(57)【要約】  本発明は、一次回路と二次回路を含み、これらの回路が変圧器（Ｔ）を用いて電気的に分離され、前記一次回路は、一次巻線（Ｎp）をインバータ回路の入力側に印加される直流電圧の電圧源（ＵIn）にクロック制御下で接続させるための手段を含み、さらに前記二次回路は、二次巻線（ＮS）をインバータ回路の出力側に印加される交流電圧の電圧源（ＵNetz）に接続させるための手段を含んでいるインバータ回路に関している。ここでは前記一次回路が第１のチョークコイル（Ｌp）によって直流電圧源（ＵIn）に接続され、第１のコンデンサ（Ｃｓ）と直列に接続されている前記二次巻線（Ｎs）は、４つのスイッチング素子（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４）からなるフルブリッジと第２のチョークコイル（ＬS）を介して交流電圧源（ＵNetz）に接続される。
2009539337.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一次回路と二次回路を含み、これらの回路が変圧器（Ｔ）を用いて電気的に分離されており、
前記一次回路は、一次巻線（Ｎp）をインバータ回路の入力側に印加される直流電圧の電圧源（ＵIn）にクロック制御下で接続させるための手段を含み、
さらに前記二次回路は、二次巻線（Ｎs）をインバータ回路の出力側に印加される交流電圧の電圧源（ＵNetz）に接続させるための手段を含んでいるインバータ回路において、
前記一次回路が第１のチョークコイル（Ｌp）によって直流電圧源（ＵIn）に接続され、第１のコンデンサ（Ｃｓ）と直列に接続されている前記二次巻線（Ｎs）は、４つのスイッチング素子（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４）からなるフルブリッジと第２のチョークコイル（ＬS）を介して交流電圧源（ＵNetz）に接続されていることを特徴とするインバータ回路。
【請求項２】
前記フルブリッジは次のように配設される、すなわち前記二次巻線（Ｎs）の第１の巻線端子が第１のスイッチング素子（Ｓ１）を介して第２のチョークコイル（Ｌs）の第１の端子と接続され、かつ第４のスイッチング素子（Ｓ４）を介して交流電圧源（ＵNetz）の基準電位に接続され、さらに第１のコンデンサ（Ｃs）と直列に接続されている前記二次巻線（Ｎs）の第２の巻線端子が第２のスイッチング素子（Ｓ２）を介して第２のチョークコイル（Ｌs）の第１の端子に接続され、かつ第３のスイッチング素子（Ｓ３）を介して交流電圧源（ＵNetz）の基準電位に接続されるように配設される、請求項１記載のインバータ回路。
【請求項３】
前記一次回路が第５のスイッチング素子（Ｓ５）と第２のコンデンサ（Ｃp）を含んでおり、前記第２のコンデンサ（Ｃp）は第１のチョークコイル（Ｌp）と共Ｃｕｋコンバータの一次側回路段として配設されている、請求項１または２記載のインバータ回路。
【請求項４】
前記一次回路は分割された一次巻線（Ｎp）並びに第５及び第６のスイッチング素子（Ｓ５，Ｓ６）を含んでおり、前記第５及び第６のスイッチング素子（Ｓ５，Ｓ６）は、第１のチョークコイル（Ｌp）と共にプッシュプルコンバータの一次側回路段として配設されている、請求項１または２記載のインバータ回路。
【請求項５】
前記一次巻線（Ｎp）と二次巻線（Ｎs）と第１のチョークコイル（Ｌp）の巻線は変圧器コアに配設されている、請求項１から４いずれか１項記載のインバータ回路。
【請求項６】
前記スイッチング素子（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６，Ｓ７，Ｓ８）はＮチャネル分離層を備えた絶縁ゲート電界効果トランジスタとして構成されている、請求項１から５いずれか１項記載のインバータ回路。
【請求項７】
前記スイッチング素子（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６，Ｓ７，Ｓ８）は、それらに対して並行に配設されたダイオードを備えている絶縁ゲートバイポーラトランジスタとして構成されている、請求項１から５いずれか１項記載のインバータ回路。
【請求項８】
前記スイッチング素子（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６，Ｓ７，Ｓ８）の制御のための制御ユニットが設けられており、該制御ユニットは、測定装置を介して直流電圧源（ＵIN）と交流電圧源（ＵNetz）に接続され、さらに前記スイッチング素子（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６，Ｓ７，Ｓ８）に接続されている、請求項１から７いずれか１項記載のインバータ回路。
【請求項９】
請求項２から８いずれか１項記載のインバータ回路の作動方法において、
正の交流電圧半波期間中に第１のスイッチング素子（Ｓ１）をスイッチオフすると共に第２及び第４のスイッチング素子（Ｓ２，Ｓ４）をスイッチオンし、さらに第３のスイッチング素子（Ｓ３）は一次回路のクロックとは逆にクロック制御し、それに対して負の交流電圧半波周期期間中は第４のスイッチング素子（Ｓ４）をスイッチオフすると共に第１及び第３のスイッチング素子（Ｓ１，Ｓ３）をスイッチオンし、さらに第２のスイッチング素子（Ｓ２）は一次回路のクロックとは逆にクロック制御するようにしたことを特徴とする方法。
【請求項１０】
正の交流電圧半波と負の出力電流の場合おいて、変圧器の各充電サイクルが第３のスイッチング素子（Ｓ３）のスイッチオンで開始されるように第３のスイッチング素子（Ｓ３）がパルス幅変調されてクロック制御され、さらに負の交流電圧半波と正の出力電流の場合において、変圧器の各充電サイクルが第２のスイッチング素子のスイッチオンで開始されるように第２のスイッチング素子（Ｓ２）がクロック制御される、請求項９記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一次回路と二次回路を含み、これらの回路が変圧器を用いてガルバニックに分離されており、前記一次回路は、一次巻線をインバータ回路の入力側に印加される直流電圧の電圧源にクロック制御下で接続させるための手段を含み、さらに前記二次回路は、二次巻線をインバータ回路の出力側に印加される交流電圧の電圧源に接続させるための手段を含んでいるインバータ回路に関する。また本発明は、そのようなインバータ回路の作動方法にも関している。
【背景技術】
【０００２】
従来技法によれば、様々な適用の可能性を備えた多くのインバータ回路が公知である。この場合電子的なコンバータには様々な基本タイプのもの、例えばブーストコンバータ、バックコンバータ、バックブーストコンバータ及びそれらの組み合わせによるものなどが使用されている。そのうちの一例としてここでは２００２年１０月１７日付けの定期刊行物ＥＤＮの"Slave converters power auxiliary outoputs; （Sanjaya Mniktala著）"に述べられている様々な基本タイプのインバータの組み合わせを挙げておく。
【０００３】
異なるインバータ回路とそれらの電子制御部は、例えば"US-Z.:C.M.Penalver, u.a. Microprcessor Control of DC/AC Satic Converers; IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. IE-32, No.3, August 1985, S186-191"からも公知である。
【０００４】
そのようなインバータ回路は例えば太陽光発電システムにおいて、太陽電池により生成された直流電流を商用交流電源網ないし配電網に給電可能なように変換するのに用いられている。特に太陽光発電システムではそのような交流電力源の効率的な利用を可能にさせるためにも高い効率のインバータ回路が求められている。さらに電源網ユーザーや管轄局によって設定される様々な条件、例えば正弦波状電流の給電、または太陽電池（光起電力セル）と電力系統の間の電気的な絶縁などを充たす必要性もある。
【０００５】
刊行物"Heinz van der Broeck, ,, Interactive Inverter for Photovoltaic Aplications,, Institut fuer Automatisierungstechnik, Fachhochschule Koeln, Koeln (2006)"には、太陽光発電システムに用いるための様々なインバータ回路が開示されている。しかしながらそれらの配列構成においては特に電子スイッチに必要とされる多数の構成部材がネックとなっている。なぜならそれに伴ってスイッチングロスや部材コストもより高くなるからである。
【０００６】
発明の概要
発明が解決しようとする課題
本発明の課題は、冒頭にのべたような形式のインバータ回路においてさらなる改善を施すことである。
【０００７】
課題を解決するための手段
前記課題は本発明により、
一次回路と二次回路を含み、これらの回路が変圧器を用いて電気的に分離されており、
前記一次回路は、一次巻線をインバータ回路の入力側に印加される直流電圧の電圧源にクロック制御下で接続させるための手段を含み、
さらに前記二次回路は、二次巻線をインバータ回路の出力側に印加される交流電圧の電圧源に接続させるための手段を含んでいるインバータ回路において、
前記一次回路が第１のチョークコイルによって直流電圧源に接続され、第１のコンデンサと直列に接続されている前記二次巻線は、４つのスイッチング素子からなるフルブリッジと第２のチョークコイルを介して交流電圧源に接続されることによって解決される。
【０００８】
本発明の有利な実施例によれば、前記フルブリッジは次のように配設される。すなわち前記二次巻線の第１の巻線端子が第１のスイッチング素子を介して第２のチョークコイルの第１の端子と接続され、かつ第４のスイッチング素子を介して交流電圧源の基準電位に接続され、さらに第１のコンデンサと直列に接続されている前記二次巻線の第２の巻線端子が第２のスイッチング素子を介して第２のチョークコイルの第１の端子に接続され、かつ第３のスイッチング素子を介して交流電圧源の基準電位に接続されるように配設される。
【０００９】
前記一次回路が第５のスイッチング素子と第２のコンデンサを含んでおり、前記第２のコンデンサは第１のチョークコイルと共Ｃｕｋコンバータの一次側回路段として配設されている。これにより一次側では１つのスイッチング素子しか必要なくなる。それによりクロック制御されるスイッチの簡単な制御が利用できる。さらに変圧器の消磁も制御信号時間の許容誤差に依存することがなく、直流電流による飽和の危険性も取り除かれる。その上さらに従来技法によるインバータ回路部品の配列構成よりも少ない部品数によってインバータのサイズダウンが達成される。
【００１０】
本発明の別の有利な実施例によれば、前記一次回路は分割された一次巻線並びに第５及び第６のスイッチング素子を含んでおり、前記第５及び第６のスイッチング素子は、第１のチョークコイルと共にプッシュプルコンバータの一次側回路段として配設されている。この配置構成では一次側にコンデンサは必要ない。またここでは変圧器の磁界における放電のための特別の巻線を必要としない。なぜなら変圧器の磁界は両方向で使用されるからである。
【００１１】
さらに有利には、前記一次巻線と二次巻線と第１のチョークコイルの巻線は変圧器コアに配設される。これによりコンパクトな回路構造が達成され、これは一方ではコストの削減につながり、他方では当該インバータ回路のサイズダウンに結びつく。
【００１２】
本発明の有利な実施例によれば、前記スイッチング素子はＮチャネル分離層を備えた絶縁ゲート電界効果トランジスタとして構成されている。これらの電子的スイッチング素子の寄生ダイオードは所要のスイッチング過程を低減させる。なぜならそれらの寄生ダイオードが二次側でスイッチング状態に依存することなく整流素子として機能するからである。
【００１３】
別の有利な実施例によれば、前記スイッチング素子は、並行に配設されたダイオードを備えている絶縁ゲートバイポーラトランジスタとして構成される。これらのスイッチング素子はスイッチオンされた状態において著しく僅かな電圧降下しか持たず、そのため僅かな損失しか伴わない。
【００１４】
有利には、前記スイッチング素子の制御のための制御ユニットが設けられ、該制御ユニットは、測定装置を介して直流電圧源と交流電圧源に接続され、さらに前記スイッチング素子に接続される。それによりインバータ回路の簡単な制御が実現可能となる。
【００１５】
本発明のインバータ回路の作動方法によれば、正の交流電圧半波期間中に第１のスイッチング素子がスイッチオフされると共に第２及び第４のスイッチング素子がスイッチオンされ、さらに第３のスイッチング素子は一次回路のクロックとは逆にクロック制御され、それに対して負の交流電圧半波周期期間中は第４のスイッチング素子がスイッチオフされると共に第１及び第３のスイッチング素子がスイッチオンされ、さらに第２のスイッチング素子は一次回路のクロックとは逆にクロック制御される。これにより本発明によるインバータ回路の全ての構造的利点が有効利用される。この方法は簡単な方式によって１つの制御ユニット内で実行されてもよい。
【００１６】
本発明の有利な方法によれば、正の交流電圧半波と負の出力電流の場合おいて、変圧器の各充電サイクルが第３のスイッチング素子のスイッチオンで開始されるように第３のスイッチング素子がパルス幅変調されてクロック制御され、さらに負の交流電圧半波と正の出力電流の場合において、変圧器の各充電サイクルが第２のスイッチング素子のスイッチオンで開始されるように第２のスイッチング素子がクロック制御される。それにより電源網ないし配電網からのエネルギーが本来の一次側に対して伝送されるようになる。別の側ではこの方法が一次側の無効電力受け入れを可能にし、さらにアイランド（孤立）形交流電圧電源網へのインバータ回路の使用を可能にさせている。
【００１７】
以下の明細書では本発明の実施例を概略的な図面に基づいて詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】Ｃｕｋ一次側回路段と一般的なスイッチング素子を備えたインバータ回路を示した図
【図２】Ｃｕｋ一次側回路段とＮチャネル絶縁ゲート形電界効果トランジスタ（デプレッション形電界効果トランジスタ）を備えたインバータ回路を示した図
【図３】正の半波期間におけるスイッチオンフェーズ中の電流通流を伴う図１によるインバータ回路を示した図
【図４】正の半波期間におけるスイッチオフフェーズ中の電流通流を伴う図１によるインバータ回路を示した図
【図５】負の半波期間におけるスイッチオンフェーズ中の電流通流を伴う図１によるインバータ回路を示した図
【図６】負の半波期間におけるスイッチオフフェーズ中の電流通流を伴う図１によるインバータ回路を示した図
【図７】正の半波期間におけるスイッチオンフェーズ中の逆流給電時の電流通流を伴う図１によるインバータ回路を示した図
【図８】正の半波期間におけるスイッチオフフェーズ中の逆流給電時の電流通流を伴う図１によるインバータ回路を示した図
【図９】負の半波期間におけるスイッチオンフェーズ中の逆流給電時の電流通流を伴う図１によるインバータ回路を示した図
【図１０】負の半波期間におけるスイッチオフフェーズ中の逆流給電時の電流通流を伴う図１によるインバータ回路を示した図
【図１１】交流電圧網へのエネルギー通流の際の電圧と制御信号の時間経過特性を表した図
【図１２】交流電圧網からの逆流給電時の電圧と制御信号の時間経過特性を表した図
【図１３】アイランド作動モード中の誘導負荷による無効電力吸収の際の電源網電圧、電源網電流及び制御信号の時間経過特性を表した図
【図１４】アイランド作動モード中の容量負荷による無効電力吸収の際の電源網電圧、電源網電流及び制御信号の時間経過特性を表した図
【図１５】電気的に絶縁されたプッシュプル一次側回路段と一般的なスイッチング素子を備えたインバータ回路を表した図
【図１６】電気的に絶縁されたプッシュプル一次側回路段とＮチャネルデプレッション形ＭＯＳＦＥＴを備えたインバータ回路を表した図
【図１７】正の半波期間におけるスイッチオンフェーズ中の電流通流を伴う図１５によるインバータ回路を表した図
【図１８】正の半波期間におけるスイッチオフフェーズ中の電流通流を伴う図１５によるインバータ回路を表した図
【図１９】負の半波期間におけるスイッチオンフェーズ中の電流通流を伴う図１５によるインバータ回路を表した図
【図２０】負の半波期間におけるスイッチオフフェーズ中の電流通流を伴う図１５によるインバータ回路を表した図
【図２１】正の半波期間におけるスイッチオンフェーズ中の逆流給電時の電流通流を伴う図１５によるインバータ回路を表した図
【図２２】正の半波期間におけるスイッチオフフェーズ中の逆流給電時の電流通流を伴う図１５によるインバータ回路を表した図
【図２３】負の半波期間におけるスイッチオンフェーズ中の逆流給電時の電流通流を伴う図１５によるインバータ回路を表した図
【図２４】負の半波期間におけるスイッチオフフェーズ中の逆流給電時の電流通流を伴う図１５によるインバータ回路を表した図
【図２５】電気的に分離されたフルブリッジ一次側回路段と一般的スイッチング素子を備えたインバータ回路を表した図
【図２６】電気的に分離されたフルブリッジ一次側回路段とＮチャネルデプレッション形ＭＯＳＦＥＴを備えたインバータ回路を表した図
【図２７】正の半波期間におけるスイッチオンフェーズ中の電流通流を伴う図２５によるインバータ回路を表した図
【図２８】正の半波期間におけるスイッチオフフェーズ中の電流通流を伴う図２５によるインバータ回路を表した図
【図２９】負の半波期間におけるスイッチオンフェーズ中の電流通流を伴う図２５によるインバータ回路を表した図
【図３０】負の半波期間におけるスイッチオフフェーズ中の電流通流を伴う図２５によるインバータ回路を表した図
【図３１】正の半波期間におけるスイッチオンフェーズ中の逆流給電時の電流通流を伴う図２５によるインバータ回路を表した図
【図３２】正の半波期間におけるスイッチオフフェーズ中の逆流給電時の電流通流を伴う図２５によるインバータ回路を表した図
【図３３】負の半波期間におけるスイッチオンフェーズ中の逆流給電時の電流通流を伴う図２５によるインバータ回路を表した図
【図３４】負の半波期間におけるスイッチオフフェーズ中の逆流給電時の電流通流を伴う図２５によるインバータ回路を表した図
【図３５】電気的に分離されたハーフブリッジ一次側回路段と一般的スイッチング素子を備えたインバータ回路を表した図
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図１には変圧器ＴＣｕｋコンバータの一次側回路段とフルブリッジとして形成された二次側回路段が示されている。この二次側回路段には４つのスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４を含んでおり、それらはフルブリッジとして相互接続されている。このフルブリッジは、第１のコンデンサＣsと直列に接続された変圧器Ｔに配設されている二次巻線Ｎsを第２のチョークコイルＬsと出力側コンデンサＣoを介して交流電圧源ＵNetzに接続している。
【００２０】
一次側回路段は変圧器Ｔに配設された一次巻線Ｎpを含んでおり、この一次巻線Ｎpは、第２のコンデンサＣpと第１のチョークコイルＬpに直列に接続され、入力側コンデンサＣiを介して直流電圧源ＵInに接続されている。前記一次巻線Ｎpと第２のコンデンサＣpからなる直列回路に並列に第５のスイッチング素子Ｓ５が配設されている。
【００２１】
この場合前記一次巻線Ｎpと二次巻線Ｎsは同じ巻回方向で変圧器Ｔに設けられている。但しここでは３つの脚部を有する変圧器コアが用いられてもよい。その場合には一次巻線Ｎpと二次巻線Ｎsは外側脚部に配設され、第１のチョークコイルＬpの巻線は内側脚部に配設される。
【００２２】
図２に示されている回路装置は次の点を除いて図１に示されている回路装置の各々に相応している。すなわちスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４及びＳ５がＮチャネルデプレッション形ＭＯＳＦＥＴとして構成されている点である。一次側回路段には、寄生ダイオードを備えたＭＯＳＦＥＴとして構成された第５のスイッチング素子Ｓ５が次のように配設されている。すなわちそのソース端子が直流電圧源ＵInの負極に接続され、ドレイン端子が第１のチョークコイルＬpを介して直流電圧源ＵInの正極に接続されるように配設されている。
【００２３】
二次側ではＭＯＳＦＥＴとして構成されたフルブリッジのスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４が次のように配設されている。すなわち、二次巻線Ｎpの巻線始端が、第１のブリッジ半部の第１及び第４のスイッチング素子Ｓ１，Ｓ４のソース端子に接続され、二次巻線Ｎpの巻線後端が第１のコンデンサＣsを介して第２のブリッジ半部の第２及び第３のスイッチング素子Ｓ２，Ｓ３のドレイン端子に接続されるように配設されている。この回路接続構成においてはＭＯＳＦＥＴの寄生ダイオードは所望の通流方向にのみ導通する。その際には電流が１つのスイッチング周期の所定のフェーズにおいてターンオフされた所定のＭＯＳＦＥＴにも流れる。つまりこの所定のＭＯＳＦＥＴは当該スイッチング周期フェーズ中は所望の電流通流を可能にするために余分にスイッチオンされなくてもよい。なぜなら電流は寄生ダイオードを通って流れるからである。しかしながら有利には寄生ダイオードに対するスイッチオンされたＭＯＳＦＥＴスイッチの電圧降下の低減に基づいて、ＭＯＳＦＥＴとして形成されたスイッチング素子は常に所望の電流通流に応じて切り替えられる。
【００２４】
それに対しては代替的に、並列接続された高速ダイオードを備えたＩＧＢＴが使用されてもよい。この高速ダイオードは前記ＭＯＳＦＥＴの寄生ダイオードよりも少ないスイッチングロスしか有さず、しかも例えばＩＧＢＴとして形成された第３のスイッチング素子Ｓ３のスイッチング周期を交流電圧源網への給電中に置き換える。ＩＧＢＴとして形成された第２のスイッチング素子Ｓ２も交流電圧電源源への給電中は常に開いたまま維持される（図３及び図４）。その際に電流は並列に接続された高速ダイオード中を流れる。
【００２５】
所望の電流通流と相応のスイッチング状態は図１に示されている回路のための図３から図１０に示されている。
【００２６】
図３〜図６は電源網において導かれた作動モードでの交流電圧電源網への給電の際の電流通流が示されている。その際インバータ回路は交流電圧電源網ＵNetzに同期して、電流源によって生成された電流を交流電圧電源網ＵNetzに供給する。図３には正の電源網半波における第１のスイッチングフェーズが示されている。このフルブリッジの第１のスイッチング素子Ｓ１は、正の電源網半波期間中は常にスイッチオフされる。第２及び第４のスイッチング素子Ｓ２，Ｓ４は正の半波期間中は常にスイッチオンされる。第１の周期は一次側回路段の第５のスイッチング素子のスイッチオンとフルブリッジの第３のスイッチング素子Ｓ３のスイッチオフで開始される。これら２つのスイッチング素子Ｓ１，Ｓ３は、さらなるシーケンスにおいてパルス幅変調されて切り替えられ、その場合２つのスイッチング素子Ｓ１，Ｓ３は互い逆に切り替えられる。
【００２７】
スイッチオンされた第５のスイッチング素子Ｓ５では電流が直流電圧源ＵInの正極から第１のチョークコイルＬpを通って当該第５のスイッチング素子Ｓ５を介して直流電圧源ＵInの負極に流れる。第２の一次側電流回路では電流が同じ方向で第５のスイッチング素子Ｓ５と変圧器Ｔの一次巻線Ｎp並びに第２のコンデンサＣｐを通って流れる。
【００２８】
二次側では電流は二次巻線Ｎp内で誘導され第１のコンデンサＣsと第２のスイッチング素子Ｓ２及び第２のチョークコイルＬsを介して接続されている交流電圧電源網ＵNetzに流れる。この場合この電流回路はフルブリッジの第４のスイッチング素子Ｓ４を介して接続される。
【００２９】
図４には次のフェーズが示されており、このフェーズは第５のスイッチング素子Ｓ５がスイッチオフされ第３のスイッチング素子Ｓ３がスイッチオンされることで開始される。その際にはさらなる電流が直流電圧源ＵInの正極から第１のチョークコイルＬpと、（スイッチオンフェーズとは反対方向に）第２のコンデンサＣpを介して一次巻線Ｎpを通って直流電圧源ＵInの負極に流れる。
【００３０】
二次側ではスイッチオンされた第２のスイッチング素子Ｓ２とスイッチオンされた第３のスイッチング素子Ｓ３によって電流回路が形成されており、この電流回路では電流の通流方向が第２のチョークコイルＬsを通って不変のまま維持される。第２の二次側電流回路は、スイッチオンされたスイッチング素子Ｓ３と第１のコンデンサＣsと二次巻線Ｎsとスイッチオンされたスイッチング素子Ｓ４によって形成される。この場合二次巻線Ｎs内の通流方向は前述のフェーズのときとは反対方向である。その際変圧器Ｔは次のスイッチオンフェーズのために消磁される。
【００３１】
図５及び図６には電源網電圧の負の半波期間におけるスイッチオンフェーズとスイッチオフフェーズ中の電流通流が示されている。この場合は第１及び第３のスイッチング素子Ｓ１，Ｓ３が全ての負の半波期間中はスイッチオンされている。第４のスイッチング素子Ｓ４は全ての負の半波期間中はスイッチオフされ、第２のスイッチング素子Ｓ２は一次側回路段の第５のスイッチング素子Ｓ５とは逆にクロック制御される。
【００３２】
第１のサイクルないし周期は第５のスイッチング素子Ｓ５のスイッチオンと第２のスイッチング素子Ｓ２のスイッチオフによって開始される。一次側の電流通流は、図３に示されている電流通流に相応する。二次側では電流は二次巻線Ｎs内で誘導され、第１のコンデンサＣsと第３のスイッチング素子Ｓ３を介して交流電圧電源網へ流れる。この場合この電流回路は第２のチョークコイルＬsと第１のスイッチング素子Ｓ１を介して閉成する。
【００３３】
それに続くスイッチオフフェーズは図６に示されており、これは第５のスイッチング素子Ｓ５のスイッチオフと第２のスイッチング素子Ｓ２のスイッチオンによって開始される。この場合の一次側の電流通流は、図４に示されたものに相応している。二次側では再び伝流通流が二次巻線Ｎsにおいて反転し、その場合第１の電流回路は第１のスイッチング素子Ｓ１と第２のスイッチング素子Ｓ２と第１のコンデンサＣsを介して延在する。第２の電流回路は同方向に第２のスイッチング素子Ｓ２と第３のスイッチング素子Ｓ３と交流電圧電源網と第２のチョークコイルＬsと第１のを介して延在する。このフェーズ期間中に変圧器Ｔは再び次のスイッチオン過程のために消磁される。
【００３４】
パルス幅変調を用いたスイッチオンフェーズとスイッチオフフェーズの間の特性変化によって電流の正弦波状の給電が達成される。その場合第１のチョークコイルＬpと第２のチョークコイルＬsは入力側電流リプルと出力側電流リプルを減衰させる。
【００３５】
本発明によれば、図示の回路が本来の二次側から本来の一次側へのエネルギー通流を可能にする。そのような反転されるエネルギー通流は、例えば一次側にバッテリーが配設されている場合に必要とされる。このバッテリーは例えば代替的な電流源のためのバッファとして用いられ、通常は電流を電源網へ供給する。本発明によるインバータ回路を用いれば、電源網からもエネルギーが充電できる。同じような方式で無効電力を電源網から一次側へ伝送することも可能である。それにより当該インバータ回路を電流源からバッファ要素（例えばバッテリー、電解コンデンサ）を用いてアイランド電流網への接続に用いることが可能である。アイランド電流網において誘導負荷と容量負荷が補償不可能な無効電力に結び付けられる。しかしながらまたこの逆流給電"Backfeeding"が、無効電力を引き起こす負荷のすぐ近くで行われる場合には、公共の電源網においても無効電力の逆流給電によって電源網の負担軽減が可能になる。
【００３６】
図７及びず１０には二次側に接続された交流電圧網ＵNetzから本来の一次側へのエネルギー伝送が示されている。その場合前記図７及び図８に示されているように、正の電源網半波期間中に第２のスイッチング素子Ｓ２と第４のスイッチング素子Ｓ４がスイッチオンされ、第１のスイッチング素子Ｓ１はスイッチオフされる。フルブリッジの第３のスイッチング素子Ｓ３は一次側回路段の第５のスイッチング素子Ｓ５とは反対にクロック制御される。
【００３７】
１つのサイクルは第３のスイッチング素子Ｓ３のスイッチオンと第５のスイッチング素子Ｓ５のスイッチオフによって開始される。二次側では第２のチョークコイルＬs充電される。その場合この電流回路は第２及び第３のスイッチング素子Ｓ２，Ｓ３を介して閉成される。第２の二次側電流回路は、第３のスイッチング素子Ｓ３と第４のスイッチング素子Ｓ４と、二次巻線Ｎsと第１のコンデンサＣsによって延在している。一次側では、電流が一次巻線Ｎp内へ誘導され、さらに負極から第２のコンデンサＣpと第１のコイルＬpとを介して直流電圧源ＵInの正極に流れる。
【００３８】
図８に示されているスイッチオフフェーズの開始時点では、第３のスイッチング素子Ｓ３がスイッチオフされ、第５のスイッチング素子Ｓ５はスイッチオンされる。残りのスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２，Ｓ４の切替状態は不変のまま維持される。この場合電流は交流電圧網からさらに第２のチョークコイルＬsを通って第２のスイッチング素子Ｓ２とさらに第１のコンデンサＣsと、二次巻線Ｎsと第４のスイッチング素子Ｓ４を介して流れる。一次側では一次巻線Ｎp内の電流方向が反転され、第５のスイッチング素子Ｓ５と第２のコンデンサＣpを介して第１の一次側電流回路が延在する。第２の一次側電流回路では電流が負極から第５のスイッチング素子Ｓ５を介して第１のチョークコイルＬpを通って直流電圧網ＵInの正極に流れる。
【００３９】
図９及び図１０には負の電源網半波期間における逆流給電"Zurueckspeisung"が示されている。この場合は第１及び第３のスイッチング素子Ｓ１，Ｓ３がスイッチオンされ、第４のスイッチング素子Ｓ４はスイッチオフされる。第２のスイッチング素子Ｓ２は、第５のスイッチング素子Ｓ５とは逆にクロック制御される。図９に示されているスイッチオンフェーズは、第２のスイッチング素子Ｓ２のスイッチオンと第５のスイッチング素子のスイッチオフによって開始される。電流網からは電流が第３のスイッチング素子Ｓ３と第２のスイッチング素子Ｓ２を介して第２のチョークコイルＬsに流れる。第２の電流回路では電流が同じ方向で第２のスイッチング素子Ｓ２とさらに第１のスイッチング素子Ｓ１を介して二次巻線Ｎsへ流れ、さらに第１のコンデンサＣsを介して流れる。本来の一次側に対しては電流通流は図７に示されているものに相応する。
【００４０】
図１０に示されているスイッチオフフェーズは第２のスイッチング素子Ｓ２のスイッチオフと第５のスイッチング素子Ｓ５のスイッチオンによって開始される。さらに電流が第２のチョークコイルＬsを通って電流網から第３のスイッチング素子Ｓ３と第１のコンデンサＣsと二次巻線Ｎsと第１のスイッチング素子Ｓ１を介して流れる。本来の一次側に対する電流通流は、図８に示されているものに相応している。このフェーズ期間中は変圧器Ｔは再び次のスイッチオンフェーズのために消磁される。第１及び第２のコンデンサＣs、Ｃpはこの場合、当該変圧器Ｔのコアが直流電流成分によって飽和されないことを保証する。
【００４１】
図１１から図１４は、様々な電流通流に相応するスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５のスイッチング状態での正及び負の電圧半波の時間的経過特性を表している。図１１は、二次側に接続されている公共の交流電圧電源網の給電の際の時間経過特性が示されている。図３から図６においても示されたように電圧電源網の正の半波期間中はスイッチオン信号が第２及び第４のスイッチング素子Ｓ２，Ｓ４に印加されている。第１のスイッチング素子Ｓ１はスイッチオフされたままである。電圧電源網の負の半波期間中は第１及び第３のスイッチング素子Ｓ１，Ｓ３がスイッチオン信号を印加され、第４のスイッチング素子Ｓ４は遮断されたままである。それにより正弦波状の信号経過全体に亘って第１のスイッチング素子Ｓ１には、第４のスイッチング素子Ｓ４のスイッチング信号とは逆のスイッチング信号が印加される。
【００４２】
正の半波期間中は１つのスイッチング周期ないしスイッチングサイクルが第５のスイッチング素子Ｓ５のスイッチオンと第３のスイッチング素子Ｓ３のスイッチオフで開始される。電源網電圧の上昇と共に第５のスイッチング素子Ｓ５のスイッチオン時間はスイッチオフ時間に比べパルス幅変調に応じて長くなる。この場合第３のスイッチング素子Ｓ３に対するスイッチング信号は第５のスイッチング素子Ｓ５に対するスイッチング信号と逆である。
【００４３】
負の半波期間中は第５のスイッチング素子Ｓ５が同じようにクロック制御される。但しその場合は第３のスイッチング素子Ｓ３に代わって第２のスイッチング素子Ｓ２が第５のスイッチング素子Ｓ５とは逆にクロック制御される。
【００４４】
図１２には公共の交流電圧電源網からの逆流給電の際の時間経過特性が示されている。第１及び第４のスイッチング素子Ｓ１，Ｓ４が前述したように正弦波状の信号経過全体に亘って互いに逆のスイッチング信号を印加されている。その場合第１のスイッチング素子Ｓ１は正の半波期間中はスイッチオフされ、第４のスイッチング素子Ｓ４は第２のスイッチング素子Ｓ２と同じようにスイッチオンされる。第３のスイッチング素子Ｓ３は第５のスイッチング素子Ｓ５とは逆にクロック制御されており、この場合１つのスイッチングサイクルは第３のスイッチング素子Ｓ３のスイッチオンによって開始される。電源網電圧の上昇と共に第３のスイッチング素子のスイッチオン時間はスイッチオフ時間に比べてパルス幅変調に応じて短くなる。第５のスイッチング素子Ｓ５のスイッチオン時間はその後最大電圧のもとで最も長くなる。
【００４５】
電源網電圧の負の半波期間中は第５のスイッチング素子Ｓ５は正の半波期間と同じようにクロック制御される。この場合電源網への給電の場合のように第３のスイッチング素子Ｓ３の代わりに第２のスイッチング素子Ｓ２が逆にクロック制御される。電源網からの逆流給電の際のエネルギー伝送の逆流は、相互に逆にクロック制御されるスイッチング素子Ｓ５及びＳ３ないしＳ２の各スイッチングサイクル毎の逆転したスイッチオンシーケンスによって生じる。その際にはスイッチオン時間とスイッチオフ時間の比が電圧レベルに応じて異なっている。
【００４６】
本発明によるインバータ回路がアイランド電源網にて作動されるならば、電源網電圧の配線網電流は通常は接続されている負荷の容量特性と誘導特性に依存して先行的に経過するか若しくは追従的に経過する。
【００４７】
図１３には、アイランド作動モード中の誘導負荷に伴う時間経過特性を表した図であり、ここでは電源網電流が電源網電圧に追従するように経過している。この場合配電網への給電（区間ｂ及びｄ）と配電網からの無効エネルギーの逆流給電（区間ａ及びｃ）の間で混合モードが生じている。電圧の半波期間中は負の電流経過も正の電流経過も存在している。それに応じて図１３中に示されているクロック制御されたスイッチング素子Ｓ５及びＳ３ないしＳ２のスイッチングサイクルも次のことに依存している。すなわち例えば正の半波期間中に正の配電網電流（給電、区間ｂ）が流れているか又は負の配電網電流（逆流給電、区間ａ）が流れているかに依存している。その場合は伝送すべきエネルギーが配電網電圧と配電網電流の積として求められ、その結果として制御信号のパルス幅変調が得られる。
【００４８】
第１のスイッチング素子Ｓ１と第４のスイッチング素子Ｓ４のスイッチング状態は図１１に示されているものに相応する。正の半波期間中は第３のスイッチング素子Ｓ３がクロック制御され、負の半波期間中は第２のスイッチング素子Ｓ２が第５のスイッチング素子Ｓ５とは逆にクロック制御される。その際配電網電流と配電網電圧の極性が同じであるならば（区間ｂ及びｄ）、１つのスイッチングサイクルが第５のスイッチング素子Ｓ５のスイッチオンで開始される（給電）。それとは異なる極性の場合には、スイッチングサイクルが配電網電圧の正の半波期間中に第３のスイッチング素子Ｓ３のスイッチオンによって開始され（区間ａ）、配電網電圧の負の半波期間中は第２のスイッチング素子Ｓ２のスイッチオンによって開始される（区間ｃ）。
【００４９】
図１４には容量性負荷によるアイランド作動モードでの時間経過特性が示されている。この場合配電網電流が配電網電圧に先行して経過している。ここではクロック制御されたスイッチング素子Ｓ５，Ｓ３ないしＳ２のスイッチオン時間とスイッチオフ時間の比が図１３に示されているスイッチング信号経過とは異なる変化をしている。
【００５０】
それに続く図１５〜３５は、本発明によるインバータ回路のさらなる実施例が表されている。この場合図１５はその二次側が図１の実施例に相応する回路を示している。一次側はＣｕｋコンバータの一次側回路段がプッシュプルコンバータの一次側回路段に置き換わっている。それに伴って第２のコンデンサが省かれ一次巻線Ｎpは分割して施行されている。その場合一次巻線Ｎpの各分割部分は固有のスイッチング素子Ｓ５及びＳ６を有し、直流電圧源ＵInに接続されている。一次側回路段はここでも第１のチョークコイルＬpを介して直流電圧源ＵInに接続されている。それにより、Ｃｕｋ一次側回路段のときのように比較的僅かなリプルしか生じない。変圧器コアの消磁に対してはさらに２つの一次側スイッチング素子Ｓ５及びＳ６のスイッチオン時間が相互に正確に一致するように注意しなければならない。
【００５１】
図１６も図１５に示した回路を表しており、ここではスイッチング素子がＮチャネルデプレッション形ＭＯＳＦＥＴとして構成されている。この場合ソース及びドレイン端子の配置構成が図２に示した回路の二次側に相応している。一次側に対しては２つのスイッチング素子Ｓ５、Ｓ６のソース端子が直流電圧源ＵInの負極に接続されている。
【００５２】
図１７及び図１８には交流電圧網への給電の際の配電網電圧の正の半波期間中のスイッチオンフェーズとスイッチオフフェーズが示されている。二次側スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４のスイッチング状態はこの場合図３及び図４に示されたものに相応している。スイッチオンフェーズは一次側回路段における第５のスイッチング素子Ｓ５のスイッチオンによって開始される（図１７）。この場合電流は直流電圧源ＵInの正極から第１のチョークコイルＬpを介して、一次巻線Ｎpの第１部分の巻線終端から巻線始端へ流れさらに第５のスイッチング素子Ｓ５を介して直流電圧源ＵInの負極に流れる。 ここではエネルギーが変圧器Ｔを介して二次側に伝送され、さらに接続されている配電網へ給電される。
【００５３】
スイッチオフフェーズ（図１８）は第５のスイッチング素子Ｓ５がスイッチオフされ、第６のスイッチング素子Ｓ６並びに第３のスイッチング素子Ｓ３のスイッチオンによって開始される。それに伴って一次側の電流はさらに第１のチョークコイルＬpを通り、一次巻線Ｎpの第２部分の巻線始端から巻線終端を経由して第６のスイッチング素子Ｓ６を介して直流電圧源ＵInの負極に流れる。
【００５４】
図１９及び図２０には配電網電圧の負の半波期間中の交流電圧網への給電の際のスイッチオンフェーズとスイッチオフフェーズが示されている。スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４のスイッチング状態及び二次側への電流通流は、図５及び図６に示されたものに相応している。スイッチオンフェーズ（図１９）は第５のスイッチング素子Ｓ５のスイッチオンと第６及び第２のスイッチング素子Ｓ６，Ｓ２のスイッチオフによって開始される。二次側は図１７に示されているものに相応している。スイッチオフ過程（図２０）は、一次側のスイッチング素子Ｓ５及びＳ６の切替と第２のスイッチング素子Ｓ２のスイッチオンによって開始される。
【００５５】
図２１及び図２２は、正の電圧半波期間中の本来市川に対する交流電圧電源網からの逆流給電の際のスイッチオンフェーズとスイッチオフフェーズが示されている。ここでのスイッチング過程と電流通流は図７及び図８に示されているものと同一である。この場合スイッチオンフェーズは第３のスイッチング素子Ｓ３のスイッチオン並びに第５から第６のスイッチング素子Ｓ６への切替によって開始される。一次側では電流は一次巻線Ｎpの第２部分において誘起され、第１のチョークコイルＬpを通って直流電圧源ＵInの正極まで流れる。この場合の電流回路はスイッチオンされた第６のスイッチング素子Ｓ６を介して閉成される。
【００５６】
スイッチオフフェーズの開始時点では（図２２）第３のスイッチング素子Ｓ３がスイッチオフされ、一次側ではだい６のスイッチング素子Ｓ６から第５のスイッチング素子Ｓ５への切替が行われる。それによりさらに電流が第１のチョークコイルＬpを通って直流電圧源の正極まで流れ、トランジスタＴは消磁される。
【００５７】
図２３及び図２４には、負の電圧半波期間中の交流電圧電源網から本来の一次側への逆流給電の際のスイッチオンフェーズとスイッチオフフェーズが示されている。この場合一次側に対するスイッチング状態と電流通流は図２１及びず２２に示されているものに相応する。二次側のスイッチング状態は図９及び図１０に示されているものに同じである。
【００５８】
図２５には変更されていない二次側を備えたインバータ回路の一例が示されている。ここでは一次側にフルブリッジ回路段が配設されている。図２６ではスイッチング素子がＮチャネルデプレッション形ＭＯＳＦＥＴとして構成されている。ここでは一次側でソース端子が直流電圧源ＵInの負極に接続され、ドレイン端子は直流電圧源ＵInの正極に接続されている。直流電圧源ＵInへの接続はここでも電圧ピークに対する回路保護とリプルを僅かに抑えるために第１のチョークコイルＬpを介して行われている。
【００５９】
図２７から図３４には図２５によるインバータ回路における正及び負の半波期間中の給電並びに正及び負の半波期間中の逆流給電のもとでの種々異なるスイッチング状態と電流通流が示されている。二次側に対するスイッチング状態と電流通流は図３から図１０ないし図１７から図２４のものに相応している。
【００６０】
一次側には一次巻線Ｎpが配設されており、この場合図２７〜図３４に示されている当該一次巻線Ｎpを通る電流通流方向は図３から図１０に示されているものに相応している。一次側フルブリッジのスイッチング素子Ｓ５，Ｓ６、Ｓ７及びＳ８も相応に切り替えられる。
【００６１】
図３５には図２５に示されているフルブリッジの代わりに一次側にハーフブリッジを備えたインバータ回路が示されている。この場合フルブリッジの第５及び第８のスイッチング素子Ｓ５，Ｓ８は、２つのコンデンサＣ１とＣ２に置き換えられている。一次巻線Ｎpを流れる電流の所望の通流方向は２つのスイッチング素子Ｓ６及びＳ７の切替によって行われる。その場合は直流電圧源の正極に配設された第１のチョークコイルＬpに基づいて切替過程中の休止期間は不要となる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【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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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【国際調査報告】
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