）の中間回路電圧（ＵＤＣ）と入力電圧（ＵＤＣ）を形成し、前記第１の出力側コンデンサ手段（２７）および第２の出力側コンデンサ手段（２９）は第１の中間回路コンデンサ（２７）および第２の中間回路コンデンサ（２９）を形成する、請求項５記載のインバーター装置。
【請求項７】
ソーラー設備（１）であって、
・光から電気的なエネルギーを形成し、電気的な直流電圧（ＵＳＧ）を供給する太陽光発電機（２）と、
・前記太陽光発電機（２）によって供給された直流電圧（ＵＳＧ）から交流電流を形成する、請求項５または６記載のインバーター装置とを有している、
ことを特徴とするソーラー設備。
【請求項８】
請求項１から４までのいずれか１項に記載されたステップアップコンバータ（４）の動作方法であって、
・前記入力直流電圧（ＵＳＧ）が所定の境界電圧よりも高い場合に、２つのスイッチング手段（ＳＰ、ＳＮ）が一時的に同時に開放されるように、前記第１のスイッチング手段（ＳＰ）および第２のスイッチング手段（ＳＮ）に前記交互のクロック供給を行い、
・前記入力直流電圧（ＵＳＧ）が所定の境界電圧よりも低い場合に、２つのスイッチング手段（ＳＰ、ＳＮ）が一時的に同時に閉成されるように、前記第１のスイッチング手段（ＳＰ）および第２のスイッチング手段（ＳＮ）に前記交互のクロック供給を行う、
ことを特徴とする、ステップアップコンバータ（４）の動作方法。
【請求項９】
請求項１から４までのいずれか１項に記載されたステップアップコンバータ（４）の動作方法であって、
・前記入力直流電圧（ＵＳＧ）が前記出力直流電圧（ＵＤＣ）の公称電圧の半分（ＵＤＣ／２）よりも高い場合に、２つのスイッチング手段（ＳＰ、ＳＮ）が一時的に同時に開放されるように、前記第１のスイッチング手段（ＳＰ）および第２のスイッチング手段（ＳＮ）に前記交互のクロック供給を行い、
・前記入力直流電圧（ＵＳＧ）が前記出力直流電圧（ＵＤＣ）の公称電圧の半分（ＵＤＣ／２）よりも低い場合に、２つのスイッチング手段（ＳＰ、ＳＮ）が一時的に同時に閉成されるように、前記第１のスイッチング手段（ＳＰ）および第２のスイッチング手段（ＳＮ）に前記交互のクロック供給を行う、
ことを特徴とする、ステップアップコンバータ（４）の動作方法。
【請求項１０】
請求項１から４までのいずれか１項に記載されたステップアップコンバータ（４）の動作方法であって、
前記第１の出力側コンデンサ手段（２７）および第２の出力側コンデンサ手段（２９）が継続的または周期的に、不均衡に充電されるように前記ステップアップコンバータ（４）を動作させる、
ことを特徴とする、ステップアップコンバータ（４）の動作方法。
【請求項１１】
請求項１から４までのいずれか１項に記載されたステップアップコンバータ（４）の動作方法であって、
形成されるべき交流電圧に自身の振幅を追従させるために、前記第１および第２の出力部分電圧（ＵＤＣ／２）が相互に逆方向に変動するように、前記ステップアップコンバータ（４）を駆動制御する、
ことを特徴とする、ステップアップコンバータ（４）の動作方法。
【請求項１２】
前記第１および第２の出力部分電圧（ＵＤＣ／２）は、その総計が一定にとどまるように変動する、請求項１１記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はステップアップコンバータに関する。これは、電気的な入力直流電圧を電気的な出力直流電圧に昇圧させる。さらに、本発明はステップアップコンバータを備えたインバーター装置と、ステップアップコンバータを備えたソーラー装置とに関する。さらに本発明は、ステップアップコンバータの作動方法に関する。
【０００２】
ステップアップコンバータは一般的に公知であり、これは、第１の電圧振幅を有する電気的な直流電圧を、第２の電圧振幅を有する電気的な直流電圧に昇圧させるために用いられる。従って第２の電圧振幅は、第１の電圧振幅よりも大きい。これは殊に、太陽光発電機およびインバーターに関連した用途に対して公知である。インバーターは、太陽光発電機によって形成された電気エネルギーを電気的な交流電圧網に供給する。太陽光発電機、すなわち、少なくとも１つ、通常はより多くの太陽光発電セルから成る装置は、電気的な直流電圧を形成し、これを供給する。この直流電圧の電圧振幅は、殊に温度に依存して変動する。インバーターは、直流電圧、すなわち中間回路電圧から、例えばパルス幅変調方法によって、交流電流網内に供給するための交流電流を形成する。このために、交流電圧網内での電圧に相応した電圧振幅が、必要であり、中間回路電圧はこのために、相応に高い電圧を有していなければならない。これは、太陽光発電機が供給する電圧を中間回路電圧に昇圧させるステップアップコンバータによって実現される。
【０００３】
簡単に言えば、ステップアップコンバータは次のように機能する。すなわち、スイッチの閉成によって、ステップアップコンバータの入力側から、すなわち上述したソーラー用途では太陽光発電機から、このコンテキストにおいて通常は「チョークコイル」と称されるインダクタンスとスイッチを通って流れる電流が形成されるように機能する。スイッチが開放されると、インダクタンスはまずは、電流をさらに促進することを試み、ステップアップコンバータはここで、次のように構成されている。すなわち、この電流が出力電圧側に導かれ、そこでコンデンサ、すなわち中間回路コンデンサないしは中間回路キャパシタンスを充電するように構成されている。従ってこのインダクタンスは、ステップアップコンバータの重要な構成部分であり、このインダクタンスは満足な機能のためにある程度の大きさを有していなければならず、これによって、上述した電流をある程度の時間、長く促進させることができる。このチョークコイルはここでしばしば、ステップアップコンバータの最も高価な構成部材であり、さらに、相当なボリュームになることも多々あり、かつ通常は、最も重い構成部材である。
【０００４】
公開文献ＤＥ１０２００４０３７４４６Ａ１号から、ステップアップコンバータを有するインバーターが公知である。これは、チョークコイルを、２つの小さい個別チョークコイルに分ける。
【０００５】
別のタイプのステップアップコンバータは、Ｚｈａｎｇ等著の刊行物「Ｓｉｎｇｌｅ−Ｐｈａｓｅ  Ｔｈｒｅｅ−Ｌｅｖｅｌ  Ｂｏｏｓｔ  Ｐｏｗｅｒ  Ｆａｃｔｏｒ  Ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ  Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ（Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｏｗｅｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ａｎｄ  Ｅｘｐｏｓｉｔｉｏｎ、１９９５（ＡＰＥＣ’９５）、ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  １９９５、１０ｔｈ  ａｎｎｕａｌ）」に記載されている。ここで、図１は、１つのチョークコイルのみが使用されている実施形態を示している。ここに示されているステップアップコンバータは、分割された中間回路コンデンサを有しており、これは、第１と第２の、直列接続された中間回路コンデンサを有している。ここでは２つのスイッチが設けられており、これらのスイッチによって、第１と第２の中間回路コンデンサは基本的に個別に駆動制御され、それらの電圧が別個に昇圧される。
【０００６】
日本の公開文献ＪＰ０９１４０１５７Ａ号は、極めて類似している回路を示している。欧州の公開文献ＥＰ２２４４３６７Ａ１号から、分割された中間回路と複数の半導体スイッチ並びに複数のチョークコイルを有するステップアップコンバータが公知である。ＵＳ特許であるＵＳ７８３９６６５Ｂ２号は、同様に、ステップアップコンバータとインバーターとを有するシステムに関する。ここでこの文献は、特に、高電圧保護と低電圧保護に関する。
【０００７】
それにもかかわらず、ステップアップコンバータおよび別のステップアップコンバータは、多くの場合に、比較的大きい誘導性の構成部材を必要とし、単独運転において、または網内の不平衡負荷時に、後置接続されている三点インバーターの中間回路の対称化を行うのに適していない、または良好に適していない。
【０００８】
従来技術として、ここで、一般的に、ＵＳ２００９／００８５５３７Ａ１号を参照されたい。
【０００９】
従って本発明の課題は、上述した問題の少なくとも１つを解決することである。殊に、対称化の特性を改善する、および／または、構成部材投入を、殊にコストに関して低減する、および／またはステップアップコンバータの質を改善する解決方法が実現されるべきである。少なくとも、択一的な解決方法が提案されるべきである。
【００１０】
本発明によって、請求項１に記載されているステップアップコンバータが提案される。これは、電気的な入力直流電圧を電気的な出力直流電圧に上昇させるように構成されている。ステップアップコンバータは、正と負の入力側ノードを有している電圧入力側を含んでおり、ここに入力電圧が印加される。さらに電圧出力側が設けられる。これは、正と負の出力側ノードを有している。これらのノードの間では、出力電圧が供給される。相応に、入力電圧、すなわち入力直流電圧は、自身の電圧振幅において、出力電圧、すなわち出力直流電圧よりも低い。
【００１１】
電圧出力側には、出力側コンデンサ手段が設けられている。これは、第１の出力側コンデンサ手段と第２の出力側コンデンサ手段とに分けられている。これらの第１の出力側コンデンサと第２の出力側コンデンサは、直列回路において、正の出力側ノードと負の出力側ノードとの間に接続されており、出力中央ノードを有している。このノードには、両方の出力側コンデンサ手段が有効に接続されている。第１の出力側コンデンサ手段、すなわち殊に第１のコンデンサ、殊に第１の中間回路コンデンサは、正の出力側ノードと出力中央ノードとの間に接続されている。これを介して、ステップアップコンバータの動作中に、第１の出力部分電圧が発生する。相応に、第２の出力側コンデンサ手段、殊に第２の出力側コンデンサ、殊に第２の中間回路コンデンサは、出力中央ノードと負の出力側ノードとの間に接続されており、これを介して第２の出力部分電圧が発生する。第１の出力部分電圧と第２の出力部分電圧との合計は、正の出力側ノードと負の出力側ノードとの間の出力電圧ないしは出力直流電圧である。
【００１２】
正の入力側ノードと負の入力側ノードとの間の電圧入力側には、総入力側コンデンサ手段が設けられている。
【００１３】
ステップアップコンバータの動作のために、第１のチョークコイルが第１のスイッチング手段、殊にスイッチ、殊に半導体スイッチとともに設けられている。第１のチョークコイルは、正の入力側ノードと正の出力側ノードとの間にあり、すなわち正の分路内に設けられており、これはさらに、第１のスイッチング手段を介して出力側中央ノードと接続されている。これに相応して、負の分路には、第２のチョークコイルが負の出力側ノードと負の入力側ノードとの間に設けられており、スイッチまたは半導体スイッチとしても構成され得る第２のスイッチング手段を介して、出力側中央ノードと接続されている。
【００１４】
上述したこのステップアップコンバータは、三点ステップアップコンバータとも称される。これは、入力電圧を出力電圧へと昇圧させる。ここで電圧入力側には３つの電圧ポテンシャルが存在する。すなわち、正の出力側ノードと負の出力側ノードと出力側中央ノードで、ステップアップコンバータによって、これらに所期のように作用が施される。
【００１５】
第１のチョークコイルと第２のチョークコイルを誘導性に、相互に結合することを提案する。２つのチョークコイルのこの結合は有利には、共通のコアを使用することによって行われる。ここで、第１のスイッチング手段と第２のスイッチング手段ないしは第１のスイッチと第２のスイッチの互い違いのクロック供給（Taktens）によって、所定の半分の出力電圧よりも大きい、高い入力電圧の時に、入力電圧は出力電圧に昇圧される。有利には次のような結果をもたらす。すなわち、第１のチョークコイルと第２のチョークコイルの磁化時に、半分の出力電圧の逆電圧が存在し、これによって電流リップルが低減される。さらなる利点は、２つのスイッチの交互のクロック供給にある。すなわち、スイッチの交番するオンおよびオフにある。これによって、チョークコイルで明らかなスイッチング周波数が二倍になる。上述したこれらの効果は一緒に、第１のチョークコイルと第２のチョークコイルの総インダクタンスを、比較可能な従来のステップアップコンバータソリューションと比べて、例えば５０％以上の範囲で著しく低減させるのに使用される。従来のステップアップコンバータソリューションは例えば上述した文献ＤＥ１０２００４０３７４４６Ａ１号から公知である。
【００１６】
入力電圧が低い場合、すなわち入力電圧が、所定の半分の出力電圧よりも低い場合には、スイッチング状態を変えることができ、これによって、クロック供給、すなわち第１のスイッチング手段と第２のスイッチング手段の切り替えが、それぞれ一時的に２つのスイッチング手段が同時に閉成されるように行われる。入力電圧が高い場合には、このクロック供給は次のように行われる。すなわち、２つのスイッチング手段が一時的に、交差して開放されるように、行われる。交互のクロック供給に対して挙げられた利点は、基本的に両方の場合、すなわち高い入力電圧と低い入力電圧の場合に得られる。
【００１７】
有利には、総入力側コンデンサ手段は、第１の入力側コンデンサ手段と第２の入力側コンデンサ手段とに分けられる。殊に第１の入力側コンデンサと第２の入力側コンデンサは、第１の入力側コンデンサ手段と第２の入力側コンデンサ手段として設けられている。これらの２つの入力側コンデンサ手段は、これによって、電圧入力側で直列に接続され、入力側中央ノードを有する。この入力側中央ノードに、これらが接続されている。以降では概略的に、制限するものではなく、第１の出力側コンデンサ手段と第２の出力側コンデンサ手段に対して、「第１ないしは第２の出力側コンデンサ」との名称が使用され、第１の入力側コンデンサ手段と第２の入力側コンデンサ手段には「第１ないしは第２の入力側コンデンサ」との名称が使用される。
【００１８】
入力側中央ノードと出力側中央ノードは、この実施例では相互に接続されており、相応に、同じ電圧ポテンシャルを有している。出力側中央ノード、有利にはアース端子ないしはＰＥ端子に入力側中央ノードをこのように結合することによって、動作によって生じる導出電流が格段に低減される。これには殊に、アースに対する太陽光発電機の容量性の結合による導出電流が含まれる。
【００１９】
第１の入力側コンデンサ手段と第２の入力側コンデンサ手段とが設けられており、これによって、出力側中央ノードと接続されている入力側中央ノードを有している実施形態によって、第１および第２のチョークコイルの誘導性結合の利点と、アースまたは出力側中央ノードでの入力電圧の容量性結合の使用の利点が、組み合わされる。チョークコイルの結合を介して、第１の入力側コンデンサ手段のエネルギーを第２の出力側コンデンサ手段と交換すること、またはその逆が可能になる。ここでも、アースまたは出力側中央ノードでの入力電圧ないしは入力電圧源の容量性の結合によって、動作によって生じる導出電流が低減される。
【００２０】
出力側中央ノードひいては場合によっては、入力側中央ノードも、アースされているのが有利である。これによって、容量性の結合、殊に入力電圧のアースでの容量性の結合が得られる。容量性の作用による、原理的に生じる高い導出電流を起こし得る太陽光発電機を入力電圧源として使用する場合には、アースでのこのような結合が重要である。
【００２１】
有利には、第１および第２の出力側コンデンサ手段および／または第１および第２のチョークコイルおよび／または第１および第２の入力側コンデンサ手段がそれぞれ同じ大きさを有するという点で、ステップアップコンバータは基本的に対称的な構造を有する。換言すれば、出力側コンデンサは２つの同じ大きさのコンデンサに分けられる。殊に、同じ大きさ、いわゆる同じ容量の第１および第２のいわゆる中間回路コンデンサに分けられる。同様のことが、同じインダクタンスを有し得る２つのチョークコイルに当てはまり、同様に、２つの入力側コンデンサが同じ要領を有していることが提案される。
【００２２】
同様に、電気的な直流電圧から電気的な交流電流を形成するインバーター装置が提案される。このインバーター装置は、上述の実施形態の１つに相応するステップアップコンバータを有する。このステップアップコンバータは、ここで、入力電圧を出力電圧に昇圧させる。インバーターは、ステップアップコンバータによって昇圧された出力電圧から交流電圧を、殊に、変調方法によって形成する。従ってこのようなインバーター装置では、ステップアップコンバータの出力直流電圧は中間回路電圧を形成する。これは、相応に、インバーター用の入力電圧として見なされる。
【００２３】
有利には、ここでは、出力側中央ノードはインバーター内の中性線と接続されており、インバーターはこれによって、この中性線のポテンシャルを基準とした交流電圧信号を形成する。従って、この交流電圧は、出力側中央ノードのポテンシャルひいては場合によっては、入力側中央ノードのポテンシャルにも関連する。
【００２４】
さらに、ソーラー設備が提案される。これは、光、殊に太陽光から電気エネルギーを形成するために太陽光発電機を有している。このような太陽光発電機は電気的な直流電圧を供給するために設けられている。さらに、インバーター装置が、殊に上述したように含まれる。これは、太陽光発電機によって供給された直流電圧から電気的な交流電流を形成する。従って、殊に、全体システムにおいて上述したステップアップコンバータの利点を利用するソーラー施設が提案される。
【００２５】
さらに、ステップアップコンバータの動作方法を提案する。上述したようなインバーター装置の動作にも、相応に、ソーラー設備の動作にも使用可能である、この方法は、ステップアップコンバータの入力電圧に依存した駆動制御を提案する。
【００２６】
入力直流電圧、すなわち殊に、太陽光発電機によって供給された直流電圧が、所定の境界電圧よりも高い場合、すなわち殊に、半分の出力電圧よりも高い場合には、第１のスイッチング手段と第２のスイッチング手段の交互のクロック供給が提案される。これによって、基本的に、第１ないしは第２の出力側コンデンサでの第１および第２の出力部分電圧が交互に昇圧される。第１のチョークコイルと第２のスチョークコイルの誘導性の結合の場合には、これによって、電流リップルが低減され、有効なスイッチング周波数が二倍にされる。
【００２７】
しかし入力電圧が低い場合には、クロック供給は、第１と第２のスイッチング手段が一時的に同時に閉成されるように行われる。
【００２８】
有利には、ステップアップコンバータは次のように駆動制御されることを提案する。すなわち、第１のコンデンサ手段と第２のコンデンサ手段が継続的にまたは周期的に、不均衡に充電されるように駆動制御される。このような駆動制御は、ステップアップコンバータの上述したトポロジーに基づいて可能である。なぜなら、第１および第２のコンデンサ手段、すなわち第１および第２の中間回路コンデンサは、相互に依存せずに駆動制御されるからである。不均衡に充電とはここで、殊に、ステップアップコンバータによって異なる電圧が第１のコンデンサ手段と第２のコンデンサ手段に調整される状況のことである。
【００２９】
これら２つのコンデンサ手段、すなわち殊にこれら２つの中間回路コンデンサが異なる電圧振幅を有することによって、インバーターによって給電されるべき交流電圧網における不平衡負荷条件を考慮することができる。殊に、ステップアップコンバータがインバーターとともに単独電力網で動作される場合、この単独電力網での非対称の負荷を、電力網内のこのような非対称性、すなわち不平衡負荷へと案内することができる。ステップアップコンバータの出力側コンデンサ手段の、提案された、不均衡充電によって、このような不平衡負荷が場合によっては阻止され、恐らく、対称性が得られるだろうまたは少なくともこれに作用が及ぼされる。電力網内でのこのような不平衡負荷はしばしば、インバーターの中間回路の非対称な負荷も生じさせる。これは、提案された解決策によって阻止される。
【００３０】
有利にはステップアップコンバータは次のように駆動制御される。すなわち第１の出力部分電圧と第２の出力部分電圧とが相互に逆方向に変動し、これによって、形成されるべき交流電圧に、自身の振幅が追従する。有利には、出力部分電圧はここで次のように変動する。すなわち、自身の総計がほぼ一定のままであるように変動する。換言すれば、正の入力側ノードと負の入力側ノードとの間の電圧はほぼ一定のままであるが、出力側中央ノードに関しては変化する、ないしは、変動する。
【００３１】
これによって、次のことが実現される。すなわち、交流電圧網への給電のためにインバーターを使用する場合に、それぞれ形成されるべき電圧振幅ないしは形成されるべきほぼ正弦波状の電流の電流振幅に対して、僅かに高い電圧が、各中間回路コンデンサに印加されることが実現される。すなわち、殊に高い電圧が第１の出力側コンデンサ手段、すなわち第１の中間回路コンデンサに、正の半波の頂点領域に対して、相応に、高い電圧が、第２の出力側コンデンサ手段で、すなわち第２の中間回路コンデンサに、負の半波の頂点領域に対して印加される。これによって、インバーターは、自身の中間回路で、ある程度の電圧備蓄を得る、または場合によって、中間回路での電圧全体を継続的に下げることができる。後者は場合によっては、ステップアップコンバータおよび／またはインバーターの構成部材のサイズ設計に対しても影響する。
【００３２】
以下で本発明を実施例に基づいて、例示的に、添付の図面を参照してより詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】実施形態に従って太陽光発電機、ステップアップコンバータおよびインバーターを備えたソーラー装置を概略的に示す図
【図２】別の実施形態に従って太陽光発電機、ステップアップコンバータおよびインバーターを備えたソーラー装置を示す図
【図３】別の実施形態に従って太陽光発電機、ステップアップコンバータおよびインバーターを備えたソーラー装置を示す図
【図４】別の実施形態に従って太陽光発電機、ステップアップコンバータおよびインバーターを備えたソーラー装置を示す図
【実施例】
【００３４】
以下で、機能的な類似性を明瞭にするために、場合によっては、類似の、しかし同一ではない部材にも同じ参照符号を用いる。
【００３５】
図１は、太陽光発電機２と、ステップアップコンバータ４と、インバーター６を備えたソーラー装置１を示す。インバーターは、電力網８内に給電する。
【００３６】
図１およびその他の点では図２も、電力網８内への単相の給電を示している。同様に、三相の給電が可能である。ステップアップコンバータ４の基本的な構造においては、本願に記載されたステップアップコンバータも、基本的にはこれによって変化しない。
【００３７】
記載されたステップアップコンバータ４はここで、ソーラー装置１と関連して記載されているが、別の用途において使用されてもよい。図１では、太陽光発電機２は太陽光発電機電圧ＵＳＧを供給する。これは、入力電圧ないしは入力直流電圧として、正の入力側ノード１２と負の入力側ノード１６との間に印加される。ここでこの入力電圧は、総入力側コンデンサ手段１８を介して印加される。ここから、ステップアップコンバータ４は、出力電圧、すなわち、中間回路電圧ＵＤＣを形成する。これは、正の出力側ノード２２と負の出力側ノード２６との間に印加される。分かりやすくするために、図１では次のことが想定されている。すなわち、正の出力側ノードに、１／２ＵＤＣの電圧ポテンシャルが印加され、これと相応に、負の出力側ノード２６に−１／２ＵＤＣの電圧ポテンシャルが印加されることが想定されている。これは対称の場合、ないしは、補償された場合を表している。しかし上述したように、有利な駆動制御では、ここで、異なる電圧が定められる。第１の出力部分電圧Ｕ１が、第１の出力側コンデンサ手段２７を介して、すなわち、第１の中間回路コンデンサを介して印加され、第２の出力部分電圧Ｕ２が、第２の出力側コンデンサ手段２９を介して、すなわち、第２の中間回路コンデンサを介して印加される。第１の中間回路コンデンサ２７と第２の中間回路コンデンサ２９は、出力側中央ノード２４を介して相互に接続されている。
【００３８】
正の出力側ノード２２と負の出力側ノード２６並びに出力側中央ノード２４は、ステップアップコンバータ４の出力側端子として見なされ、図１で、右側に示されているさらなる部材は、インバーター６の部分であり、従って、さらなる説明は必要ない。基本的に、直流電圧回路、すなわち正の出力側ノード２２、負の出力側ノード２６および出力側中央ノード２４は、その間に配置されている中間回路コンデンサ２７および２９とともに、インバーター６の一部として見なすこともできる。有利には、インバーター６とステップアップコンバータ４は、その回路において統合されており、上述した部材の具体的な割り当ては生じない。
【００３９】
ステップアップコンバータ４はここで、第１または正のチョークココイルＬＰを有している。これは、正の入力側ノード１２と正の出力側ノード２２との間に配置されている。さらに、第１のダイオードＤ１がこの正の分路内に設けられている。第１のチョークコイルＬＰと第１のダイオードＤ１との間には、スイッチング手段ＳＰが接続されている。これはさらに、出力側中央ノード２４と接続されている。第１のスイッチング手段または正のスイッチング手段ＳＰは、並列ダイオードを備えたスイッチを有している。
【００４０】
負の分路内には、相応に、第２または負のチョークココイルＬＮが設けられており、第２のダイオードＤ２を介して、負の出力側ノード２６と負の入力側ノード１６との間に接続されている。さらにこれは、スイッチと並列のダイオードから形成されている第２ないしは負のスイッチング手段ＳＮを介して、出力側中央ノード２４と接続されている。出力側中央ノード２４はさらに、アースないしはＰＥに接続されている。
【００４１】
第１および第２のチョークコイルないしは、正および負のチョークコイルＬＰおよびＬＮは、誘導性に相互に結合されている。これは図１の結合３０によって示されている。
【００４２】
図示されたステップアップコンバータ４は、前に接続された２つのチョークコイルＬＰ、ＬＮを備えた三点ステップアップコンバータを形成する。これらのチョークコイルは、コア上で結合されている。これは結合部３０が示している。ここでは一般的に、本願に記載されている、ステップアップコンバータが基本的には三点ステップアップコンバータ（Dreipunkthochsetzsteller）とも称されることを記載しておく。これは、電圧入力側から電圧出力側へと電圧昇圧を行う。ここで電圧出力側には、ステップアップコンバータによって目標と定められる３つの電圧ポテンシャルが設けられている。すなわち、正および負の出力側ノード並びに出力側中央ノードである。
【００４３】
特に、さらに、図１に関して、図示された回路が電力網側で、すなわち、電力網８へと向かって、三点インバーター６を介して電力網８と結合されていることを述べておく。これは二相または三相でも実施可能である。
【００４４】
スイッチング手段ＳＰおよびＳＮの互い違いのクロック供給によって、相応する高い入力電圧の際に、すなわち、太陽光発電機電圧ＵＳＧがＵＤＣ／２よりも高い場合に、太陽光発電機電圧ＵＳＧは、中間回路電圧ＵＤＣへ昇圧される。有利にはここで次のような効果が得られる。すなわち、チョークコイルＬＮおよびＬＰの磁化の際に、ＵＤＣ／２の逆電圧が存在し、これによって電流リップルが低減される、という効果が得られる。さらなる利点は、スイッチＳＮとＳＰの交互のクロック供給にあり、これによって、チョークコイルで見られるスイッチング周波数が二倍になる。すなわちこれらのチョークコイルＬＰおよびＬＮでは、各直接的な電気回路が可視であり、また、回路はそれぞれ別のチョークコイルで可視である。これは誘導性の結合を介して作用する。上述した２つの効果によって、比較可能な従来のステップアップコンバータソリューションと比べて、チョークコイルＬＰおよびＬＮの総合インダクタンスが格段に低減される。しばしば、この低減は少なくとも５０％になり得る。
【００４５】
入力電圧が低い場合、すなわち、太陽光発電機ＵＳＧがＵＤＣ／２よりも低い場合に、スイッチング状態は次のように変更される。すなわち、２つのスイッチング手段ＳＰ、ＳＮが、一時的に、同時に閉成されるように変更される。すなわち第２のスイッチング手段ＳＮは、第１のスイッチング手段ＳＰがまだ閉成されているときに閉成する、およびこの逆である。これは基本的に各スイッチング周期に当てはまる。入力電圧が高い場合には、２つのスイッチング手段ＳＰ、ＳＮが一時的に同時に開放される。すなわち第２のスイッチング手段ＳＮは、第１のスイッチング手段ＳＰが既に開放されているときに、開放する。両方の場合において、可視のスイッチング周波数の電流リップル低減および倍化が行われる。
【００４６】
別の利点は、中間回路、すなわち２つの中間回路コンデンサ２７および２９を、スイッチング手段ＳＰとＳＮの異なるデューティサイクルによって、太陽光発電機側から、すなわち、ステップアップコンバータ４の入力側から、中間回路の不平衡負荷時に、対称化することができる、ということである。すなわち、不平等な負荷が阻止される。これによって、対称性が、インバーター側で、ないしは、インバーターによって回避される、または、場合によっては付加される。この利点によって、回路、すなわち殊にステップアップコンバータ４も特に、特に不平衡負荷が見込まれる単独運転に適する。
【００４７】
図２に示されているソーラー装置１の実施は、図１に示されているものと、基本的に次の点において異なる。すなわち、図１の合成されたコンデンサ手段１８、すなわち図１の入力側コンデンサ１８が、図２の実施においては分割され、相応に、第１および第２の入力側コンデンサ手段１７、１９を有しているという点で異なる。これは、第１および第２の入力側コンデンサ１７、１９とも称される。第１と第２の入力側コンデンサ１７、１９は、正の入力側ノード１２と負の入力側ノード１６との間に直列接続されており、入力側中央ノード１４を介して接続されている。入力側中央ノード１４は、出力側中央ノード２４と電気的に接続されている。２つのノードはアースされている、ないしはＰＥに接続されている。
【００４８】
従って、図２の実施形態は、図１の実施形態に類似している。図２では、ＤＣ入力端子、すなわち正の入力側ノード１２と負の入力側ノード１６が、２つのコンデンサ、すなわち第１の入力側コンデンサ１７と第２の入力側コンデンサ１９によって固定してＰＥに結合されている。これによって時折、動作によって生じる導出電流が格段に低減される。上方のアクチュエータと下方のアクチュエータとの結合は、チョークコイルＬＰ、ＬＮの誘導性の結合によって得られる。上方のアクチュエータは、ステップアップコンバータ４の部分である。これは、実質的に、第１の入力側コンデンサ１７、第１のチョークコイルＬＰ、第１のスイッチング手段ＳＰ、第１のダイオードＤ１および第１の中間回路コンデンサ２７を含んでいる。
【００４９】
相応に、第２の入力側コンデンサ１９の部材、第２のチョークコイルＬＮ、第２のスイッチング手段ＳＮ、第２のダイオードＤ２および第２の中間回路コンデンサ２９から下方のアクチュエータが得られる。
【００５０】
チョークの結合、すなわち誘導性の結合３０を介して、上方の入力側コンデンサ、すなわち第１の入力側コンデンサ１７から、下方の中間回路コンデンサ、すなわち第２の中間回路コンデンサへとエネルギーを交換すること、およびその逆が可能である。太陽光発電機２は、ここで、２つのコンデンサを介して、すなわち第１のコンデンサ１７と第２のコンデンサ１９を介して、さらに、入力側中央ノード１４を介して容量性にアースに結合されている。これによって、動作によって生じる導出電流が低減される。
【００５１】
図３および図４の実施形態は基本的に、図１ないしは図２の実施形態にそれぞれ対応する。しかし図３および４の実施形態は、単にインバーター６を分かり易くしているだけであり、さらに、これは図３および図４の実施形態に当てはまるが、それぞれ、アースないしはＰＥへの出力側中央ノード２４の結合のない形態を示している。
【００５２】
中間回路の半分が意図的に非対称に、ＳＰとＮによって形成されたステップアップコンバータによって充電される方法も提案される。このようにして、中間回路、すなわち出力側コンデンサ手段での電圧を電力網の各半波に追従させる場合には、後置接続されているインバーターのスイッチング損失が低減される。さらに、全体的な中間回路電圧が低減される。特に有利には、この追従は、単相のインバーターの場合、また三相のインバーターの場合にも、改善が実現される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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