(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
インバータと少なくとも１つの整流器とを備えた５段階電力変換器であって、
前記整流器は、整流器制御回路、並列に接続された第１のキャパシタおよび第２のキャパシタ、ならびに並列に接続された第３のキャパシタおよび第４のキャパシタを備え、前記第１のキャパシタの第１の端点、前記第２のキャパシタの第１の端点、前記第３のキャパシタの第１の端点、および前記第４のキャパシタの第１の端点は接地され、
前記整流器制御回路は、前記第１のキャパシタの第２の端点、前記第２のキャパシタの第２の端点、前記第３のキャパシタの第２の端点、および前記第４のキャパシタの第２の端点に電流を入力するように構成され、前記第１のキャパシタの前記第２の端点および前記第２のキャパシタの前記第２の端点に蓄積された電荷の極性は同じであり、前記第１のキャパシタの前記第２の端点に蓄積された電気量は前記第２のキャパシタの前記第２の端点に蓄積された電気量よりも大きく、前記第３のキャパシタの前記第２の端点および前記第４のキャパシタの前記第２の端点に蓄積された電荷の極性は同じであり、前記第４のキャパシタの前記第２の端点に蓄積された電気量は前記第３のキャパシタの前記第２の端点に蓄積された電気量より大きく、前記第１のキャパシタと前記第２のキャパシタの前記第２の端点に蓄積された電荷の極性は前記第３のキャパシタと前記第４のキャパシタの前記第２の端点に蓄積された電荷の極性と反対であり、
前記インバータは、放電制御回路、および直列に接続された第１のインダクタ・ユニットと第１の負荷を備え、前記第１のインダクタ・ユニットの第１の端点は前記第１の負荷の第１の端点に接続され、前記第１の負荷の第２の端点は接地され、
前記放電制御回路は、前記整流器の前記第２のキャパシタの前記第２の端点、前記第１のキャパシタの前記第２の端点、前記第３のキャパシタの前記第２の端点、および前記第４のキャパシタの前記第２の端点から連続的に放電するように構成され、放電電流は直列に接続された前記第１のインダクタ・ユニットと前記第１の負荷を通って流れ、前記第１のキャパシタ、前記第２のキャパシタ、前記第３のキャパシタ、および前記第４のキャパシタの何れかの充電と放電は交互に行われ、
前記整流器制御回路は、第２のインダクタ・ユニット、第１のスイッチング回路、第１の制御回路、および第２の制御回路を備え、前記第２のインダクタ・ユニットの第１の端点は外部入力電源に接続され、
前記第１の制御回路は、第３のダイオード、第４のダイオード、および第３のスイッチ・トランジスタを備え、前記第３のダイオードは前記第１のキャパシタの前記第２の端点と前記第２のインダクタ・ユニットの第２の端点の間との回路において直列に接続され、前記第３のダイオードのアノードは前記第２のインダクタ・ユニットの前記第２の端点に接続され、前記第３のダイオードのカソードは前記第１のキャパシタの前記第２の端点に接続され、前記第４のダイオードと前記第３のスイッチ・トランジスタは前記第２のキャパシタの前記第２の端点と前記第２のインダクタ・ユニットの前記第２の端点との間の回路において直列に接続され、前記第４のダイオードのアノードは前記第２のインダクタ・ユニットの前記第２の端点に接続され、
前記第２の制御回路は、第５のダイオード、第６のダイオード、および第４のスイッチ・トランジスタを備え、前記第５のダイオードは、前記第４のキャパシタの前記第２の端点と前記第２のインダクタ・ユニットの前記第２の端点との間の回路において直列に接続され、前記第５のダイオードのアノードは前記第２のインダクタ・ユニットの前記第２の端点に接続され、前記第５のダイオードのカソードは前記第４のキャパシタの前記第２の端点に接続され、前記第６のダイオードと前記第４のスイッチ・トランジスタは前記第３のキャパシタの前記第２の端点と前記第２のインダクタ・ユニットの前記第２の端点との間の回路において直列に接続され、前記第６のダイオードのアノードは前記第２のインダクタ・ユニットの前記第２の端点に接続され、
前記第１のスイッチング回路は、前記外部入力電源により提供されたエネルギ蓄電電流の流れを、前記第２のインダクタ・ユニットの前記第１の端点から前記第２の端点へと、または、前記第２のインダクタ・ユニットの前記第２の端点から前記第１の端点へと切り替えるように構成された、
５段階電力変換器。
【請求項２】
前記第１のスイッチング回路は直列に接続された第１のスイッチ・トランジスタと第２のスイッチ・トランジスタ、および直列に接続された第１のダイオードと第２のダイオードを備え、前記第１のダイオードと前記第２のダイオードの極性は反対に設定され、前記第１のスイッチ・トランジスタと前記第２のスイッチ・トランジスタの間の点は前記第１のダイオードと前記第２のダイオードの間の点と連通する、請求項１に記載の５段階電力変換器。
【請求項３】
前記外部入力電源は、外部交流入力電源およびバッテリ群を備え、前記外部交流入力電源は、交流スイッチ要素を用いることによって前記第２のインダクタ・ユニットの前記第１の端点に接続され、
前記バッテリ群は第１のバッテリ・ユニットと第２のバッテリ・ユニットを備え、前記第１のバッテリ・ユニットのアノードは、直流スイッチ要素を用いることにより前記整流器制御回路内の第２のインダクタ・ユニットの第１の端点に接続され、前記第１のバッテリ・ユニットのカソードは接地され、前記第２のバッテリ・ユニットのカソードは、直流スイッチ要素を用いることにより前記整流器制御回路内の前記第２のインダクタ・ユニットの前記第１の端点に接続され、前記第２のバッテリ・ユニットのアノードは接地される、請求項１に記載の５段階電力変換器。
【請求項４】
前記５段階電力変換器は、２つの前記整流器を備え、
前記外部入力電源は、外部交流入力電源およびバッテリ群を備え、前記外部交流入力電源は、交流スイッチ要素を用いることによって、前記２つの整流器のそれぞれの前記第２のインダクタ・ユニットの前記第１の端点に接続され、
前記バッテリ群は第３のバッテリ・ユニットおよび第４のバッテリ・ユニットを備え、前記第３のバッテリ・ユニットのアノードは、直流スイッチ要素を用いることにより前記２つの整流器のうちの第１の整流器の前記第２のインダクタ・ユニットの前記第１の端点に接続され、前記第３のバッテリ・ユニットのカソードは接地され、前記第４のバッテリ・ユニットのカソードは、直流スイッチ要素を用いることにより前記２つの整流器のうちの第２の整流器の前記第２のインダクタ・ユニットの前記第１の端点に接続され、前記第４のバッテリ・ユニットのアノードは接地される、請求項１に記載の５段階電力変換器。
【請求項５】
前記第１のインダクタ・ユニットまたは前記第２のインダクタ・ユニットは、単一インダクタ要素、または並列に接続された複数インダクタ要素、または直列に接続された複数インダクタ要素により形成される、請求項１から４の何れか一項に記載の５段階電力変換器。
【請求項６】
インバータと少なくとも１つの整流器とを備えた５段階電力変換器であって、
前記整流器は、整流器制御回路、並列に接続された第１のキャパシタおよび第２のキャパシタ、ならびに並列に接続された第３のキャパシタおよび第４のキャパシタを備え、前記第１のキャパシタの第１の端点、前記第２のキャパシタの第１の端点、前記第３のキャパシタの第１の端点、および前記第４のキャパシタの第１の端点は接地され、
前記整流器制御回路は、前記第１のキャパシタの第２の端点、前記第２のキャパシタの第２の端点、前記第３のキャパシタの第２の端点、および前記第４のキャパシタの第２の端点に電流を入力するように構成され、前記第１のキャパシタの前記第２の端点および前記第２のキャパシタの前記第２の端点に蓄積された電荷の極性は同じであり、前記第１のキャパシタの前記第２の端点に蓄積された電気量は前記第２のキャパシタの前記第２の端点に蓄積された電気量よりも大きく、前記第３のキャパシタの前記第２の端点および前記第４のキャパシタの前記第２の端点に蓄積された電荷の極性は同じであり、前記第４のキャパシタの前記第２の端点に蓄積された電気量は前記第３のキャパシタの前記第２の端点に蓄積された電気量より大きく、前記第１のキャパシタと前記第２のキャパシタの前記第２の端点に蓄積された電荷の極性は前記第３のキャパシタと前記第４のキャパシタの前記第２の端点に蓄積された電荷の極性と反対であり、
前記インバータは、放電制御回路、および直列に接続された第１のインダクタ・ユニットと第１の負荷を備え、前記第１のインダクタ・ユニットの第１の端点は前記第１の負荷の第１の端点に接続され、前記第１の負荷の第２の端点は接地され、
前記放電制御回路は、前記整流器の前記第２のキャパシタの前記第２の端点、前記第１のキャパシタの前記第２の端点、前記第３のキャパシタの前記第２の端点、および前記第４のキャパシタの前記第２の端点から連続的に放電するように構成され、放電電流は直列に接続された前記第１のインダクタ・ユニットと前記第１の負荷を通って流れ、前記第１のキャパシタ、前記第２のキャパシタ、前記第３のキャパシタ、および前記第４のキャパシタの何れかの充電と放電は交互に行われ、
前記整流器制御回路は、第３のインダクタ・ユニット、第４のインダクタ・ユニット、第２のスイッチング回路、第３の制御回路、および第４の制御回路を備え、前記第３のインダクタ・ユニットの第１の端点と前記第４のインダクタ・ユニットの第１の端点とは外部入力電源に接続され、
前記第３の制御回路は、第７のダイオード、第８のダイオード、および第５のスイッチ・トランジスタを備え、前記第７のダイオードは前記第１のキャパシタの前記第２の端点と前記第３のインダクタ・ユニットの第２の端点との間の回路において直列に接続され、前記第７のダイオードのアノードは前記第３のインダクタ・ユニットの前記第２の端点に接続され、前記第７のダイオードのカソードは前記第１のキャパシタの前記第２の端点に接続され、前記第８のダイオードと前記第５のスイッチ・トランジスタは前記第２のキャパシタの前記第２の端点と前記第３のインダクタ・ユニットの前記第２の端点との間の回路において直列に接続され、前記第８のダイオードのアノードは前記第３のインダクタ・ユニットの前記第２の端点に接続され、
前記第４の制御回路は、第９のダイオード、第１０のダイオード、および第６のスイッチ・トランジスタを備え、前記第９のダイオードは前記第４のキャパシタの前記第２の端点と前記第４のインダクタ・ユニットの第２の端点との間の回路において直列に接続され、前記第９のダイオードのアノードは前記第４のインダクタ・ユニットの前記第２の端点に接続され、前記第９のダイオードのカソードは前記第４のキャパシタの前記第２の端点に接続され、前記第１０のダイオードと前記第６のスイッチ・トランジスタは前記第３のキャパシタの前記第２の端点と前記第４のインダクタ・ユニットの前記第２の端点との間の回路において直列に接続され、前記第１０のダイオードのアノードは前記第４のインダクタ・ユニットの前記第２の端点に接続され、
前記第２のスイッチング回路は、前記外部入力電源により提供されたエネルギ蓄電電流の流れを、前記第３のインダクタ・ユニットの前記第１の端点から前記第２の端点へと、または、前記第４のインダクタ・ユニットの前記第２の端点から前記第１の端点へと切り替えるように構成される、
５段階電力変換器。
【請求項７】
前記第２のスイッチング回路は、第７のスイッチ・トランジスタおよび第８のスイッチ・トランジスタを備え、前記第７のスイッチ・トランジスタの１端は前記第３のインダクタ・ユニットの前記第２の端点に接続され、前記第７のスイッチ・トランジスタの他端は接地され、前記第８のスイッチ・トランジスタの１端は前記第４のインダクタ・ユニットの前記第２の端点に接続され、前記第８のスイッチ・トランジスタの他端は接地される、請求項６に記載の５段階電力変換器。
【請求項８】
前記外部入力電源は外部交流入力電源またはバッテリ群を備え、前記外部入力電源および前記第３のインダクタ・ユニットの前記第１の端点、ならびに前記外部交流入力電源および前記第４のインダクタ・ユニットの前記第１の端点は交流スイッチ要素を用いることにより接続され、
前記バッテリ群は、第５のバッテリ・ユニットと第６のバッテリ・ユニットを備え、前記第５のバッテリ・ユニットのアノードは直流スイッチ要素を用いることにより前記第３のインダクタ・ユニットの前記第１の端点に接続され、前記第５のバッテリ・ユニットのカソードは接地され、前記第６のバッテリ・ユニットのカソードは直流スイッチ要素を用いることにより前記第４のインダクタ・ユニットの前記第１の端点に接続され、前記第６のバッテリ・ユニットのアノードは接地される、請求項６に記載の５段階電力変換器。
【請求項９】
前記第３のインダクタ・ユニットまたは前記第４のインダクタ・ユニットは、単一インダクタ要素、または並列に接続された複数インダクタ要素、または直列に接続された複数インダクタ要素により形成される、請求項６から８の何れか一項に記載の５段階電力変換器。
【請求項１０】
インバータと少なくとも１つの整流器とを備えた５段階電力変換器であって、
前記整流器は、整流器制御回路、並列に接続された第１のキャパシタおよび第２のキャパシタ、ならびに並列に接続された第３のキャパシタおよび第４のキャパシタを備え、前記第１のキャパシタの第１の端点、前記第２のキャパシタの第１の端点、前記第３のキャパシタの第１の端点、および前記第４のキャパシタの第１の端点は接地され、
前記整流器制御回路は、前記第１のキャパシタの第２の端点、前記第２のキャパシタの第２の端点、前記第３のキャパシタの第２の端点、および前記第４のキャパシタの第２の端点に電流を入力するように構成され、前記第１のキャパシタの前記第２の端点および前記第２のキャパシタの前記第２の端点に蓄積された電荷の極性は同じであり、前記第１のキャパシタの前記第２の端点に蓄積された電気量は前記第２のキャパシタの前記第２の端点に蓄積された電気量よりも大きく、前記第３のキャパシタの前記第２の端点および前記第４のキャパシタの前記第２の端点に蓄積された電荷の極性は同じであり、前記第４のキャパシタの前記第２の端点に蓄積された電気量は前記第３のキャパシタの前記第２の端点に蓄積された電気量より大きく、前記第１のキャパシタと前記第２のキャパシタの前記第２の端点に蓄積された電荷の極性は前記第３のキャパシタと前記第４のキャパシタの前記第２の端点に蓄積された電荷の極性と反対であり、
前記インバータは、放電制御回路、および直列に接続された第１のインダクタ・ユニットと第１の負荷を備え、前記第１のインダクタ・ユニットの第１の端点は前記第１の負荷の第１の端点に接続され、前記第１の負荷の第２の端点は接地され、
前記放電制御回路は、前記整流器の前記第２のキャパシタの前記第２の端点、前記第１のキャパシタの前記第２の端点、前記第３のキャパシタの前記第２の端点、および前記第４のキャパシタの前記第２の端点から連続的に放電するように構成され、放電電流は直列に接続された前記第１のインダクタ・ユニットと前記第１の負荷を通って流れ、前記第１のキャパシタ、前記第２のキャパシタ、前記第３のキャパシタ、および前記第４のキャパシタの何れかの充電と放電は交互に行われ、
前記放電制御回路は、第９のスイッチ・トランジスタ、第１０のスイッチ・トランジスタ、第１１のスイッチ・トランジスタ、第１２のスイッチ・トランジスタ、第１３のスイッチ・トランジスタ、第１４のスイッチ・トランジスタ、および第３のスイッチング回路を備え、
前記第９のスイッチ・トランジスタの第１の端点は前記第１のキャパシタの前記第２の端点に接続され、前記第９のスイッチ・トランジスタの第２の端点は前記第１０のスイッチ・トランジスタの第１の端点に接続され、前記第１０のスイッチ・トランジスタの第２の端点は前記第１のインダクタ・ユニットの前記第２の端点に接続され、前記第１１のスイッチ・トランジスタの第１の端点は前記第２のキャパシタの前記第２の端点に接続され、前記第１１のスイッチ・トランジスタの第２の端点は前記第１０のスイッチ・トランジスタの前記第１の端点に接続され、前記第１４のスイッチ・トランジスタの第１の端点は前記第４のキャパシタの前記第２の端点に接続され、前記第１４のスイッチ・トランジスタの第２の端点は前記第１３のスイッチ・トランジスタの第１の端点に接続され、前記第１３のスイッチ・トランジスタの第２の端点は前記第１のインダクタ・ユニットの前記第２の端点に接続され、前記第１２のスイッチ・トランジスタの第１の端点は前記第３のキャパシタの前記第２の端点に接続され、前記第１２のスイッチ・トランジスタの第２の端点は前記第１４のスイッチ・トランジスタの前記第２の端点に接続され、
前記第３のスイッチング回路の第１の端点は前記第１のインダクタ・ユニットの前記第２の端点に接続され、前記第３のスイッチング回路の第２の端点は接地されて、時間による前記第３のスイッチング回路の前記第２の端点から前記第１の端点への順方向導電または前記第３のスイッチング回路の前記第１の端点から前記第２の端点への逆方向導電を実装する、
５段階電力変換器。
【請求項１１】
請求項１から５の何れか１項に記載の５段階電力変換器の制御方法であって、
第１のキャパシタの第２の端点、第２のキャパシタの第２の端点、第３のキャパシタの第２の端点、および第４のキャパシタの第２の端点に電流を入力するように整流器制御回路を制御するステップであって、前記第１のキャパシタの前記第２の端点および前記第２のキャパシタの前記第２の端点に蓄積された電荷の極性は同じであり、前記第１のキャパシタの前記第２の端点に蓄積された電気量は前記第２のキャパシタの前記第２の端点に蓄積された電気量よりも大きく、前記第３のキャパシタの前記第２の端点および前記第４のキャパシタの前記第２の端点に蓄積された電荷の極性は同じであり、前記第４のキャパシタの前記第２の端点に蓄積された電気量は前記第３のキャパシタの前記第２の端点に蓄積された電気量より大きく、前記第１のキャパシタと前記第２のキャパシタの前記第２の端点に蓄積された電荷の極性は前記第３のキャパシタと前記第４のキャパシタの前記第２の端点に蓄積された電荷の極性と反対であるステップと、
前記整流器の前記第２のキャパシタの前記第２の端点、前記第１のキャパシタの前記第２の端点、前記第３のキャパシタの前記第２の端点、および前記第４のキャパシタの前記第２の端点から連続的に放電するように放電制御回路を制御するステップであって、放電電流が直列に接続された第１のインダクタ・ユニットと第１の負荷を通って流れ、前記第１のキャパシタ、前記第２のキャパシタ、前記第３のキャパシタ、および前記第４のキャパシタのうち何れかの充電と放電が交互に行われるステップと、
を備え、
前記第１のキャパシタの第２の端点、第２のキャパシタの第２の端点、第３のキャパシタの第２の端点、および第４のキャパシタの第２の端点に電流を入力するように整流器制御回路を制御するステップは、
外部入力電源により提供されたエネルギ蓄電電流の流れを第２のインダクタ・ユニットの第１の端点から第２の端点へと切り替えて前記第２のインダクタ・ユニットに対するエネルギを蓄えるように第１のスイッチング回路を制御するステップと、
前記第１のスイッチング回路をターンオフして前記第２のインダクタ・ユニットが前記第１のキャパシタと前記第２のキャパシタを充電できるようにし、前記第２のキャパシタの前記第２の端点と前記第２のインダクタ・ユニットの前記第２の端点の間で直列に接続された第３のスイッチ・トランジスタのデューティ・サイクルを制御して、前記第１のキャパシタの前記第２の端点に蓄積された電気量を前記第２のキャパシタの前記第２の端点に蓄積された電気量よりも大きくするステップと、
前記外部入力電源により提供された前記エネルギ蓄電電流の流れを前記第２のインダクタ・ユニットの前記第２の端点から前記第１の端点へ切り替えて前記第２のインダクタ・ユニットに対するエネルギを蓄えるように前記第１のスイッチング回路を制御するステップと、
前記第１のスイッチング回路をターンオフして前記第２のインダクタ・ユニットが前記第３のキャパシタと前記第４のキャパシタを充電できるようにし、前記第３のキャパシタの前記第２の端点と前記第２のインダクタ・ユニットの前記第２の端点の間で直列に接続された第４のスイッチ・トランジスタのデューティ・サイクルを制御して、前記第４のキャパシタの前記第２の端点に蓄積された電気量を前記第３のキャパシタの前記第２の端点に蓄積された電気量より大きくするステップと、
を含む、制御方法。
【請求項１２】
請求項６から９の何れか１項に記載の５段階電力変換器の制御方法であって、
第１のキャパシタの第２の端点、第２のキャパシタの第２の端点、第３のキャパシタの第２の端点、および第４のキャパシタの第２の端点に電流を入力するように整流器制御回路を制御するステップであって、前記第１のキャパシタの前記第２の端点および前記第２のキャパシタの前記第２の端点に蓄積された電荷の極性は同じであり、前記第１のキャパシタの前記第２の端点に蓄積された電気量は前記第２のキャパシタの前記第２の端点に蓄積された電気量よりも大きく、前記第３のキャパシタの前記第２の端点および前記第４のキャパシタの前記第２の端点に蓄積された電荷の極性は同じであり、前記第４のキャパシタの前記第２の端点に蓄積された電気量は前記第３のキャパシタの前記第２の端点に蓄積された電気量より大きく、前記第１のキャパシタと前記第２のキャパシタの前記第２の端点に蓄積された電荷の極性は前記第３のキャパシタと前記第４のキャパシタの前記第２の端点に蓄積された電荷の極性と反対であるステップと、
前記整流器の前記第２のキャパシタの前記第２の端点、前記第１のキャパシタの前記第２の端点、前記第３のキャパシタの前記第２の端点、および前記第４のキャパシタの前記第２の端点から連続的に放電するように放電制御回路を制御するステップであって、放電電流が直列に接続された第１のインダクタ・ユニットと第１の負荷を通って流れ、前記第１のキャパシタ、前記第２のキャパシタ、前記第３のキャパシタ、および前記第４のキャパシタのうち何れかの充電と放電が交互に行われるステップと、
を備え、
前記第１のキャパシタの第２の端点、第２のキャパシタの第２の端点、第３のキャパシタの第２の端点、および第４のキャパシタの第２の端点に電流を入力するように整流器制御回路を制御するステップは、
外部入力電源により提供されたエネルギ蓄電電流の流れを第３のインダクタ・ユニットの第１の端点から第２の端点へと切り替えて前記第３のインダクタ・ユニットに対するエネルギを蓄えるように第２のスイッチング回路を制御するステップと、
前記第２のスイッチング回路をターンオフして前記第３のインダクタ・ユニットが前記第１のキャパシタと前記第２のキャパシタを充電できるようにし、前記第２のキャパシタの前記第２の端点および前記第３のインダクタ・ユニットの前記第２の端点の間で直列に接続された第５のスイッチ・トランジスタのデューティ・サイクルを制御して、前記第１のキャパシタの前記第２の端点に蓄積された電気量を前記第２のキャパシタの前記第２の端点に蓄積された電気量よりも大きくするステップと、
前記外部入力電源により提供された前記エネルギ蓄電電流の流れを第４のインダクタ・ユニットの第２の端点から第１の端点へと切り替えるように前記第２のスイッチング回路を制御するステップと、
前記第２のスイッチング回路をターンオフして前記第４のインダクタ・ユニットが前記第３のキャパシタと前記第４のキャパシタを充電できるようにし、前記第３のキャパシタの前記第２の端点および前記第４のインダクタ・ユニットの前記第２の端点の間で直列に接続された第６のスイッチ・トランジスタのデューティ・サイクルを制御して、前記第４のキャパシタの前記第２の端点に蓄積された電気量を前記第３のキャパシタの前記第２の端点に蓄積された電気量より大きくするステップと、
を含む、制御方法。
【請求項１３】
請求項１０に記載の５段階電力変換器の制御方法であって、
第１のキャパシタの第２の端点、第２のキャパシタの第２の端点、第３のキャパシタの第２の端点、および第４のキャパシタの第２の端点に電流を入力するように整流器制御回路を制御するステップであって、前記第１のキャパシタの前記第２の端点および前記第２のキャパシタの前記第２の端点に蓄積された電荷の極性は同じであり、前記第１のキャパシタの前記第２の端点に蓄積された電気量は前記第２のキャパシタの前記第２の端点に蓄積された電気量よりも大きく、前記第３のキャパシタの前記第２の端点および前記第４のキャパシタの前記第２の端点に蓄積された電荷の極性は同じであり、前記第４のキャパシタの前記第２の端点に蓄積された電気量は前記第３のキャパシタの前記第２の端点に蓄積された電気量より大きく、前記第１のキャパシタと前記第２のキャパシタの前記第２の端点に蓄積された電荷の極性は前記第３のキャパシタと前記第４のキャパシタの前記第２の端点に蓄積された電荷の極性と反対であるステップと、
前記整流器の前記第２のキャパシタの前記第２の端点、前記第１のキャパシタの前記第２の端点、前記第３のキャパシタの前記第２の端点、および前記第４のキャパシタの前記第２の端点から連続的に放電するように放電制御回路を制御するステップであって、放電電流が直列に接続された第１のインダクタ・ユニットと第１の負荷を通って流れ、前記第１のキャパシタ、前記第２のキャパシタ、前記第３のキャパシタ、および前記第４のキャパシタのうち何れかの充電と放電が交互に行われるステップと、
を備え、
前記制御方法は、
絶えず導電するように第１１のスイッチ・トランジスタを制御し、オン／オフ状態にあるように第１０のスイッチ・トランジスタを制御し、ターンオフ状態にあるように第９のスイッチ・トランジスタを制御し、放電するように前記第２のキャパシタを制御するステップであって、放電電流は前記第１のインダクタ・ユニットと前記第１の負荷を通って連続的に流れるステップと、
絶えず導電するように前記第１０のスイッチ・トランジスタを制御し、オン／オフ状態にあるように前記第９のスイッチ・トランジスタを制御し、絶えず導電するように前記第１１のスイッチ・トランジスタを制御し、放電するように前記第１のキャパシタを制御するステップであって、放電電流は前記第１のインダクタ・ユニットと前記第１の負荷を通って連続的に流れるステップと、
絶えず導電するように前記第１１のスイッチ・トランジスタを制御し、オン／オフ状態であるように前記第１０のスイッチ・トランジスタを制御し、ターンオフ状態であるように前記第９のスイッチ・トランジスタを制御し、放電するように前記第２のキャパシタを制御するステップであって、放電電流は前記第１のインダクタ・ユニットと前記第１の負荷を通って連続的に流れるステップと、
第３のスイッチング回路の第２の端点から第１の端点への順方向導電に切り換えるように前記第３のスイッチング回路を制御するステップと、
絶えず導電するように第１２のスイッチ・トランジスタを制御し、オン／オフ状態であるように第１３のスイッチ・トランジスタを制御し、ターンオフ状態であるように第１４のスイッチ・トランジスタを制御し、放電するように前記第３のキャパシタを制御するステップであって、放電電流は前記第１のインダクタ・ユニットと前記第１の負荷を通って連続的に流れるステップと、
絶えず導電するように前記第１３のスイッチ・トランジスタを制御し、オン／オフ状態であるように前記第１４のスイッチ・トランジスタを制御し、絶えず導電するように前記第１２のスイッチ・トランジスタを制御し、放電するように前記第４のキャパシタを制御するステップであって、放電電流は前記第１のインダクタ・ユニットと前記第１の負荷を通って連続的に流れるステップと、
絶えず導電するように前記第１２のスイッチ・トランジスタを制御し、オン／オフ状態であるように前記第１３のスイッチ・トランジスタを制御し、ターンオフ状態であるように前記第１４のスイッチ・トランジスタを制御し、放電するように前記第３のキャパシタを制御するステップであって、放電電流は前記第１のインダクタ・ユニットと前記第１の負荷を通って連続的に流れるステップと、
前記第３のスイッチング回路の前記第１の端点から前記第２の端点への逆方向導電に切り替えるように前記第３のスイッチング回路を制御するステップと、
をさらに備える、制御方法。
【請求項１４】
請求項１から５の何れか１項に記載の５段階電力変換器の制御装置であって、
第１のキャパシタの第２の端点、第２のキャパシタの第２の端点、第３のキャパシタの第２の端点、および第４のキャパシタの第２の端点に電流を入力するように整流器制御回路を制御するように構成された整流器制御モジュールであって、前記第１のキャパシタの前記第２の端点と前記第２のキャパシタの前記第２の端点に蓄積された電荷の極性は同じであり、前記第１のキャパシタの前記第２の端点に蓄積された電気量は前記第２のキャパシタの前記第２の端点に蓄積された電気量よりも大きく、前記第３のキャパシタの前記第２の端点と前記第４のキャパシタの前記第２の端点に蓄積された電荷の極性は同じであり、前記第４のキャパシタの前記第２の端点に蓄積された電気量は前記第３のキャパシタの前記第２の端点に蓄積された電気量より大きく、前記第１のキャパシタと前記第２のキャパシタの前記第２の端点に蓄積された電荷の極性は前記第３のキャパシタと前記第４のキャパシタの前記第２の端点に蓄積された電荷の極性と反対である、整流器制御モジュールと、
整流器の前記第２のキャパシタの前記第２の端点、前記第１のキャパシタの前記第２の端点、前記第３のキャパシタの前記第２の端点、および前記第４のキャパシタの前記第２の端点から連続的に放電するように放電制御回路を制御するように構成されたインバータ制御モジュールであって、放電電流は、直列に接続された第１のインダクタ・ユニットと第１の負荷を通って流れ、前記第１のキャパシタ、前記第２のキャパシタ、前記第３のキャパシタ、および前記第４のキャパシタのうち何れかの充電と放電が交互に行われる、インバータ制御モジュールと、
を備え、
前記整流器制御モジュールは、
外部入力電源により提供されたエネルギ蓄電電流の流れを第２のインダクタ・ユニットの第１の端点から第２の端点へと切り替えて前記第２のインダクタ・ユニットに対するエネルギを蓄えるように第１のスイッチング回路を制御するように構成された第１の整流器制御ユニットと、
前記第１のスイッチング回路をターンオフして、前記第２のインダクタ・ユニットが前記第１のキャパシタと前記第２のキャパシタを充電できるようにし、前記第２のキャパシタの前記第２の端点と前記第２のインダクタ・ユニットの前記第２の端点の間で直列に接続された第３のスイッチ・トランジスタのデューティ・サイクルを制御して、前記第１のキャパシタの前記第２の端点に蓄積された電気量が前記第２のキャパシタの前記第２の端点に蓄積された電気量よりも大きいようにするように構成された第２の整流器制御ユニットと、
前記外部入力電源により提供された前記エネルギ蓄電電流の流れを前記第２のインダクタ・ユニットの前記第２の端点から前記第１の端点へ切り替えて前記第２のインダクタ・ユニットに対するエネルギを蓄えるように前記第１のスイッチング回路を制御するように構成された第３の整流器制御ユニットと、
前記第１のスイッチング回路をターンオフして前記第２のインダクタ・ユニットが前記第３のキャパシタと前記第４のキャパシタを充電できるようにし、前記第３のキャパシタの前記第２の端点と前記第２のインダクタ・ユニットの前記第２の端点の間で直列に接続された第４のスイッチ・トランジスタのデューティ・サイクルを制御して、前記第４のキャパシタの前記第２の端点に蓄積された電気量が前記第３のキャパシタの前記第２の端点で蓄積した電気量より大きいようにするように構成された第４の整流器制御ユニットと、
を備える、制御装置。
【請求項１５】
請求項６から９の何れか１項に記載の５段階電力変換器の制御装置であって、
第１のキャパシタの第２の端点、第２のキャパシタの第２の端点、第３のキャパシタの第２の端点、および第４のキャパシタの第２の端点に電流を入力するように整流器制御回路を制御するように構成された整流器制御モジュールであって、前記第１のキャパシタの前記第２の端点と前記第２のキャパシタの前記第２の端点に蓄積された電荷の極性は同じであり、前記第１のキャパシタの前記第２の端点に蓄積された電気量は前記第２のキャパシタの前記第２の端点に蓄積された電気量よりも大きく、前記第３のキャパシタの前記第２の端点と前記第４のキャパシタの前記第２の端点に蓄積された電荷の極性は同じであり、前記第４のキャパシタの前記第２の端点に蓄積された電気量は前記第３のキャパシタの前記第２の端点に蓄積された電気量より大きく、前記第１のキャパシタと前記第２のキャパシタの前記第２の端点に蓄積された電荷の極性は前記第３のキャパシタと前記第４のキャパシタの前記第２の端点に蓄積された電荷の極性と反対である、整流器制御モジュールと、
整流器の前記第２のキャパシタの前記第２の端点、前記第１のキャパシタの前記第２の端点、前記第３のキャパシタの前記第２の端点、および前記第４のキャパシタの前記第２の端点から連続的に放電するように放電制御回路を制御するように構成されたインバータ制御モジュールであって、放電電流は、直列に接続された第１のインダクタ・ユニットと第１の負荷を通って流れ、前記第１のキャパシタ、前記第２のキャパシタ、前記第３のキャパシタ、および前記第４のキャパシタのうち何れかの充電と放電が交互に行われる、インバータ制御モジュールと、
を備え、
前記整流器制御モジュールは、
外部入力電源により提供されたエネルギ蓄電電流の流れを第３のインダクタ・ユニットの第１の端点から第２の端点へと切り替えて前記第３のインダクタ・ユニットに対するエネルギを蓄えるように第２のスイッチング回路を制御するように構成された第５の整流器制御ユニットと、
前記第２のスイッチング回路をターンオフして前記第３のインダクタ・ユニットが前記第１のキャパシタと前記第２のキャパシタを充電できるようにし、前記第２のキャパシタの前記第２の端点および前記第３のインダクタ・ユニットの前記第２の端点の間で直列に接続された第５のスイッチ・トランジスタのデューティ・サイクルを制御して、前記第１のキャパシタの前記第２の端点に蓄積された電気量は前記第２のキャパシタの前記第２の端点に蓄積された電気量よりも大きいようにするように構成された第６の整流器制御ユニットと、
前記外部入力電源により提供された前記エネルギ蓄電電流の流れを第４のインダクタ・ユニットを第２の端点から第１の端点へと切り替えるように前記第２のスイッチング回路を制御するように構成された第７の整流器制御ユニットと、
前記第２のスイッチング回路をターンオフして前記第４のインダクタ・ユニットが前記第３のキャパシタと前記第４のキャパシタを充電できるようにし、前記第３のキャパシタの前記第２の端点および前記第４のインダクタ・ユニットの前記第２の端点の間で直列に接続された第６のスイッチ・トランジスタのデューティ・サイクルを制御して、前記第４のキャパシタの前記第２の端点に蓄積された電気量を前記第３のキャパシタの前記第２の端点に蓄積された電気量より大きくするように構成された第８の整流器制御ユニットと、
を備える、制御装置。
【請求項１６】
請求項１０に記載の５段階電力変換器の制御装置であって、
第１のキャパシタの第２の端点、第２のキャパシタの第２の端点、第３のキャパシタの第２の端点、および第４のキャパシタの第２の端点に電流を入力するように整流器制御回路を制御するように構成された整流器制御モジュールであって、前記第１のキャパシタの前記第２の端点と前記第２のキャパシタの前記第２の端点に蓄積された電荷の極性は同じであり、前記第１のキャパシタの前記第２の端点に蓄積された電気量は前記第２のキャパシタの前記第２の端点に蓄積された電気量よりも大きく、前記第３のキャパシタの前記第２の端点と前記第４のキャパシタの前記第２の端点に蓄積された電荷の極性は同じであり、前記第４のキャパシタの前記第２の端点に蓄積された電気量は前記第３のキャパシタの前記第２の端点に蓄積された電気量より大きく、前記第１のキャパシタと前記第２のキャパシタの前記第２の端点に蓄積された電荷の極性は前記第３のキャパシタと前記第４のキャパシタの前記第２の端点に蓄積された電荷の極性と反対である、整流器制御モジュールと、
整流器の前記第２のキャパシタの前記第２の端点、前記第１のキャパシタの前記第２の端点、前記第３のキャパシタの前記第２の端点、および前記第４のキャパシタの前記第２の端点から連続的に放電するように放電制御回路を制御するように構成されたインバータ制御モジュールであって、放電電流は、直列に接続された第１のインダクタ・ユニットと第１の負荷を通って流れ、前記第１のキャパシタ、前記第２のキャパシタ、前記第３のキャパシタ、および前記第４のキャパシタのうち何れかの充電と放電が交互に行われる、インバータ制御モジュールと、
を備え、
前記インバータ制御モジュールは、
絶えず導電するように第１１のスイッチ・トランジスタを制御し、オン／オフ状態にあるように第１０のスイッチ・トランジスタを制御し、ターンオフ状態にあるように第９のスイッチ・トランジスタを制御し、放電するように前記第２のキャパシタを制御するように構成された第１のインバータ制御ユニットであって、放電電流は前記第１のインダクタ・ユニットと前記第１の負荷を通って連続的に流れる第１のインバータ制御ユニットと、
絶えず導電するように前記第１０のスイッチ・トランジスタを制御し、オン／オフ状態にあるように前記第９のスイッチ・トランジスタを制御し、絶えず導電するように前記第１１のスイッチ・トランジスタを制御し、放電するように前記第１のキャパシタを制御するように構成された第２のインバータ制御ユニットであって、放電電流は前記第１のインダクタ・ユニットと前記第１の負荷を通って連続的に流れる第２のインバータ制御ユニットと、
絶えず導電するように前記第１１のスイッチ・トランジスタを制御し、オン／オフ状態であるように前記第１０のスイッチ・トランジスタを制御し、ターンオフ状態であるように前記第９のスイッチ・トランジスタを制御し、放電するように前記第２のキャパシタを制御するように構成された第３のインバータ制御ユニットであって、放電電流は前記第１のインダクタ・ユニットと前記第１の負荷を通って連続的に流れる第３のインバータ制御ユニットと、
第３のスイッチング回路の第２の端点から第１の端点への順方向導電に切り替えるように前記第３のスイッチング回路を制御するように構成された第４のインバータ制御ユニットと、
絶えず導電するように第１２のスイッチ・トランジスタを制御し、オン／オフ状態であるように第１３のスイッチ・トランジスタを制御し、ターンオフ状態であるように第１４のスイッチ・トランジスタを制御し、放電するように前記第３のキャパシタを制御するように構成された第５のインバータ制御ユニットであって、放電電流は前記第１のインダクタ・ユニットと前記第１の負荷を通って連続的に流れる第５のインバータ制御ユニットと、
絶えず導電するように前記第１３のスイッチ・トランジスタを制御し、オン／オフ状態であるように前記第１４のスイッチ・トランジスタを制御し、絶えず導電するように前記第１２のスイッチ・トランジスタを制御し、放電するように前記第４のキャパシタを制御するように構成された第６のインバータ制御ユニットであって、放電電流は前記第１のインダクタ・ユニットと前記第１の負荷を通って連続的に流れる第６のインバータ制御ユニットと、
絶えず導電するように前記第１２のスイッチ・トランジスタを制御し、オン／オフ状態であるように前記第１３のスイッチ・トランジスタを制御し、ターンオフ状態であるように前記第１４のスイッチ・トランジスタを制御し、放電するように前記第３のキャパシタを制御するように構成された第７のインバータ制御ユニットであって、放電電流は前記第１のインダクタ・ユニットと前記第１の負荷を通って連続的に流れる第７のインバータ制御ユニットと、
前記第３のスイッチング回路の前記第１の端点から前記第２の端点への逆方向導電に切り替えるように前記第３のスイッチング回路を制御するように構成された第８のインバータ制御ユニットと、
を備える、制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換技術に関し、特に、５段階電力変換器ならびにその制御方法および制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
無停電電源装置（Ｕｎｉｎｔｅｒｒｕｐｔｉｂｌｅ  Ｐｏｗｅｒ  Ｓｙｓｔｅｍ、ＵＰＳ）は、電圧と周波数が一定の電力変換器であり、エネルギ蓄電装置を備え、主要な構成要素として整流器とインバータを有する。ＵＰＳは主に無停電電源を単一のコンピュータ、コンピュータ・ネットワーク・システム、または他の電気装置および電子装置に供給するために使用される。電源入力が正常であるときには、ＵＰＳは電源を安定化させ、電力を負荷に供給する。この場合、ＵＰＳは交流電源電圧安定器として動作し、内部エネルギ蓄電装置を充電する。電源が遮断したとき、ＵＰＳは内部エネルギ蓄電装置に蓄えた電気エネルギを即座に使用して、逆変換アプローチを用いて負荷に交流電力を供給し続けて、負荷が正しく動作し続けるようにする。
【０００３】
電力インバータの整流器は力率改善回路（電力要素補正、ＰＦＣ）機能を電源の動作モードで実現し、放電モードで電圧を直流ＢＵＳ電圧に上げる。当該インバータは直流ＢＵＳ電圧を交流電圧に変換して、負荷に提供する。一般に、整流器はダブル・ブースト（Ｂｏｏｓｔ）回路またはＶｉｅｎｎａ整流器により実装され、インバータは共通の２段階のハーフ・ブリッジ／フル・ブリッジ型インバータまたは３段階の中点クランプ型インバータであってもよい。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
先行技術の電力変換器は、４段階の電圧を出力するための４段階の電力変換に使用できるにすぎない。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
先行技術における上述の欠点に鑑みて、本発明の諸実施形態では５段階動作モードを実現するための５段階電力変換器および制御方法を提供する。
【０００６】
１態様では、本発明の１実施形態では、インバータと少なくとも１つの整流器とを備える５段階電力変換器を提供する。当該整流器は、整流器制御回路、並列に接続された第１のキャパシタおよび第２のキャパシタ、ならびに並列に接続された第３のキャパシタおよび第４のキャパシタを備える。当該第１のキャパシタの第１の端点、当該第２のキャパシタの第１の端点、当該第３のキャパシタの第１の端点、および当該第４のキャパシタの第１の端点は接地されている。
【０００７】
当該整流器制御回路は、当該第１のキャパシタの第２の端点、当該第２のキャパシタの第２の端点、当該第３のキャパシタの第２の端点、および当該第４のキャパシタの第２の端点に電流を入力するように構成される。当該第１のキャパシタの第２の端点と当該第２のキャパシタの第２の端点に蓄積された電荷の極性は同じであり、当該第１のキャパシタの第２の端点に蓄積された電気量は当該第２のキャパシタの第２の端点に蓄積された電気量よりも大きく、当該第３のキャパシタの第２の端点と当該第４のキャパシタの第２の端点に蓄積された電荷の極性は同じであり、当該第４のキャパシタの第２の端点に蓄積された電気量は当該第３のキャパシタの第２の端点に蓄積された電気量より大きく、当該第１のキャパシタと当該第２のキャパシタの第２の端点に蓄積された電荷の極性は当該第３のキャパシタと当該第４のキャパシタの第２の端点に蓄積された電荷の極性と反対である。
【０００８】
当該インバータは、放電制御回路と、直列に接続された第１のインダクタ・ユニットおよび第１の負荷とを備える。当該インダクタ・ユニットの第１の端点は当該第１の負荷の第１の端点に接続され、当該第１の負荷の第２の端点は接地されている。当該放電制御回路は、当該整流器の当該第２のキャパシタの第２の端点、当該第１のキャパシタの第２の端点、当該第３のキャパシタの第２の端点、および当該第４のキャパシタの第２の端点から連続的に放電するように構成される。放電電流は直列に接続された当該第１のインダクタ・ユニットと当該第１の負荷を通って流れ、当該第１のキャパシタ、当該第２のキャパシタ、当該第３のキャパシタ、および当該第４のキャパシタのうち何れかの充電と放電が交互に行われる。
【０００９】
場合によっては、当該整流器制御回路は、第２のインダクタ・ユニット、第１のスイッチング回路、第１の制御回路、および第２の制御回路を備える。当該第２のインダクタ・ユニットの第１の端点は外部入力電源に接続されている。
【００１０】
上記第１の制御回路は、第３のダイオード、第４のダイオード、および第３のスイッチ・トランジスタを備える。当該第３のダイオードは、当該第１のキャパシタの第２の端点と当該第２のインダクタ・ユニットの第２の端点の間との回路に直列に接続され、当該第３のダイオードのアノードは当該第２のインダクタ・ユニットの第２の端点に接続され、当該第３のダイオードのカソードは当該第１のキャパシタの第２の端点に接続され、当該第４のダイオードと当該第３のスイッチ・トランジスタは当該第２のキャパシタの第２の端点と当該第２のインダクタ・ユニットの第２の端点との間の回路において直列に接続され、当該第４のダイオードのアノードは当該第２のインダクタ・ユニットの第２の端点に接続されている。
【００１１】
上記第２の制御回路は、第５のダイオード、第６のダイオード、および第４のスイッチ・トランジスタを備える。当該第５のダイオードは、当該第４のキャパシタの第２の端点と当該第２のインダクタ・ユニットの第２の端点との間の回路に直列に接続され、当該第５のダイオードのアノードは当該第２のインダクタ・ユニットの第２の端点に接続され、当該第５のダイオードのカソードは当該第４のキャパシタの第２の端点に接続され、当該第６のダイオードと当該第４のスイッチ・トランジスタは当該第３のキャパシタの第２の端点と当該第２のインダクタ・ユニットの第２の端点との間の回路に直列に接続され、当該第６のダイオードのアノードは当該第２のインダクタ・ユニットの第２の端点に接続されている。
【００１２】
上記第１のスイッチング回路は、当該外部入力電源により提供されたエネルギ蓄電電流の流れを、当該第２のインダクタ・ユニットの第１の端点から第２の端点へと、または、当該第２のインダクタ・ユニットの第２の端点から第１の端点へと切り替えるように構成される。
【００１３】
あるいは、上記第１のスイッチング回路は、直列に接続された第１のスイッチ・トランジスタと第２のスイッチ・トランジスタ、および、直列に接続された第１のダイオードと第２のダイオードを備える。当該第１のダイオードと当該第２のダイオードの極性は反対に設定され、第１のスイッチ・トランジスタと第２のスイッチ・トランジスタの間の点は第１のダイオードと第２のダイオードの間の点と通信する。
【００１４】
さらに、上記外部入力電源は、外部交流入力電源とバッテリ群を備える。当該外部交流入力電源は、交流スイッチ要素を用いることにより当該第２のインダクタ・ユニットの第１の端点に接続される。
【００１５】
当該整流器が整流器制御回路を備えるときは、上記バッテリ群は第１のバッテリ・ユニットと第２のバッテリ・ユニットを備える。当該第１のバッテリ・ユニットのアノードは直流スイッチ要素を用いることにより当該整流器制御回路内の当該第２のインダクタ・ユニットの第１の端点に接続され、当該第１のバッテリ・ユニットのカソードは接地され、当該第２のバッテリ・ユニットのカソードは直流スイッチ要素を用いることにより当該整流器制御回路内の当該第２のインダクタ・ユニットの第１の端点に接続され、当該第２のバッテリ・ユニットのアノードは接地されている。
【００１６】
あるいは、第１の整流器と第２の整流器を備えるときは、上記バッテリ群は第３のバッテリ・ユニットと第４のバッテリ・ユニットを備える。当該第３のバッテリ・ユニットのアノードは直流スイッチ要素を用いることにより当該第１の整流器の当該第２のインダクタ・ユニットの第１の端点に接続され、当該第３のバッテリ・ユニットのカソードは接地され、当該第４のバッテリ・ユニットのカソードは直流スイッチ要素を用いることにより当該第２の整流器の当該第２のインダクタ・ユニットの第１の端点に接続され、当該第４のバッテリ・ユニットのアノードは接地されている。
【００１７】
当該整流器制御回路は、第３のインダクタ・ユニット、第４のインダクタ・ユニット、第２のスイッチング回路、第３の制御回路、および第４の制御回路を備える。当該第３のインダクタ・ユニットの第１の端点と当該第４のインダクタ・ユニットの第１の端点とは外部入力電源に接続されている。
【００１８】
上記第３の制御回路は、第７のダイオード、第８のダイオード、および第５のスイッチ・トランジスタを備える。当該第７のダイオードは、当該第１のキャパシタの第２の端点と当該第３のインダクタ・ユニットの第２の端点との間の回路に直列に接続され、当該第７のダイオードのアノードは当該第３のインダクタ・ユニットの第２の端点に接続され、第７のダイオードのカソードは当該第１のキャパシタの第２の端点に接続され、当該第８のダイオードと当該第５のスイッチ・トランジスタは当該第２のキャパシタの第２の端点と当該第３のインダクタ・ユニットの第２の端点との間の回路に直列に接続され、当該第８のダイオードのアノードは当該第３のインダクタ・ユニットの第２の端点に接続されている。
【００１９】
上記第４の制御回路は、第９のダイオード、第１０のダイオード、および第６のスイッチ・トランジスタを備える。当該第９のダイオードは、当該第４のキャパシタの第２の端点と当該第４のインダクタ・ユニットの第２の端点との間の回路に直列に接続され、当該第９のダイオードのアノードは当該第４のインダクタ・ユニットの第２の端点に接続され、当該第９のダイオードのカソードは当該第４のキャパシタの第２の端点に接続され、当該第１０のダイオードと当該第６のスイッチ・トランジスタは当該第３のキャパシタの第２の端点と当該第４のインダクタ・ユニットの第２の端点との間の回路に直列に接続され、当該第１０のダイオードのアノードは当該第４のインダクタ・ユニットの第２の端点に接続されている。
【００２０】
上記第２のスイッチング回路は、外部入力電源により提供されたエネルギ蓄電電流の流れを、当該第３のインダクタ・ユニットの第１の端点から第２の端点へと、または、当該第４のインダクタ・ユニットの第２の端点から第１の端点へと切り替えるように構成される。
【００２１】
あるいは、上記第２のスイッチング回路は、第７のスイッチ・トランジスタと第８のスイッチ・トランジスタを備える。当該第７のスイッチ・トランジスタの１端は当該第３のインダクタ・ユニットの第２の端点に接続され、当該第７のスイッチ・トランジスタの他端は接地され、当該第８のスイッチ・トランジスタの１端は当該第４のインダクタ・ユニットの第２の端点に接続され、当該第８のスイッチ・トランジスタの他端は接地されている。
【００２２】
あるいは、上記外部入力電源は、外部交流入力電源またはバッテリ群を備える。当該外部入力電源と当該第３のインダクタ・ユニットの第１の端点、および当該外部交流入力電源と当該第４のインダクタ・ユニットの第１の端点は、交流スイッチ要素を用いることにより接続される。
【００２３】
上記バッテリ群は、第５のバッテリ・ユニットと第６のバッテリ・ユニットを備える。当該第５のバッテリ・ユニットのアノードは直流スイッチ要素を用いることにより当該第３のインダクタ・ユニットの第１の端点に接続され、当該第５のバッテリ・ユニットのカソードは接地され、当該第６のバッテリ・ユニットのカソードは直流スイッチ要素を用いることにより当該第４のインダクタ・ユニットの第１の端点に接続され、当該第６のバッテリ・ユニットのアノードは接地される。
【００２４】
あるいは、上記第１のインダクタ・ユニット、第２のインダクタ・ユニット、第３のインダクタ・ユニット、または第４のインダクタ・ユニットを、単一インダクタ要素、または並列に接続された複数インダクタ要素、または直列に接続された複数インダクタ要素により形成してもよい。
【００２５】
上述の実施形態における放電制御回路は、第９のスイッチ・トランジスタ、第１０のスイッチ・トランジスタ、第１１のスイッチ・トランジスタ、第１２のスイッチ・トランジスタ、第１３のスイッチ・トランジスタ、第１４のスイッチ・トランジスタ、および第３のスイッチング回路を備える。
【００２６】
当該第９のスイッチ・トランジスタの第１の端点は当該第１のキャパシタの第２の端点に接続され、当該第９のスイッチ・トランジスタの第２の端点は当該第１０のスイッチ・トランジスタの第１の端点に接続され、当該第１０のスイッチ・トランジスタの第２の端点は当該第１のインダクタ・ユニットの第２の端点に接続され、当該第１１のスイッチ・トランジスタの第１の端点は当該第２のキャパシタの第２の端点に接続され、当該第１１のスイッチ・トランジスタの第２の端点は当該第１０のスイッチ・トランジスタの第１の端点に接続され、当該第１４のスイッチ・トランジスタの第１の端点は当該第４のキャパシタの第２の端点に接続され、当該第１４のスイッチ・トランジスタの第２の端点は第１３のスイッチ・トランジスタの第１の端点に接続され、当該第１３のスイッチ・トランジスタの第２の端点は当該第１のインダクタ・ユニットの第２の端点に接続され、当該第１２のスイッチ・トランジスタの第１の端点は当該第３のキャパシタの第２の端点に接続され、当該第１２のスイッチ・トランジスタの第２の端点は当該第１４のスイッチ・トランジスタの第２の端点に接続される。
【００２７】
当該第３のスイッチング回路の第１の端点は当該第１のインダクタ・ユニットの第２の端点に接続され、当該第３のスイッチング回路の第２の端点は接地されて、時間により当該第３のスイッチング回路の第２の端点から第１の端点への順方向導電または当該第３のスイッチング回路の第１の端点から第２の端点への逆方向導電を実現する。
【００２８】
別の態様では、本発明の１実施形態は上述の５段階電力変換器の制御方法を提供する。当該５段階電力変換器の方法は、第１のキャパシタの第２の端点、第２のキャパシタの第２の端点、第３のキャパシタの第２の端点、および第４のキャパシタの第２の端点に電流を入力するように整流器制御回路を制御するステップであって、当該第１のキャパシタの第２の端点および当該第２のキャパシタの第２の端点に蓄積された電荷の極性は同じであり、当該第１のキャパシタの第２の端点に蓄積された電気量は当該第２のキャパシタの第２の端点に蓄積された電気量よりも大きく、当該第３のキャパシタの第２の端点および当該第４のキャパシタの第２の端点に蓄積された電荷の極性は同じであり、当該第４のキャパシタの第２の端点に蓄積された電気量は当該第３のキャパシタの第２の端点に蓄積された電気量より大きく、当該第１のキャパシタと当該第２のキャパシタの第２の端点に蓄積された電荷の極性は当該第３のキャパシタと当該第４のキャパシタの第２の端点に蓄積された電荷の極性と反対であるステップと、当該整流器の当該第２のキャパシタの第２の端点、当該第１のキャパシタの第２の端点、当該第３のキャパシタの第２の端点、および当該第４のキャパシタの第２の端点から連続的に放電するように当該放電制御回路を制御するステップであって、放電電流は直列に接続された当該第１のインダクタ・ユニットと当該第１の負荷を通って流れ、当該第１のキャパシタ、当該第２のキャパシタ、当該第３のキャパシタ、および当該第４のキャパシタのうち何れかの充電と放電が交互に行われるステップと、を含む。
【００２９】
さらに別の態様では、本発明の１実施形態は上述の５段階電力変換器の制御装置を提供する。当該制御装置は、第１のキャパシタの第２の端点、第２のキャパシタの第２の端点、第３のキャパシタの第２の端点、および第４のキャパシタの第２の端点に電流を入力するように整流器制御回路を制御するように構成された整流器制御モジュールであって、当該第１のキャパシタの第２の端点および当該第２のキャパシタの第２の端点に蓄積された電荷の極性は同じであり、当該第１のキャパシタの第２の端点に蓄積された電気量は当該第２のキャパシタの第２の端点に蓄積された電気量よりも大きく、当該第３のキャパシタの第２の端点および当該第４のキャパシタの第２の端点に蓄積された電荷の極性は同じであり、当該第４のキャパシタの第２の端点に蓄積された電気量は当該第３のキャパシタの第２の端点に蓄積された電気量より大きく、当該第１のキャパシタと当該第２のキャパシタの第２の端点に蓄積された電荷の極性は当該第３のキャパシタと当該第４のキャパシタの第２の端点に蓄積された電荷の極性と反対である整流器制御モジュールと、当該整流器の当該第２のキャパシタの第２の端点、当該第１のキャパシタの第２の端点、当該第３のキャパシタの第２の端点、および当該第４のキャパシタの第２の端点から連続的に放電するように放電制御回路を制御するように構成されたインバータ制御モジュールであって、放電電流は直列に接続された当該第１のインダクタ・ユニットと当該第１の負荷を通って流れ、当該第１のキャパシタ、当該第２のキャパシタ、当該第３のキャパシタ、および当該第４のキャパシタのうち何れかの充電と放電が交互に行われるインバータ制御モジュールと、を備える。
【００３０】
本発明の諸実施形態では、５段階電力変換器ならびにその制御方法および制御装置を提供する。当該５段階電力変換器は、インバータと少なくとも１つの整流器を備える。当該整流器は、整流器制御回路、並列に接続された第１のキャパシタおよび第２のキャパシタ、ならびに、並列に接続された第３のキャパシタおよび第４のキャパシタを備える。当該第１のキャパシタの第１の端点、当該第２のキャパシタの第１の端点、当該第３のキャパシタの第１の端点、および当該第４のキャパシタの第１の端点は接地され、当該整流器制御回路は、第１のキャパシタ、第２のキャパシタ、第３のキャパシタ、および第４のキャパシタを充電することができる。その結果、当該第１のキャパシタの第２の端点および当該第２のキャパシタの第２の端点に蓄積された電荷の極性は同じであり、当該第１のキャパシタの第２の端点に蓄積された電気量は当該第２のキャパシタの第２の端点に蓄積された電気量よりも大きく、当該第３のキャパシタの第２の端点および当該第４のキャパシタの第２の端点に蓄積された電荷の極性は同じであり、当該第４のキャパシタの第２の端点に蓄積された電気量は当該第３のキャパシタの第２の端点に蓄積された電気量より大きく、当該第１のキャパシタと当該第２のキャパシタの第２の端点に蓄積された電荷の極性は当該第３のキャパシタと当該第４のキャパシタの第２の端点に蓄積された電荷の極性と反対である。当該インバータの放電制御回路は、当該整流器の当該第２のキャパシタの第２の端点、当該第１のキャパシタの第２の端点、当該第３のキャパシタの第２の端点、および当該第４のキャパシタの第２の端点から連続的に放電するように構成され、それにより、５段階動作モードが実現される。
【００３１】
本発明の諸実施形態または先行技術における技術的解決策をより明確に説明するために、以下では当該実施形態または先行技術を説明するのに必要な添付図面を簡単に説明する。明らかに、以下の説明における添付図面は本発明の一部の諸実施形態を示すにすぎず、当業者は創造的作業なしにこれらの添付図面から他の図面を依然として導出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の第１の実施形態に従う５段階電力変換器の回路アーキテクチャ図である。
【図２】本発明の第２の実施形態に従う５段階電力変換器の回路アーキテクチャ図である。
【図３】本発明の第３の実施形態に従う５段階電力変換器の回路アーキテクチャ図である。
【図４】本発明の第４の実施形態に従う５段階電力変換器の回路アーキテクチャ図である。
【図５】本発明の第１の実施形態に従う５段階電力変換器の制御方法の流れ図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に従う５段階電力変換器の制御方法の流れ図である。
【図７】本発明の第３の実施形態に従う５段階電力変換器の制御方法の流れ図である。
【図８】本発明の第４の実施形態に従う５段階電力変換器の制御方法の流れ図である。
【図９】本発明の第４の実施形態に従う５段階電力変換器の制御方法の動作電圧波形の略図である。
【図１０】本発明の第１の実施形態に従う５段階電力変換器の制御装置の構造的略図である。
【図１１】本発明の第２の実施形態に従う５段階電力変換器の制御装置の構造的略図である。
【図１２】本発明の第３の実施形態に従う５段階電力変換器の制御装置の構造的略図である。
【図１３】本発明の第４の実施形態に従う５段階電力変換器の制御装置の構造的略図である
【発明を実施するための形態】
【００３３】
本発明の諸実施形態の目的、技術的解決策、および利点をより分かりやすくするために、以下では本発明の諸実施形態における添付図面を参照して本発明の諸実施形態における技術的解決策を明確かつ十分に説明する。明らかに、説明した実施形態は本発明の諸実施形態の全部ではなく一部にすぎない。当業者が創造的作業なしに本発明の諸実施形態に基づいて取得する他の全ての実施形態は本発明の保護範囲に入るものとする。
【００３４】
本発明の諸実施形態で提供する５段階電力変換器と制御方法は、５段階の動作を実装し、ＵＰＳシステムに適用することができる。システムが交流電源で動作するときには、５段階電力変換器の整流器が入力交流を直流に変換し、入力電力要素補正ＰＦＣ機能を実現することができる。交流電源が割り込まれたときには、５段階電力変換器が即座に内部エネルギ蓄電装置に蓄えられた電気エネルギを使用して、逆変換アプローチを用いることにより交流電力を負荷に供給し続けて、負荷が正しく動作し続けるようにする。
【００３５】
本発明の１実施形態で提供する５段階電力変換器の電力変換トポロジは、整流器とインバータにより形成される。当該整流器は、入力交流を直流に変換し、電力要素補正ＰＦＣ機能を実装するように構成される。当該インバータは、交流出力電圧への整流後に直流電圧を変換するように構成される。
【００３６】
図１は本発明の第１の実施形態に従う５段階電力変換器の回路アーキテクチャ図である。図２は本発明の第２の実施形態に従う５段階電力変換器の回路アーキテクチャ図である。図３は本発明の第３の実施形態に従う５段階電力変換器の回路アーキテクチャ図である。図４は本発明の第４の実施形態に従う５段階電力変換器の回路アーキテクチャ図である。図１、２、３、または４に示すように、本発明の１実施形態で提供する５段階電力変換器はインバータと少なくとも１つの整流器を備える。当該整流器は、整流器制御回路と、並列に接続された第１のキャパシタＣ１および第２のキャパシタＣ２と、並列に接続された第３のキャパシタＣ３および第４のキャパシタＣ４とを備える。第１のキャパシタＣ１の第１の端点、第２のキャパシタＣ２の第１の端点、第３のキャパシタＣ３の第１の端点、および第４のキャパシタＣ４の第１の端点は接地されている。
【００３７】
当該整流器制御回路は、第１のキャパシタＣ１の第２の端点、第２のキャパシタＣ２の第２の端点、第３のキャパシタＣ３の第２の端点、および第４のキャパシタＣ４の第２の端点に電流を入力するように構成され、第１のキャパシタＣ１の第２の端点および第２のキャパシタＣ２の第２の端点に蓄積された電荷の極性は同じであり、第１のキャパシタＣ１の第２の端点に蓄積された電気量は第２のキャパシタＣ２の第２の端点に蓄積された電気量より大きく、第３のキャパシタＣ３の第２の端点および第４のキャパシタＣ４の第２の端点に蓄積された電荷の極性は同じであり、第４のキャパシタＣ４の第２の端点に蓄積された電気量は第３のキャパシタＣ３の第２の端点に蓄積された電気量より大きく、第１のキャパシタＣ１と第２のキャパシタＣ２の第２の端点に蓄積された電荷の極性は第３のキャパシタＣ３と第４のキャパシタＣ４の第２の端点に蓄積された電荷の極性と反対である。
【００３８】
当該インバータは、放電制御回路と、直列に接続された第１のインダクタ・ユニットＬ１および第１の負荷Ｒ１とを備える。第１のインダクタ・ユニットＬ１の第１の端点は第１の負荷Ｒ１の第１の端点に接続され、第１の負荷Ｒ１の第２の端点は接地され、第５のキャパシタＣ５は第１の負荷に並列に接続されている。当該放電制御回路は、当該整流器の第２のキャパシタＣ２の第２の端点、第１のキャパシタＣ１の第２の端点、第３のキャパシタＣ３の第２の端点、および第４のキャパシタＣ４の第２の端点から連続的に放電するように構成され、放電電流は直列に接続された第１のインダクタ・ユニットＬ１と第１の負荷Ｒ１を通って流れ、第１のキャパシタＣ１、第２のキャパシタＣ２、第３のキャパシタＣ３、および第４のキャパシタＣ４の何れかの充電と放電が交互に行われる。
【００３９】
本発明の第１の実施形態に従う５段階電力変換器は、その整流器の整流器制御回路およびそのインバータの放電制御回路を用いることにより、５段階の出力と、入力電力要素補正ＰＦＣ機能を実装する。
【００４０】
本発明の上記実施形態で提供した５段階電力変換器では、当該整流器の整流器制御回路が複数の構成形を有してもよい。例えば、図１に示すように、当該整流器制御回路は、第２のインダクタ・ユニットＬ２、第１のスイッチング回路１、第１の制御回路Ｋ１、および第２の制御回路Ｋ２を備え、第２のインダクタ・ユニットＬ２の第１の端点は外部入力電源に接続される。
【００４１】
第１の制御回路Ｋ１は、第３のダイオードＤ３、第４のダイオードＤ４、および第３のスイッチ・トランジスタＱ３を備える。第３のダイオードＤ３は、第１のキャパシタＣ１の第２の端点と第２のインダクタ・ユニットＬ２の第２の端点の間の回路おいて直列に接続され、第３のダイオードＤ３のアノードは第２のインダクタ・ユニットＬ２の第２の端点に接続され、第３のダイオードＤ３のカソードは第１のキャパシタＣ１の第２の端点に接続され、第４のダイオードＤ４および第３のスイッチ・トランジスタＱ３は第２のキャパシタＣ２の第２の端点と第２のインダクタ・ユニットＬ２の第２の端点の間の回路において直列に接続され、第４のダイオードＤ４のアノードは第２のインダクタ・ユニットＬ２の第２の端点に接続される。
【００４２】
第２の制御回路Ｋ２は、第５のダイオードＤ５、第６のダイオードＤ６、および第４のスイッチ・トランジスタＱ４を備える。第５のダイオードＤ５は第４のキャパシタＣ４の第２の端点と第２のインダクタ・ユニットＬ２の第２の端点の間の回路に直列に接続され、第５のダイオードＤ５のアノードは第２のインダクタ・ユニットＬ２の第２の端点に接続され、第５のダイオードＤ５のカソードは第４のキャパシタＣ４の第２の端点に接続され、第６のダイオードＤ６と第４のスイッチ・トランジスタＱ４は第２のキャパシタＣ３の第２の端点と第２のインダクタ・ユニットＬ２の第２の端点の間の回路に直列に接続され、第６のダイオードＤ６のアノードは第２のインダクタ・ユニットＬ２の第２の端点に接続される。
【００４３】
第１のスイッチング回路１は、外部入力電源により提供されたエネルギ蓄電電流の流れを、第２のインダクタ・ユニットＬ２の第１の端点から第２の端点へと、または、第２のインダクタ・ユニットＬ２の第２の端点か第１の端点へと切り替えるように構成される。
【００４４】
本発明の１実施形態で提供する５段階電力変換器では、第１のスイッチング回路１は、直列に接続された第１のスイッチ・トランジスタＱ１および第２のスイッチ・トランジスタＱ２と、直列に接続された第１のダイオードＤ１および第２のダイオードＤ２とを備える。第１のダイオードＤ１および第２のダイオードＤ２の極性は反対に設定され、第１のスイッチ・トランジスタＱ１と第２のスイッチ・トランジスタＱ２の間の点は第１のダイオードＤ１と第２のダイオードＤ２の間の点と通信する。
【００４５】
本発明の１実施形態に従う５段階電力変換器では、５段階整流器は、一般的なＶｉｅｎｎａ整流器に基づいて、正および負のＢＵＳ電圧ごとに支流を追加する。第３のスイッチ・トランジスタＱ３と第４のダイオードＤ４は正のＢＵＳ電圧支流を形成し、第４のスイッチ・トランジスタＱ４と第６のダイオードＤ６は負のＢＵＳ電圧支流を形成し、５段階インバータは、一般的なＩ型の３段階の中点クランプ型インバータに基づいて２つの支流を追加する。第１１のスイッチ・トランジスタＱ１１はそれに応じて正弦波の正の半周期を出力し、第１２のスイッチ・トランジスタＱ１２はそれに応じて正弦波の負の半周期を出力する。
【００４６】
場合によっては、上述の実施形態の各スイッチ・トランジスタは、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ−Ｅｆｆｅｃｔ  トランジスタ、ＭＯＳＦＥＴ）、絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  トランジスタ、ＩＧＢＴ）、または別のスイッチ要素であってもよい。１つのスイッチ・トランジスタ、または、直列に接続された、または、回路内で直接にもしくは交互に並列に接続された、複数のスイッチ・トランジスタであってもよい。
【００４７】
整流器の各ダイオードは、同期整流に対するＭＯＳＦＥＴおよびＩＧＢＴのような一般的なダイオードまたはスイッチ要素であってもよい。１つのダイオードまたは直列もしくは並列に接続された複数のダイオードがあってもよい。
【００４８】
整流器の第２のインダクタ・ユニットを、１つのインダクタ・ユニット、または、並列もしくは直列に接続された複数インダクタ・ユニットにより形成してもよい。
【００４９】
本発明の１実施形態で提供する５段階電力変換器では、５段階整流器は一般的なＶｉｅｎｎａ整流器に基づいて改善され、５段階の動作を実装しつつ、Ｖｉｅｎｎａ整流器の高効率を維持する。５段階の動作がサポートされるので、ＰＦＣインダクタンスをさらに減らすことができる。
【００５０】
図２に示すように、本発明の第２の実施形態に従う５段階電力変換器では、外部入力電源が外部交流入力電源Ｖおよびバッテリ群を備える。当該外部交流入力電源Ｖは、交流スイッチ要素ＴＲ１を用いることにより第２のインダクタ・ユニットＬ２の第１の端点に接続される。
【００５１】
本実施形態では、当該整流器は整流器制御回路を備え、当該バッテリ群は第１のバッテリ・ユニットＶ１と第２のバッテリ・ユニットＶ２を備える。当該第１のバッテリ・ユニットＶ１のアノードは直流スイッチ要素Ｘ１を用いることにより当該整流器制御回路内の第２のインダクタ・ユニットＬ２の第１の端点に接続され、第１のバッテリ・ユニットＶ１のカソードは接地され、第２のバッテリ・ユニットＶ２のカソードは直流スイッチ要素Ｘ２を用いることにより当該整流器制御回路内の第２のインダクタ・ユニットＬ２の第１の端点に接続され、第２のバッテリ・ユニットＶ２のアノードは接地される。
【００５２】
本実施形態は、入力交流電力またはバッテリ・スイッチング回路に対して交流スイッチ要素ＴＲ１、直流スイッチ要素Ｘ１、および直流スイッチ要素Ｘ２を追加して図２に示す第２の実施形態に従う電力変換器の略回路図を形成することによって、図１の回路を改善する。バッテリ・ユニットの２つのグループに直列に接続された第５のインダクタ・ユニットＬ３と第６のインダクタ・ユニットＬ４により、電流の変換と平滑化を実現する。
【００５３】
本実施形態の回路の動作原理は図１に示したものと同様である。相違点は、交流とバッテリ・スイッチング回路を追加した後に１組の５段階整流器が共有されることである。交流電源モードでは、当該５段階整流器によりＰＦＣ機能を実現し、バッテリ・モードでは、当該５段階整流器により直流増幅機能を実装する。
【００５４】
本発明の上記実施形態によれば、バッテリモードでは、第１のバッテリ・ユニットＶ１と第２のバッテリ・ユニットが１つの増幅回路を共有する。スイッチングのケースでは、回路寄生または制御信号例外が発生した場合には、バッテリの２つのグループが直接短絡されることがある。かかるリスクを回避するために、過電流フューズを各バッテリ・ユニットに追加してもよい。さらに、第５のインダクタ・ユニットＬ５と第６のインダクタ・ユニットＬ６を追加して電流の変換と平滑化を実現してもよい。
【００５５】
図３に示すように、本発明の第３の実施形態に従う５段階電力変換器では、外部入力電源が外部交流入力電源Ｖおよびバッテリ群を備える。当該外部交流入力電源Ｖは、交流スイッチ要素ＴＲ１を用いることにより第２のインダクタ・ユニットＬ２の第１の端点に接続される。
【００５６】
本実施形態では、２つの整流器、即ち第１の整流器と第２の整流器を備える。当該バッテリ群は、第３のバッテリ・ユニットＶ３と第４のバッテリ・ユニットＶ４を備える。当該第３のバッテリ・ユニットＶ３のアノードは、直流スイッチ要素Ｘ３を用いることにより第１の整流器の第２のインダクタ・ユニットＬ２の第１の端点に接続され、第３のバッテリ・ユニットＶ３のカソードは接地され、第４のバッテリ・ユニットＶ４のカソードは直流スイッチ要素Ｘ４を用いることにより第２の整流器の第２のインダクタ・ユニットＬ２の第１の端点に接続され、第４のバッテリ・ユニットＶ４のアノードは接地される。
【００５７】
本実施形態ではさらに、図２に示す回路を実装し、２組の整流器を使用して図３に示す第３の実施形態に従う５段階電力変換器の略回路図を形成する。
【００５８】
本実施形態に従う回路の動作原理は図２に示したものと同様である。相違点は、バッテリモードにおいて、第３のバッテリ・ユニットＶ３と第４のバッテリ・ユニットＶ４が動作するときに、これらのバッテリ・ユニットが２組の独立な５段階整流器をそれぞれ使用し、バッテリ切替においてリスクが存在しないことである。さらに、交流電源モードでは、当該２組の５段階整流器を、並列に、直接または交互に接続してもよい。その結果、電力スイッチ・トランジスタの導電損失が削減され効率が高まる。
【００５９】
上述の回路整流器は、ダイオードおよび電力スイッチ・トランジスタを使用して切替支流を形成する、即ち、主回路における高電圧出力と支流における低電圧出力とを形成する、単一インダクタのデュアル出力デュアル・ブーストまたはＶｉｅｎｎａ整流器により形成される。
【００６０】
図４に示すように、本発明の第４の実施形態に従う５段階電力変換器では、当該整流器制御回路は、第３のインダクタ・ユニットＬ３、第４のインダクタ・ユニットＬ４、第２のスイッチング回路２、第３の制御回路Ｋ３、および第４の制御回路Ｋ４を備える。第３のインダクタ・ユニットＬ３の第１の端点と第４のインダクタ・ユニットＬ４の第１の端点は外部入力電源に接続される。
【００６１】
第３の制御回路Ｋ３は、第７のダイオードＤ７、第８のダイオードＤ８、および第５のスイッチ・トランジスタＱ５を備える。第７のダイオードＤ７は、第１のキャパシタＣ１の第２の端点と第３のインダクタ・ユニットＬ３の第２の端点の間の回路において直列に接続され、第７のダイオードのアノードＤ７は第３のインダクタ・ユニットＬ３の第２の端点に接続され、第７のダイオードのカソードＤ７は第１のキャパシタＣ１の第２の端点に接続され、第８のダイオードＤ８と第５のスイッチ・トランジスタＱ５は第２のキャパシタＣ２の第２の端点と第３のインダクタ・ユニットＬ３の第２の端点の間の回路において直列に接続され、第８のダイオードＤ８のアノードは、第３のインダクタ・ユニットＬ３の第２の端点に接続される。
【００６２】
第４の制御回路Ｋ４は、第９のダイオードＤ９、第１０のダイオードＤ１０、および第６のスイッチ・トランジスタＱ６を備える。第９のダイオードＤ９は、第４のキャパシタＣ４の第２の端点と第４のインダクタ・ユニットＬ４の第２の端点の間の回路において直列に接続され、第９のダイオードのアノードＤ９は第４のインダクタ・ユニットＬ４の第２の端点に接続され、第９のダイオードＤ９のカソードは第４のキャパシタＣ４の第２の端点に接続され、第１０のダイオードＤ１０と第６のスイッチ・トランジスタＱ６は第３のキャパシタＣ３の第２の端点と第４のインダクタ・ユニットＬ４の第２の端点の間のにおいて直列に接続され、第１０のダイオードＤ１０のアノードは第４のインダクタ・ユニットＬ４の第２の端点に接続される。
【００６３】
本実施形態の５段階電力変換器の第２のスイッチング回路２は、当該外部入力電源により提供されたエネルギ蓄電電流の流れを、第３のインダクタ・ユニットＬ３の第１の端点から第２の端点へと、または、第４のインダクタ・ユニットＬ４の第２の端点から第１の端点へと切り替えるように構成される。
【００６４】
具体的には、第２のスイッチング回路２は、第７のスイッチ・トランジスタＱ７、第８のスイッチ・トランジスタＱ８、第１３のダイオードＤ１３、および第１４のダイオードＤ１４を備えてもよい。第７のスイッチ・トランジスタＱ７の１端は第３のインダクタ・ユニットＬ３の第２の端点と第１３のダイオードＤ１３のカソードに接続され、第７のスイッチ・トランジスタＱ７の他端は接地され、第８のスイッチ・トランジスタＱ８の１端は第４のインダクタ・ユニットＬ４の第２の端点と第１４のダイオードＤ１４のアノードに接続され、第８のスイッチ・トランジスタＱ８の他端は接地され、第１３のダイオードＤ１３のアノードと第１４のダイオードＤ１４のカソードは接地される。
【００６５】
本実施形態の５段階電力変換器では、当該外部入力電源は外部交流入力電源Ｖまたはバッテリ群を備える。当該外部入力電源と第３のインダクタ・ユニットＬ３の第１の端点、ならびに、当該外部交流入力電源Ｖと第４のインダクタ・ユニットＬ４の第１の端点は、交流スイッチ要素を用いることにより接続される。
【００６６】
当該バッテリ群は、第５のバッテリ・ユニットＶ５と第６のバッテリ・ユニットＶ６を備える。第５のバッテリ・ユニットＶ５のアノードは直流スイッチ要素Ｘ５を用いることにより第３のインダクタ・ユニットＬ３の第１の端点に接続され、第５のバッテリ・ユニットＶ５のカソードは接地され、第６のバッテリ・ユニットＶ６のカソードは直流スイッチ要素Ｘ６を用いることにより第４のインダクタ・ユニットＬ４の第１の端点に接続され、第６のバッテリ・ユニットＶ６のアノードは接地される。
【００６７】
本実施形態では、第１の実施形態の電力変換器アーキテクチャにおける５段階整流器が５段階ダブル・ブースト回路で置き換えられており、交流またはバッテリ入力制御中継器またはシリコン制御サイリスタＳＣＲが追加され、図４に示す第４の実施形態に従う５段階電力変換器の略回路図を形成している。
【００６８】
さらに、上述の実施形態の各々における５段階電力変換器では、第１のインダクタ・ユニットＬ１、第２のインダクタＬ２、第３のインダクタ・ユニットＬ３、または第４のインダクタ・ユニットＬ４が、単一インダクタ要素、または並列に接続された複数インダクタ要素、または直列に接続された複数インダクタ要素により形成される。
【００６９】
場合によっては、第２の実施形態乃至第４の実施形態に従う５段階電力変換器の回路が２つのバッテリ・グループを使用し、適切なスイッチ要素を入力端で構成して、当該５段階整流器が正のＢＵＳ出力電圧と負のＢＵＳ出力電圧および正のＶｉｎと負のＶｉｎを形成するための直流増幅機能を有するようにしてもよい。したがって、整流モードの電力要素をバッテリ・モードで再利用することができる。さらに、上述の回路が単一のバッテリ群と動作してもよい。シリコン制御サイリスタＳＣＲ、中継器、および電力スイッチ・トランジスタをバッテリ入力スイッチ要素として使用してもよく、三極管交流半導体スイッチＴＲＩＡＣ、中継器、および電力スイッチ・トランジスタを交流入力スイッチ要素として使用してもよい。
【００７０】
上述の実施形態の各々における５段階電力変換器では、放電制御回路は、第９のスイッチ・トランジスタＱ９、第１０のスイッチ・トランジスタＱ１０、第１１のスイッチ・トランジスタＱ１１、第１２のスイッチ・トランジスタＱ１２、第１３のスイッチ・トランジスタＱ１３、第１４のスイッチ・トランジスタＱ１４、および第３のスイッチング回路３を備える。
【００７１】
第９のスイッチ・トランジスタＱ９の第１の端点は第１のキャパシタＣ１の第２の端点に接続され、第９のスイッチ・トランジスタＱ９の第２の端点は第１０のスイッチ・トランジスタＱ１０の第１の端点に接続され、第１０のスイッチ・トランジスタＱ１０の第２の端点は第１のインダクタ・ユニットＬ１の第２の端点に接続され、第１１のスイッチ・トランジスタＱ１１の第１の端点は第２のキャパシタＣ２の第２の端点と第１１のダイオードＤ１１のアノードに接続され、第１１のスイッチ・トランジスタＱ１１の第２の端点は第１０のスイッチ・トランジスタＱ１０の第１の端点と第１１のダイオードＤ１１のカソードに接続され、第１４のスイッチ・トランジスタＱ１４の第１の端点は第４のキャパシタＣ４の第２の端点に接続され、第１４のスイッチ・トランジスタＱ１４の第２の端点は第１３のスイッチ・トランジスタＱ１３の第１の端点に接続され、第１３のスイッチ・トランジスタＱ１３の第２の端点は第１のインダクタ・ユニットＬ１の第２の端点に接続され、第１２のスイッチ・トランジスタＱ１２の第１の端点は第３のキャパシタＣ３の第２の端点と第１２のダイオードＤ１２のカソードに接続され、第１２のスイッチ・トランジスタＱ１２の第２の端点は第１４のスイッチ・トランジスタＱ１４の第２の端点と第１２のダイオードＤ１２のアノードに接続される。
【００７２】
第３のスイッチング回路３の第１の端点は第１のインダクタ・ユニットＬ１の第２の端点に接続され、第３のスイッチング回路３の第２の端点は接地されて、時間による第３のスイッチング回路３の第２の端点から第１の端点への順方向導電または第３のスイッチング回路３の第１の端点から第２の端点への逆方向導電を実現する。
【００７３】
場合によっては、上述の放電制御回路のインバータが５段階の構造を使用する。当該構造において、４つのインバータ・メイン・スイッチ・トランジスタＱ９、Ｑ１０、Ｑ１３、およびＱ１４がＩ形の構造を形成するように接続され、２つのインバータ・フリーホイール・スイッチ・トランジスタＱ１１およびＱ１２がＴ形の構造を形成するように接続され、インバータ外部トランジスタＱ９およびＱ１４が正のＢＵＳ電圧と負のＢＵＳ電圧に接続され、インバータ内部トランジスタＱ１０およびＱ１３が正のＶｉｎ電圧と負のＶｉｎ電圧に接続される。
【００７４】
上述の実施形態の各々に従う５段階電力変換器の整流器とインバータによって形成された整流器制御回路と放電制御回路では、整流器が入力交流を直流に変換して電力要素補正ＰＦＣ機能を実現し、インバータが交流出力電圧への整流後に直流電圧を変換し、それにより、回路出力の５段階を実現する。
【００７５】
図５は本発明の第１の実施形態に従う５段階電力変換器の制御方法の流れ図である。図５に示すように、図１乃至４を参照すると、５段階電力変換器の制御方法の当該実施形態は、５段階電力変換器の第１の実施形態に対応し、上述の実施形態の各々で提供した５段階電力変換器の制御方法を示す。当該５段階電力変換器の制御方法は、以下を含む。
【００７６】
ステップ５０１で、第１のキャパシタＣ１の第２の端点、第２のキャパシタＣ２の第２の端点、第３のキャパシタＣ３の第２の端点、および第４のキャパシタＣ４の第２の端点に電流を入力するように整流器制御回路を制御する。第１のキャパシタＣ１の第２の端点および第２のキャパシタＣ２の第２の端点に蓄積された電荷の極性は同じであり、第１のキャパシタＣ１の第２の端点に蓄積された電気量は第２のキャパシタＣ２の第２の端点に蓄積された電気量より大きく、第３のキャパシタＣ３の第２の端点および第４のキャパシタＣ４の第２の端点に蓄積された電荷の極性は同じであり、第４のキャパシタＣ４の第２の端点に蓄積された電気量は第３のキャパシタＣ３の第２の端点に蓄積された電気量より大きく、第１のキャパシタＣ１と第２のキャパシタＣ２の第２の端点に蓄積された電荷の極性は第３のキャパシタＣ３と第４のキャパシタＣ４の第２の端点に蓄積された電荷の極性と反対である。
【００７７】
ステップ５０２で、整流器の第２のキャパシタＣ２の第２の端点、第１のキャパシタＣ１の第２の端点、第３のキャパシタＣ３の第２の端点、および第４のキャパシタＣ４の第２の端点から連続的に放電するように放電制御回路を制御する。放電電流は、直列に接続された第１のインダクタ・ユニットＬ１および第１の負荷Ｒ１を通って流れ、第１のキャパシタＣ１、第２のキャパシタＣ２、第３のキャパシタＣ３、および第４のキャパシタＣ４の何れかの充電と放電が交互に行われる。
【００７８】
本発明の１実施形態で提供した５段階電力変換器の制御方法によれば、当該整流器制御回路は、第１のキャパシタＣ１から第４のキャパシタＣ４へ電流を入力してキャパシタに電力を蓄えるように制御され、当該放電制御回路は、当該整流器の第１のキャパシタＣ１から第４のキャパシタＣ４へ連続的に放電してキャパシタに蓄えられたエネルギを解放するように制御される。それにより、ＵＰＳシステムに対する５段階の出力を実現し、入力電力要素補正ＰＦＣ機能を実装する。
【００７９】
図６は、本発明の第２の実施形態に従う５段階電力変換器の制御方法の流れ図である。図６に示すように、図１を参照すると、場合によっては、第１の方法実施形態のステップ５０１で、第１のキャパシタＣ１の第２の端点、第２のキャパシタＣ２の第２の端点、第３のキャパシタＣ３の第２の端点、および第４のキャパシタＣ４の第２の端点に電流を入力するように整流器制御回路を制御するステップは以下を含む。
【００８０】
ステップ６０１で、外部入力電源により提供されたエネルギ蓄電電流の流れを第２のインダクタ・ユニットＬ２の第１の端点から第２の端点へと切り替えて第２のインダクタ・ユニットＬ２に対するエネルギを蓄えるように第１のスイッチング回路１を制御する。
【００８１】
ステップ６０２で、第１のスイッチング回路１をターンオフして、第１のキャパシタＣ１の第２の端点に蓄積された電気量が第２のキャパシタＣ２の第２の端点に蓄積された電気量より大きいように、第２のインダクタ・ユニットＬ２が第１のキャパシタＣ１および第２のキャパシタＣ２を充電し、第２のキャパシタＣ２の第２の端点と第２のインダクタ・ユニットＬ２の第２の端点の間の直列に接続された第３のスイッチ・トランジスタＱ３のデューティ・サイクルを制御できるようにする。
【００８２】
ステップ６０３で当該外部入力電源により提供されたエネルギ蓄電電流の流れを第２のインダクタ・ユニットＬ２の第２の端点から第１の端点へと切り替えて第２のインダクタ・ユニットＬ２に対するエネルギを蓄えるように第１のスイッチング回路１を制御する。
【００８３】
ステップ６０４で、第１のスイッチング回路１をターンオフして、第４のキャパシタＣ４の第２の端点に蓄積された電気量が第３のキャパシタＣ３の第２の端点に蓄積された電気量より大きいように、第２のインダクタ・ユニットＬ２が第３のキャパシタＣ３および第４のキャパシタＣ４を充電して、第３のキャパシタＣ３の第２の端点と第２のインダクタ・ユニットＬ２の第２の端点の間の直列に接続された第４のスイッチ・トランジスタＱ４のデューティ・サイクルを制御できるようにする。
【００８４】
以下で、入力電圧正弦波の正の半周期を１例として用いることにより、第１および第２の方法の実施形態における５段階整流器の動作原理を簡単に説明する。
【００８５】
第１のスイッチ・トランジスタＱ１が導通するときには、電流は入力電圧線および第２のインダクタ・ユニットＬ２、第１のスイッチ・トランジスタＱ１、および第２のダイオードＤ２を通って流れ、次いで出力線に戻り、ＰＦＣの第２のインダクタ・ユニットがエネルギを蓄える。第１のスイッチ・トランジスタＱ１がターンオフされたときには、第２のインダクタ・ユニットＬ２は、２つのアプローチを用いることによりエネルギを解放する。当該２つのアプローチの１つは、第２のインダクタ・ユニットＬ２が第３のダイオードＤ３を用いて第１のキャパシタＣ１を充電して第１のキャパシタＣ１の両端で正のＢＵＳ電圧を生成することであり、他方は、第２のインダクタ・ユニットＬ２がオン／オフ状態の第３のスイッチ・トランジスタＱ３に導電することにより第２のキャパシタＣ２を充電して第２のキャパシタＣ２の両端で正のＶｉｎ電圧を生成することである。第３のスイッチ・トランジスタＱ３のデューティ・サイクルの充電により、第２のキャパシタＣ２に充電される電気量を制御して、第２のキャパシタＣ２の両端の電圧が正のＶｉｎ電圧の設定値に到達するようにしてもよい。第２のインダクタ・ユニットＬ２がエネルギを解放したときにのみ第３のスイッチ・トランジスタＱ３を導電して、正常な動作を維持することができる。原則として、第３のダイオードＤ３と第１のキャパシタＣ１はブーストＢｏｏｓｔ変換器を構成し、正のＢＵＳ電圧出力が第１のキャパシタＣ１の両端で実現され、第４のダイオードＤ４、第３のスイッチ・トランジスタＱ３、および第２のキャパシタＣ２はバックＢｕｃｋ変換器を構成し、正のＶｉｎ電圧出力が第２のキャパシタＣ２の両端で実現される。
【００８６】
５段階整流器の入力電圧正弦波の負の半周期の動作原理は同様である。負の半周期では、第２のスイッチ・トランジスタＱ２と第１のダイオードＤ１が導通するときには、入力電流は正の半周期の入力電流とは反対である。即ち、第２のインダクタ・ユニットＬ２を通って流れる電流は反対であり、第３のキャパシタＣ３および第４のキャパシタＣ４の充電はエネルギを蓄えた後にターンオフされる。詳細についてはここでは繰り返さない。
【００８７】
本実施形態では、第１のスイッチング回路１の切替えにより、エネルギを第１のキャパシタＣ１および第２のキャパシタＣ２または第３のキャパシタＣ３および第４のキャパシタＣ４に対して蓄えてもよく、零レベルがエネルギ貯蔵回路の中間点、即ち、第１のキャパシタＣ１と第４のキャパシタＣ４の間の点で形成される。したがって、５段階整流器回路は、正のＢＵＳ電圧および負のＢＵＳ電圧、正のＶｉｎ電圧および負のＶｉｎ電圧、ならびに零レベルを実現することができる。
【００８８】
図７は、本発明の第３の実施形態に従う５段階電力変換器の制御方法の流れ図である。５段階電力変換器の方法の第３の実施形態は、５段階電力変換器の第４の実施形態に対応する。図７に示すように、図４または第１の方法実施形態を参照すると、ステップ５０１における第１のキャパシタＣ１の第２の端点、第２のキャパシタＣ２の第２の端点、第３のキャパシタＣ３の第２の端点、および第４のキャパシタＣ４の第２の端点に電流を入力するように整流器制御回路を制御するステップは以下を含む。
【００８９】
ステップ７０１で、外部入力電源により提供されたエネルギ蓄電電流の流れを第３のインダクタ・ユニットＬ３の第１の端点から第２の端点へと切り替えて第３のインダクタ・ユニットＬ３に対するエネルギを蓄えるように第２のスイッチング回路２を制御する。
【００９０】
ステップ７０２で、第１のキャパシタＣ１の第２の端点に蓄積された電気量が第２のキャパシタＣ２の第２の端点に蓄積された電気量より大きいように、第２のスイッチング回路２をターンオフして、第２のインダクタ・ユニットＬ２が第１のキャパシタＣ１および第２のキャパシタＣ２を充電して、第２のキャパシタＣ２の第２の端点と第２のインダクタ・ユニットＬ３の第２の端点の間の直列に接続された第５のスイッチ・トランジスタＱ５のデューティ・サイクルを制御できるようにする。
【００９１】
ステップ７０３で、当該外部入力電源により提供されたエネルギ蓄電電流の流れを第４のインダクタ・ユニットＬ４の第２の端点から第１の端点へと切り替えるように第２のスイッチング回路２を制御する。
【００９２】
ステップ７０４で、第４のキャパシタＣ４の第２の端点に蓄積された電気量が第３のキャパシタＣ３の第２の端点に蓄積された電気量より大きいように、第２のスイッチング回路２をターンオフして、第２のインダクタ・ユニットＬ２が第３のキャパシタＣ３および第４のキャパシタＣ４を充電して、第３のキャパシタＣ３の第２の端点と第３のインダクタ・ユニットＬ３の第２の端点の間の直列に接続された第６のスイッチ・トランジスタＱ６のデューティ・サイクルを制御できるようにする。
【００９３】
５段階電力変換器の制御方法の第３の実施形態に従う回路の動作原理は、２組のデュアルＢｏｏｓｔ回路を使用してダブル・ブースト回路を形成して正のＢＵＳ電圧と負のＢＵＳ電圧を出力する点を除いては、上述の方法の実施形態と同様である。一方、２つの支流、即ち、第５のスイッチ・トランジスタＱ５と第８のダイオードＤ８、ならびに、第６のスイッチ・トランジスタＱ６と第１０のダイオードＤ１０は、支流の正のＶｉｎ電圧と負のＶｉｎ電圧を形成する。制御中継器またはシリコン制御サイリスタＳＣＲの直流スイッチ要素Ｘ５と直流スイッチ要素Ｘ６はバッテリモードにおける切替スイッチを形成し、交流スイッチ要素Ｘ７と交流スイッチ要素Ｘ８は交流電源モードにおける切替スイッチを形成する。当該切替スイッチは、第１のキャパシタＣ１のエネルギ貯蔵または第３のキャパシタＣ３および第４のキャパシタＣ４のエネルギ貯蔵を切り替えて、ＵＰＳシステムのアプリケーションに適用するために使用される。場合によっては、当該システムは、単一のバッテリ群とも正しく動作することができる。
【００９４】
図８は、本発明の第４の実施形態に従う５段階電力変換器の制御方法の流れ図である。図９は、本発明の第４の実施形態に従う５段階電力変換器の制御方法の動作電圧波形の略図であり、図９においてＴ１乃至Ｔ６は期間を表す。５段階電力変換器の制御方法の第４の実施形態は、図１乃至４に示す５段階電力変換器の諸実施形態に対応する。図８および９に示すように、図１乃至４を参照すると、５段階電力変換器の制御方法の諸実施形態はさらに以下を含む。
【００９５】
ステップ８０１で、期間Ｔ１において、絶えず導電するように第１１のスイッチ・トランジスタＱ１１を制御し、オン／オフ状態であるように第１０のスイッチ・トランジスタＱ１０を制御し、ターンオフ状態であるように第９のスイッチ・トランジスタＱ９を制御し、放電するように第２のキャパシタＣ２を制御する。放電電流は第１のインダクタ・ユニットＬ１と第１の負荷Ｒ１を通って連続的に流れる。
【００９６】
ステップ８０２で、期間Ｔ２において、絶えず導電するように第１０のスイッチ・トランジスタＱ１０を制御し、オン／オフ状態であるように第９のスイッチ・トランジスタＱ９を制御し、絶えず導電するように第１１のスイッチ・トランジスタＱ１１を制御し、放電するように第１のキャパシタＣ１を制御する。放電電流は第１のインダクタ・ユニットＬ１と第１の負荷Ｒ１を通って連続的に流れる。
【００９７】
ステップ８０３で、期間Ｔ３において、絶えず導電するように第１１のスイッチ・トランジスタＱ１１を制御し、オン／オフ状態であるように第１０のスイッチ・トランジスタＱ１０を制御し、ターンオフ状態であるように第９のスイッチ・トランジスタＱ９を制御し、放電するように第２のキャパシタＣ２を制御する。放電電流は第１のインダクタ・ユニットＬ１と第１の負荷Ｒ１を通って連続的に流れる。
【００９８】
ステップ８０４で、第３のスイッチング回路３を第３のスイッチング回路３の第２の端点から第１の端点への順方向導電に切り替えるように制御する。
【００９９】
ステップ８０５で、期間Ｔ４において、絶えず導電するように第１２のスイッチ・トランジスタＱ１２を制御し、オン／オフ状態であるように第１３のスイッチ・トランジスタＱ１３を制御し、ターンオフ状態であるように第１４のスイッチ・トランジスタＱ１４を制御し、放電するように第３のキャパシタＣ３を制御する。放電電流は第１のインダクタ・ユニットＬ１と第１の負荷Ｒ１を通って連続的に流れる。
【０１００】
ステップ８０６で、期間Ｔ５において、絶えず導電するように第１３のスイッチ・トランジスタＱ１３を制御し、オン／オフ状態であるように第１４のスイッチ・トランジスタＱ１４を制御し、絶えず導電するように第１２のスイッチ・トランジスタＱ１２を制御し、放電するように第４のキャパシタＣ４を制御する。放電電流は第１のインダクタ・ユニットＬ１と第１の負荷Ｒ１を通って連続的に流れる。
【０１０１】
ステップ８０７で、期間Ｔ６において、絶えず導電するように第１２のスイッチ・トランジスタＱ１２を制御し、オン／オフ状態であるように第１３のスイッチ・トランジスタＱ１３を制御し、ターンオフ状態であるように第１４のスイッチ・トランジスタＱ１４を制御し、放電するように第３のキャパシタＣ３を制御する。放電電流は第１のインダクタ・ユニットＬ１と第１の負荷Ｒ１を通って連続的に流れる。
【０１０２】
ステップ８０８で、第３のスイッチング回路３を当該第３のスイッチング回路３の第１の端点から第２の端点への逆方向導電に切り替えるように制御する。
【０１０３】
図９に示すように、本実施形態では、２つの異なる種類の電圧、即ち正のＢＵＳ電圧および負のＢＵＳ電圧ならびに正のＶｉｎ電圧および負のＶｉｎ電圧（Ｂｏｏｓｔ出力電圧＋ＢＵＳおよび−ＢＵＳおよびＢｕｃｋ出力電圧＋Ｖｉｎおよび−Ｖｉｎ）、ならびに零レベルが形成される。これらがインバータ中点電圧に対して５段階を実現してもよい。図９に示すように、水平軸は時刻ｔを表し、上の図の垂直軸は上述の実施形態における第１の負荷Ｒ１の両端の出力電圧Ｖｏｕｔの波形を表し、下の図の垂直軸はインバータの点ＡおよびＢの間の出力電圧Ｖｍｉｄの波形を表す。出力電圧Ｖｏｕｔの正弦波形は第５のキャパシタＣ５または第１の負荷Ｒ１の何れかの２つの端点の間の電圧を示し、正弦波形は以下のように形成される。即ち、点ＡとＢの間の波形Ｖｍｉｄは第１のインダクタ・ユニットＬ１および第５のキャパシタＣ５によりフィルタされ、次いで高周波数の正方波形をフィルタした後に正弦波形が出力される。
【０１０４】
図９を参照して、以下では、入力電圧の正弦波の正の半周期を１例として用いることにより、当該実施形態における５段階インバータの動作原理を説明する。
【０１０５】
出力電圧中点の電圧には２つのケースがある。即ち、出力された正弦波電圧波形が２つのセグメントに分割される。即ち、出力電圧Ｖｏｕｔは第２のキャパシタＣ２の両端の電圧より小さく、出力電圧Ｖｏｕｔは第２のキャパシタＣ２の両端の電圧より大きい。したがって、２つの動作モードが存在する。動作モード１では、期間Ｔ１およびＴ３において、ステップ８０１および８０３に対応して、出力電圧Ｖｏｕｔは第２のキャパシタＣ２の両端の電圧より小さい。この場合、第１１のスイッチ・トランジスタＱ１１が連続的に導電し、第１０のスイッチ・トランジスタＱ１０がオン／オフ状態で動作し、第１５のスイッチ・トランジスタＱ１５および第１５のダイオードＤ１５がフリーホリーリング経路を形成して、インバータの中点ＡおよびＢの間の出力電圧の＋Ｖｉｎ電圧と零レベルを取得する。動作モード２では、期間Ｔ２において、ステップ８０２に対応して、出力電圧Ｖｏｕｔは第２のキャパシタＣ２の両端の電圧より大きい。この場合、第１０のスイッチ・トランジスタＱ１０が連続的に導電し、第９のスイッチ・トランジスタＱ９はオン／オフ状態で動作し、第１０のスイッチ・トランジスタＱ１０および第１１のダイオードＤ１１がフリーホリーリング経路を形成して、インバータの中点ＡおよびＢの間の出力電圧の＋Ｖｉｎおよび＋ＢＵＳ電圧を取得する。上述のフリーホリーリング経路では、垂直ブリッジ・アームにおいて、即ち、第９のスイッチ・トランジスタＱ９および第１０のスイッチ・トランジスタＱ１０がターンオフ状態にあるときに、フリーホリーリング経路を第１のインダクタ・ユニットＬ１１に提供して、出力インバータ中点に対する零レベルを実現してもよい。
【０１０６】
具体的には、正の半周期において、電圧＋ＢＵＳおよび＋Ｖｉｎを取得する手続きは以下の通りである。期間Ｔ２において、ステップ８０２で第９のスイッチ・トランジスタＱ９および第１０のスイッチ・トランジスタＱ１０が導電すると、エネルギが増幅回路内の第１のキャパシタＣ１から第１のインダクタ・ユニットＬ１へ伝達されて出力される。点ＡおよびＢの間の＋ＢＵＳ電圧は＋２レベルとも呼ばれる。期間Ｔ１およびＴ３において、第９のスイッチ・トランジスタＱ９がステップ８０１および８０３でターンオフされると、第１１のダイオードＤ１１および第１０のスイッチ・トランジスタＱ１０が導電し、エネルギが第２のキャパシタＣ２から第１のインダクタ・ユニットＬ１に伝達されて出力される。点ＡおよびＢの間の＋Ｖｉｎ電圧は＋１レベルとも呼ばれる。上述のフリーホリーリング経路が動作するとき、ステップ８０１および８０３で第９のスイッチ・トランジスタＱ９および第１０のスイッチ・トランジスタＱ１０がターンオフされ、第１５のスイッチ・トランジスタＱ１５および第１５のダイオードＤ１５が導電し、点ＡとＢの間の零レベルが第１のインダクタ・ユニットＬ１で取得され出力される。
【０１０７】
したがって、３つの段階、即ち、＋Ｖｉｎ、＋ＢＵＳ、および零レベルを出力電圧中点で出力することができる。
【０１０８】
同様に、５段階インバータの出力電圧正弦波の負の半周期において、−Ｖｉｎと−ＢＵＳを取得することができる。−Ｖｉｎおよび−ＢＵＳは、−１レベルと−２レベルに対応し、期間Ｔ４ならびに期間Ｔ６および期間Ｔ５に対応する。詳細についてはここでは繰り返さない。
【０１０９】
本実施形態では、直流入力電圧が低いので、スイッチ・トランジスタの内部トランジスタのスイッチング・ロスを、正弦波の下半分のセグメントを構築する際に削減することができる。一方、増幅回路は部分的な電力のみを処理し、伝導損失は少ない。複数のレベルを実装することでスイッチング・ロスを削減することができる。インバータ中点電圧が５段階であるので、出力インバータ誘導を減らすことができ、出力電流調波を改善することができ、出力電圧調波歪みＴＨＤｖを改善することができる。さらに、共通の３段階インバータのように、高速リカバリ・ダイオードが第１５のダイオードＤ１５および第１６のダイオードＤ１６として使用される。さらに効率を改善するためには、ＭＯＳＦＥＴ／ＩＧＢＴを並列に接続し、並列に接続されたスイッチ・トランジスタ要素が反応補償電流経路（ｒｅａｃｔｉｖｅ  ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ  ｃｕｒｒｅｎｔ  ｐａｔｈ）を提供してもよい。一方、適切な制御論理が使用される。当該インバータが出力電流を制限するとき、第１５のスイッチ・トランジスタＱ１５および第１５のダイオードＤ１５、または第１６のスイッチ・トランジスタＱ１６および第１６のダイオードＤ１６を導電して出力電流フリーホリーリング経路を提供する。出力電流フリーホリーリング経路により、スイッチ・トランジスタの電圧ストレスを削減することができる。さらに、電力トランジスタおよびスイッチ・トランジスタが集中的に配置され、要素の利用率の増大が促進され、単一の電力モジュールに統合して電力消費を減らすことが促進される。
【０１１０】
上述の実施形態の各々で提供した５段階電力変換器の制御方法により、整流器とインバータにより形成される回路を制御して５段階動作を実現することができる。当該５段階動作をＵＰＳシステムに適用してもよい。交流電源が割り込まれたとき、逆変換アプローチを用いることによって、ＵＰＳは内部エネルギ蓄電装置に蓄えた電気エネルギを即座に使用して、交流電力を負荷に連続的に供給する。その結果、負荷が正しく動作し続ける。
【０１１１】
上述の制御方法の実施形態に対応して、本発明はさらに、図１乃至４に示す５段階電力変換器を制御するための制御装置を提供する。図１０は、本発明の第１の実施形態に従う５段階電力変換器の制御装置の構造的略図である。図１０に示すように、図１乃至４を参照すると、当該装置の実施形態は５段階電力変換器を制御するための装置に固有である。当該装置は、第１のキャパシタＣ１の第２の端点、第２のキャパシタＣ２の第２の端点、第３のキャパシタＣ３の第２の端点、および第４のキャパシタＣ４の第２の端点に電流を入力するように整流器制御回路を制御するように構成された整流器制御モジュール１００１であって、第１のキャパシタＣ１の第２の端点および第２のキャパシタＣ２の第２の端点に蓄積された電荷の極性は同じであり、第１のキャパシタＣ１の第２の端点に蓄積された電気量は第２のキャパシタＣ２の第２の端点に蓄積された電気量より大きく、第３のキャパシタＣ３の第２の端点および第４のキャパシタＣ４の第２の端点に蓄積された電荷の極性は同じであり、第４のキャパシタＣ４の第２の端点に蓄積された電気量は第３のキャパシタＣ３の第２の端点に蓄積された電気量より大きく、第１のキャパシタＣ１と第２のキャパシタＣ２の第２の端点に蓄積された電荷の極性は第３のキャパシタＣ３と第４のキャパシタＣ４の第２の端点に蓄積された電荷の極性と反対である整流器制御モジュール１００１と、当該整流器の第２のキャパシタＣ２の第２の端点、第１のキャパシタＣ１の第２の端点、第３のキャパシタＣ３の第２の端点、および第４のキャパシタＣ４の第２の端点から連続的に放電するように放電制御回路を制御するように構成されたインバータ制御モジュール１００２であって、放電電流は直列に接続された第１のインダクタ・ユニットＬ１と第１の負荷Ｒ１を通って流れ、第１のキャパシタＣ１、第２のキャパシタＣ２、第３のキャパシタＣ３、および第４のキャパシタＣ４の何れかの充電と放電が交互に行われるインバータ制御モジュール１００２と、を備える。
【０１１２】
本発明の第１の実施形態で提供した５段階電力変換器の制御装置は、第１のキャパシタＣ１および第２のキャパシタＣ２のエネルギ蓄電と放電または第３のキャパシタＣ３および第４のキャパシタＣ４のエネルギ蓄電と放電を、整流器制御モジュール１００１およびインバータ制御モジュール１００２を用いることにより実現し、それにより５段階出力と入力電力要素補正ＰＦＣ機能を実現する。
【０１１３】
本発明の当該実施形態で提供する５段階電力変換器の制御装置では、当該整流器制御モジュールが複数の構成形を有してもよい。例えば、当該モジュールが図１１に示す形を使用してもよい。図１１は、本発明の第２の実施形態に従う５段階電力変換器の制御装置の構造的略図である。当該第２の実施形態における整流器制御モジュールは、図１に示す整流器制御回路に対応する。図１１に示すように、図１を参照すると、当該整流器制御モジュールは、外部入力電源により提供されたエネルギ蓄電電流の流れを第２のインダクタ・ユニットＬ２の第１の端点から第２の端点へと切り替えて第２のインダクタ・ユニットＬ２に対するエネルギを蓄えるように第１のスイッチング回路１を制御するように構成された第１の整流器制御ユニット１１０１と、第１のキャパシタＣ１の第２の端点に蓄積された電気量が第２のキャパシタＣ２の第２の端点に蓄積された電気量より大きいように、第１のスイッチング回路１をターンオフして、第２のインダクタ・ユニットＬ２が第１のキャパシタＣ１および第２のキャパシタＣ２を充電し、第２のキャパシタＣ２の第２の端点と第２のインダクタ・ユニットＬ２の第２の端点の間の直列に接続された第３のスイッチ・トランジスタＱ３のデューティ・サイクルを制御するように構成された第２の整流器制御ユニット１１０２と、当該外部入力電源により提供された当該エネルギ蓄電電流の流れを第２のインダクタ・ユニットＬ２の第２の端点から第１の端点へと切り替えて第２のインダクタ・ユニットＬ２に対するエネルギを蓄えるように第１のスイッチング回路１を制御するように構成された第３の整流器制御ユニット１１０３と、第４のキャパシタＣ４の第２の端点に蓄積された電気量が第３のキャパシタＣ３の第２の端点に蓄積された電気量より大きいように、第１のスイッチング回路１をターンオフして、第２のインダクタ・ユニットＬ２が第３のキャパシタＣ３および第４のキャパシタＣ４を充電して、第３のキャパシタＣ３の第２の端点と第２のインダクタ・ユニットＬ２の第２の端点の間で直列に接続された第４のスイッチ・トランジスタＱ４のデューティ・サイクルを制御できるように構成された第４の整流器制御ユニット１１０４と、を備える。
【０１１４】
本実施形態では、第１のスイッチング回路１の切替えにより、外部入力電源により提供されたエネルギ蓄電電流の流れを第２のインダクタ・ユニットＬ２の第１の端点から第２のインダクタ・ユニットＬ２の第２の端点に切り替え、または、第２のインダクタ・ユニットＬ２の第２の端点から第１の端点に切り替えて、第２のインダクタ・ユニットＬ２に対するエネルギ貯蔵を実現し、次に、第１のスイッチング回路１をターンオフして第１のキャパシタＣ１および第２のキャパシタＣ２に対する充電または第３のキャパシタＣ３および第４のキャパシタＣ４に対する充電を実現する。
【０１１５】
図１２は、本発明の第３の実施形態に従う５段階電力変換器の制御装置の構造的略図である。当該第３の実施形態における整流器制御モジュールは、図４に示した整流器制御回路に対応する。図１２に示すように、図４を参照すると、当該整流器制御モジュールは、外部入力電源により提供されたエネルギ蓄電電流の流れを第３のインダクタ・ユニットＬ３の第１の端点から第２の端点へと切り替えて第３のインダクタ・ユニットＬ３に対するエネルギを蓄えるように第２のスイッチング回路２を制御するように構成された第５の整流器制御ユニット１２０１と、第１のキャパシタＣ１の第２の端点に蓄積された電気量が第２のキャパシタＣ２の第２の端点に蓄積された電気量より大きいように、第２のスイッチング回路２をターンオフして、第２のインダクタ・ユニットＬ２が第１のキャパシタＣ１および第２のキャパシタＣ２を充電し、第２のキャパシタＣ２の第２の端点および第３のインダクタ・ユニットＬ３の第２の端点の間の直列に接続された第５のスイッチ・トランジスタＱ５のデューティ・サイクルを制御できるように構成された第６の整流器制御ユニット１２０２と、当該外部入力電源により提供された当該エネルギ蓄電電流の流れを第４のインダクタ・ユニットＬ４の第２の端点から第１の端点へと切り替えるように第２のスイッチング回路２を制御するように構成された第７の整流器制御ユニット１２０３と、第４のキャパシタＣ４の第２の端点に蓄積された電気量が第３のキャパシタＣ３の第２の端点に蓄積された電気量より大きいように、第２のスイッチング回路２をターンオフして、第２のインダクタ・ユニットＬ２が第３のキャパシタＣ３および第４のキャパシタＣ４を充電し、第３のキャパシタＣ３の第２の端点と第３のインダクタ・ユニットＬ３の第２の端点の間の直列に接続された第６のスイッチ・トランジスタＱ６のデューティ・サイクルを制御するように構成された第８の整流器制御ユニット１２０４と、を備える。
【０１１６】
本実施形態では、第２のスイッチング回路２の切替えにより、当該外部入力電源により提供された当該エネルギ蓄電電流の流れを第３のインダクタ・ユニットＬ３の第１の端点から第２の端点へと切り替えて、第３のインダクタ・ユニットＬ３に対するエネルギ貯蔵を実現し、または、第４のインダクタ・ユニットＬ４の第２の端点から第１の端点へと切り替えて、第４のインダクタ・ユニットＬ４に対するエネルギ貯蔵を実現する。次に、第２のスイッチング回路２をターンオフして、第１のキャパシタＣ１および第２のキャパシタＣ２に対する充電または第３のキャパシタＣ３および第４のキャパシタＣ４に対する充電を実現する。
【０１１７】
図１３は、本発明の第４の実施形態に従う５段階電力変換器の制御装置の構造的略図である。当該第４の実施形態におけるインバータ制御モジュールは、図１乃至４に示すインバータ制御回路に対応し、以下の各ユニットは図９に示す各期間の電圧を出力する。図９および１３に示すように、図１乃至４を参照すると、上述の装置の実施形態の各々におけるインバータ制御モジュールは、期間Ｔ１に対応する出力電圧で、絶えず導電するように第１１のスイッチ・トランジスタＱ１１を制御し、オン／オフ状態であるように第１０のスイッチ・トランジスタＱ１０を制御し、ターンオフ状態であるように第９のスイッチ・トランジスタＱ９を制御し、放電するように第２のキャパシタＣ２を制御するように構成された第１のインバータ制御ユニット１３０１であって、放電電流は第１のインダクタ・ユニットＬ１と第１の負荷Ｒ１を通って連続的に流れる第１のインバータ制御ユニット１３０１と、期間Ｔ２に対応する出力電圧で、絶えず導電するように第１０のスイッチ・トランジスタＱ１０を制御し、オン／オフ状態であるように第９のスイッチ・トランジスタＱ９を制御し、絶えず導電するように第１１のスイッチ・トランジスタＱ１１を制御し、放電するように第１のキャパシタＣ１を制御するように構成された第２のインバータ制御ユニット１３０２であって、放電電流は第１のインダクタ・ユニットＬ１と第１の負荷Ｒ１を通って連続的に流れる第２のインバータ制御ユニット１３０２と、期間Ｔ３に対応する出力電圧で、絶えず導電するように第１１のスイッチ・トランジスタＱ１１を制御し、オン／オフ状態であるように第１０のスイッチ・トランジスタＱ１０を制御し、ターンオフ状態であるように第９のスイッチ・トランジスタＱ９を制御し、放電するように第２のキャパシタＣ２を制御するように構成された第３のインバータ制御ユニット１３０３であって、放電電流は第１のインダクタ・ユニットＬ１と第１の負荷Ｒ１を通って連続的に流れる第３のインバータ制御ユニット１３０３と、第３のスイッチング回路を第３のスイッチング回路３の第２の端点から第１の端点への順方向導電に切り替えるように制御するように構成された第４のインバータ制御ユニット１３０４と、期間Ｔ４に対応する出力電圧で、絶えず導電するように第１２のスイッチ・トランジスタＱ１２を制御し、オン／オフ状態であるように第１３のスイッチ・トランジスタＱ１３を制御し、ターンオフ状態であるように第１４のスイッチ・トランジスタＱ１４を制御し、放電するように第３のキャパシタＣ３を制御するように構成された第５のインバータ制御ユニット１３０５であって、放電電流は第１のインダクタ・ユニットＬ１と第１の負荷Ｒ１を通って連続的に流れる第５のインバータ制御ユニット１３０５と、期間Ｔ５に対応する出力電圧で、絶えず導電するように第１３のスイッチ・トランジスタＱ１３を制御し、オン／オフ状態であるように第１４のスイッチ・トランジスタＱ１４を制御し、絶えず導電するように第１２のスイッチ・トランジスタＱ１２を制御し、放電するように第４のキャパシタＣ４を制御するように構成された第６のインバータ制御ユニット１３０６であって、放電電流は第１のインダクタ・ユニットＬ１と第１の負荷Ｒ１を通って連続的に流れる第６のインバータ制御ユニット１３０６と、期間Ｔ６に対応する出力電圧で、絶えず導電するように第１２のスイッチ・トランジスタＱ１２を制御し、オン／オフ状態であるように第１３のスイッチ・トランジスタＱ１３を制御し、ターンオフ状態であるように第１４のスイッチ・トランジスタＱ１４を制御し、放電するように第３のキャパシタＣ３を制御するように構成された第７のインバータ制御ユニット１３０７であって、放電電流は第１のインダクタ・ユニットＬ１と第１の負荷Ｒ１を通って連続的に流れる第７のインバータ制御ユニット１３０７と、逆方向導電を第３のスイッチング回路３の第１の端点から第２の端点に切り替えるように第３のスイッチング回路３を制御するように構成された第８のインバータ制御ユニット１３０８と、を備える。
【０１１８】
上述の実施形態の各々における５段階電力変換器の制御装置では、回路は整流器制御モジュールとインバータ制御モジュールにより形成される。当該整流器制御モジュールは、入力交流を直流に変換し電力要素補正ＰＦＣ機能を実装するように回路を制御し、当該インバータ制御モジュールは、交流出力電圧への整流後に直流電圧を変換するように回路を制御し、それにより回路出力の５段階を実現する。
【０１１９】
上述の装置の実施形態で提供した回路の制御装置を、マイクロ制御ユニット（Ｍｉｃｒｏ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ、ＭＣＵ）、デジタル信号処理（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ、ＤＳＰ）、または複雑プログラム可能論理装置（Ｃｏｍｐｌｅｘ  Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｌｏｇｉｃ  Ｄｅｖｉｃｅ、ＣＰＬＤ）のようなデジタル信号処理チップを用いて実装してもよい。
【０１２０】
まとめると、本発明の諸実施形態で提供した技術的解決策により、電力変換器に基づいて支流を追加することにより整流器とインバータが５段階で動作することができる。具体的には、当該５段階インバータと整流器をカスケードして高性能なオンラインＵＰＳシステムを形成する。当該ＵＰＳには、低電力トランジスタの接続損失、低スイッチング・ロス、低い逆インダクタンスまたは整流インダクタンス、良好な入出力の総調波歪みＴＨＤのような、５段階インバータと整流器の利点がある。本発明の諸実施形態の回路トポロジは、単相ＵＰＳ、３相ＵＰＳ、および中立線を有するかまたは有さない３相システムを柔軟に形成することができる。入力切替を用いることにより、交流主電源モードでインタリーブ並列を実現することができ、バッテリ・モードでインタリーブ並列を容易に実現することができる。さらに、全体の回路は単純な構造であり信頼性高く実行される。
【０１２１】
最後に、以上の実施形態は本発明の技術的解決策を説明するためのものにすぎず、本発明を限定するものではないことに留意されたい。以上の実施形態を参照して本発明を詳細に説明したが、本発明の諸実施形態の技術的解決策の思想と範囲から逸脱することなく、上述の実施形態で説明した技術的解決策に修正を加えてもよく、または、上述の実施形態の技術的解決策の一部または全部に均等な置換えを加えてもよいことは当業者には理解される。
【符号の説明】
【０１２２】
１００１  整流器制御モジュール
１００２  インバータ制御モジュール
１１０１  第１の整流器制御ユニット
１１０２  第２の整流器制御ユニット
１１０３  第３の整流器制御ユニット
１１０４  第４の整流器制御ユニット
１２０１  第５の整流器制御ユニット
１２０２  第６の整流器制御ユニット
１２０３  第７の整流器制御ユニット
１２０４  第８の整流器制御ユニット
１３０１  第１のインバータ制御ユニット
１３０２  第２のインバータ制御ユニット
１３０３  第３のインバータ制御ユニット
１３０４  第４のインバータ制御ユニット
１３０５  第５のインバータ制御ユニット
１３０６  第６のインバータ制御ユニット
１３０７  第７のインバータ制御ユニット
１３０８  第８のインバータ制御ユニット
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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