(57)【要約】  本発明は、出力交流電圧の正の半波の間に、コンバータがステップアップ／ステップダウンコンバータのカスケードように動作するようコンバータを制御し、出力交流電圧の負の半波の間にコンバータがＣＵＫコンバータのように動作するようコンバータを制御することを特徴とする、コンバータの動作方法に関する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子的に制御されるコンバータの動作方法において、
出力交流電圧の正の半波の間に、コンバータがステップアップ／ステップダウンコンバータのカスケードように動作するようコンバータを制御し、出力交流電圧の負の半波の間にコンバータがＣＵＫコンバータのように動作するようコンバータを制御することを特徴とする、コンバータの動作方法。
【請求項２】
コンバータとして２つの直流電圧端子と、２つの交流電圧端子と、マイクロコントローラによって制御される複数の半導体スイッチとを備えた単層コンバータが設けられている、請求項１記載の方法。
【請求項３】
コンバータが第１のコイル（Ｌ１）を有し、該第１のコイル（Ｌ１）の第１の側は直流電圧源（ＵIN）の正極と接続されており、該第１のコイル（Ｌ１）の第２の側は第１の半導体スイッチ（Ｓ１）を介して前記直流電圧源（ＵIN）の負極と接続されており、前記第１のコイル（Ｌ１）の第２の側は第２の半導体スイッチ（Ｓ２）および第３の半導体スイッチ（Ｓ３）からなる直列回路を介して第２のコイル（Ｌ２）の第１の端子と接続されており、該第２のコイル（Ｌ２）の第２の端子が交流電圧出力側（ＵOUT）の第１の端子に接続されており、前記第２の半導体スイッチ（Ｓ２）および第３の半導体スイッチ（Ｓ３）の接続部が第１のコンデンサ（ＣC）、第５の半導体スイッチ（Ｓ５）を介して前記交流電圧出力側（ＵOUT）の第２の端子と接続されており、前記直流電圧源（ＵIN）の負極は前記交流電圧出力側（ＵOUT）の第２の端子と接続されており、前記第１のコンデンサ（ＣC）と前記第５の半導体スイッチ（Ｓ５）の接続部が第４の半導体スイッチ（Ｓ４）を介して前記第２のコイル（Ｌ２）の第１の端子と接続されている、請求項２記載の方法。
【請求項４】
マイクロコントローラを用いて、前記出力交流電圧の正の半波の間に、前記の第１、第２、第３および第４の半導体スイッチ（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４）をパルジングし、前記第５の半導体スイッチ（Ｓ５）を永続的にスイッチオンし、前記第１の半導体スイッチ（Ｓ１）および前記第２の半導体スイッチ（Ｓ２）をプッシュプルで切り換え、前記第３の半導体スイッチ（Ｓ３）および前記第４の半導体スイッチ（Ｓ４）をプッシュプルで切り換え、前記出力交流電圧の負の半波の間に前記第１の半導体スイッチ（Ｓ１）および前記第５の半導体スイッチ（Ｓ５）をパルジングして切り換え、該切り換え期間中に前記第２の半導体スイッチ（Ｓ２）および前記第４の半導体スイッチ（Ｓ４）を永続的にスイッチオンし、前記第３の半導体スイッチ（Ｓ３）を永続的にスイッチオフする、請求項３記載の方法。
【請求項５】
半導体スイッチを制御するために相応にプログラミングされているマイクロコントローラが設けられていることを特徴とする、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法を実施するコンバータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本方法は、電子的に制御されるコンバータの動作方法および本方法を実施する装置に関する。
【０００２】
電子的に制御されるコンバータは例えば、US-Z.:C.M.Penalverらによる「Microprocessor Control of DC/AC Static Converters」; IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. IE-32, No.3、１９８５年８月、第１８６〜１９１頁から公知である。これらのコンバータは例えばソーラシステムにおいて、太陽電池により形成される直流電流を公共の交流電流網に供給できるように変換するために使用される。これにより初めて、太陽から生成されるエネルギを実質的に非制限的に利用することが保証されている。
【０００３】
コンバータに関する多数の適用可能性により殊に、特別な用途のためのステップアップコンバータ、ステップアップ／ステップダウンコンバータおよびステップダウンコンバータの基本タイプが発展した。ここで一例として雑誌EDN、２００２年１０月１７日、「Slave Converters power auxiliary Outputs」、Sanjaya Maniktalaが挙げられるが、そこにはコンバータ基本タイプの種々の組み合わせ可能性が記載されている。
【０００４】
本発明の課題は、従来技術から公知のコンバータを発展させることである。
【０００５】
本発明によればこの課題は、コンバータが出力交流電圧の正の半波の間にステップアップ／ステップダウンコンバータのカスケードように動作するようにこのコンバータが制御され、またコンバータが出力交流電圧の負の半波の間にＣＵＫコンバータのように動作するようにこのコンバータが制御される、冒頭で述べた方法により解決される。
【０００６】
本発明のようにステップアップ／ステップダウンコンバータとＣＵＫコンバータの機能の組み合わせることによって殊に損失の少ないコンバータが得られ、このコンバータはこれにより高い効率も有し、したがって殊にソーラシステムへの使用に殊に適している。
【０００７】
コンバータとして２つの直流電圧端子、２つの交流電圧端子およびマイクロコントローラによって制御される複数の半導体スイッチを備えた単層コンバータが設けられている場合には有利である。
【０００８】
コンバータが第１のコイルを有し、この第１のコイルの第１の側が直流電圧源の正極と接続されており、第１のコイルの第２の側が第１の半導体スイッチを介して直流電圧源の負極と接続されており、第１のコイルの第２の側が第２の半導体スイッチおよび第３の半導体スイッチからなる直列回路を介して第２のコイルの第１の端子と接続されており、この第２のコイルの第２の端子が交流電圧出力側の第１の端子に接続されており、第２の半導体スイッチおよび第３の半導体スイッチの接続部が第１のコンデンサ、第５の半導体スイッチを介して交流電圧出力側の第２の端子と接続されており、直流電圧源の負極が交流電圧出力側の第２の端子と接続されており、第１のコンデンサと第５の半導体スイッチの接続部が第４の半導体スイッチを介して第２のコイルの第１の端子と接続されている場合には有利である。
【０００９】
さらには、マイクロコントローラを用いて出力交流電圧の正の半波の間に、第１、第２、第３および第４の半導体スイッチがパルジングされ、第５の半導体スイッチが永続的にスイッチオンされ、また第１の半導体スイッチおよび第２の半導体スイッチがプッシュプルで切り換えられ、ならびに第３の半導体スイッチおよび第４の半導体スイッチがプッシュプルで切り換えられ、出力交流電圧の負の半波の間に第１の半導体スイッチおよび第５の半導体スイッチがパルジングされて切り換えられ、この期間中に第２の半導体スイッチおよび第４の半導体スイッチが永続的にスイッチオンされ、第３の半導体スイッチが永続的にスイッチオフされる場合には殊に有利である。
【００１０】
コンバータには本発明による方法を実施するためにマイクロコントローラが設けられており、このマイクロコントローラが半導体スイッチを制御するために相応にプログラミングされている場合には好適である。
【００１１】
本発明を図面に基づき詳細に説明する。ここで例示的に、
図１は例示的なコンバータの回路図を示し、
図２はＭＯＳＦＥＴを使用する場合の例示的なコンバータの回路図を示し、
図３，４，５および６は出力交流電圧の正の半波の間の例示的なコンバータにおける電流の流れおよびスイッチング状態を示し、
図７および８は出力交流電圧の負の半波の間の例示的なコンバータにおける電流の流れおよびスイッチング状態を示し、
図９および１０は半導体スイッチに対する例示的な制御信号の時間的な経過を示す。
【００１２】
図面に示されているコンバータは第１のコイルＬ１を包含し、この第１のコイルＬ１の第１の側は直流電圧源ＵINの正極と接続されており、第２の側は第１の半導体スイッチＳ１を介して直流電圧源ＵINの負極と接続されている。
【００１３】
第１のコイルＬ１の第２の側は、第２の半導体スイッチＳ２および第３の半導体スイッチＳ３の直列回路を介して第２のコイルＬ２の第１の端子と接続されており、この第２のコイルＬ２の第２の端子は交流電圧出力側ＵOUTの第１の端子に接続されている。第２の半導体スイッチＳ２および第３の半導体スイッチＳ３の接続部は第１のコンデンサＣCおよび第５の半導体スイッチ（Ｓ５）を介して交流電圧出力側（ＵNetz）の第２の端子と接続されており、さらに直流電圧源の負極と交流電圧出力側の第２の端子との間の接続部が設けられており、第１のコンデンサ（ＣC）と第５の半導体スイッチ（Ｓ５）の共通点は第４の半導体スイッチ（Ｓ４）を介して第２のコイル（Ｌ２）の第１の端子と接続されている。
【００１４】
半導体スイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５としてｎチャネル阻止層ＭＯＳＦＥＴが使用される場合には取付ける方向を考慮する必要があり、これは図２において破線で示されているダイオードの記号によって示唆されている。
【００１５】
本発明のこの実施形態においてはダイオードＤ１の使用が好適であるが、このダイオードＤ１の機能は半導体スイッチの相応の制御によっても実現することができる。
【００１６】
半導体スイッチの制御は（図示していない）マイクロコントローラによって行われる。
【００１７】
ここで本発明によれば、出力交流電圧の正の半波の間に第１、第２、第３および第４の半導体スイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４がパルジングされ、第５の半導体スイッチＳ５が永続的にスイッチオンされ、この際第１の半導体スイッチＳ１および第２の半導体スイッチＳ２ならびに第３の半導体スイッチＳ３および第４の半導体スイッチＳ４はそれぞれプッシュプルで切り換えられる。出力交流電圧の負の半波の間には、第１の半導体スイッチＳ１および第５の半導体スイッチＳ５がプッシュプルでパルジングされて切り換えられ、第２の半導体スイッチＳ２および第４の半導体スイッチＳ４は永続的にスイッチオンされる。第３の半導体スイッチＳ３はこの期間中は永続的にスイッチオフされる。
【００１８】
図３はコンバータが出力電圧の正の半波の間に電気的なエネルギを直流電圧源ＵINから取り出す状態を示す。このために第１の半導体スイッチＳ１が閉じられており、したがって第１のコイルＬ１を介して直流電圧源ＵINの正極と第１の半導体スイッチＳ１との間の電流経路が生じている。
【００１９】
この状態において、第１のコイルＬ１はエネルギを蓄積し、このエネルギは、図４に示されているように、第１の半導体スイッチＳ１が開かれた後に、第２の半導体スイッチＳ２および第３の半導体スイッチＳ３が閉じられると、第２のコイルＬ２を介して交流電圧出力側ＵOUTに放出される。
【００２０】
この際生じる回路は直流電圧源ＵINの正極から第１のコイルＬ１、第２の半導体スイッチＳ２、第３の半導体スイッチＳ３また第２のコイルＬ２を介して交流電圧出力側ＵOUTに走っており、また交流電圧網を介して直流電圧源ＵINの負極へと走っている。この際第２のコイルＬ２はエネルギを蓄積する。同時に同様に閉じられている第５の半導体スイッチＳ５に基づき、第１のコンデンサＣCが充電される。
【００２１】
次のスイッチング過程においては、図５に示されているように、第３の半導体スイッチＳ３が開かれ、第４の半導体スイッチＳ４が閉じられる。
【００２２】
ここで第２のコイルＬ２、交流電圧網ＵOUT、第５の半導体スイッチＳ５および第４の半導体スイッチＳ４を介する回路が形成され、この際第２のコイルは蓄積されたエネルギを交流電圧網ＵOUTに放出する。
【００２３】
同時に別の回路が直流電圧源ＵINの正極から第１のコイルＬ１、第２の半導体スイッチＳ２、第１のコンデンサＣCおよび第５の半導体スイッチＳ５を介して直流電圧源ＵINの負極へと走っている。
【００２４】
図６に示されているスイッチング状態でもって正の半波の間のスイッチング周期が終了する。
【００２５】
第１の半導体スイッチＳ１が閉じられており、したがって第１のコイルＬ１を介する直流電圧源ＵINの正極と第１の半導体スイッチＳ１との間の電流経路が生じている。コンバータは電気的なエネルギを直流電圧源ＵINから取り出す。
【００２６】
さらには、第５の半導体スイッチＳ５および第４の半導体スイッチＳ４を介して相応の回路が依然として閉じられているので、同時に第２のコイルＬ２がエネルギを交流電圧網ＵOUTに放出し、この回路は第４の半導体スイッチＳ４が開かれることによって初めて遮断され、これにより図４に示されているスイッチング状態に再び達する。
【００２７】
図７および図８に基づき出力交流電圧の負の半波の間のスイッチング状態を説明する。図９および図１０からも分かるように、この期間中は第１の半導体スイッチＳ１および第５の半導体スイッチＳ５がパルジングされプッシュプルで切り換えられ、第２の半導体スイッチＳ２および第４の半導体スイッチＳ４は永続的にスイッチオンされ、第３の半導体スイッチ（Ｓ３）が永続的にスイッチオフされる。したがって本発明によれば出力交流電圧の負の半波の間にいわゆるＣＵＫコンバータの機能が達成される。
【００２８】
図７は第１、第２および第４の半導体スイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ４が閉じられており、第３および第５の半導体スイッチＳ３，Ｓ５が開かれている場合の状態を示す。第１のコイルＬ１および第１の半導体スイッチＳ１を介する直流電圧源ＵINの正極と負極との間の電流経路、第２のコイルＬ２、第４の半導体スイッチＳ４、第１のコンデンサＣC並びに第２の半導体スイッチＳ２、第１の半導体スイッチＳ１および出力交流電圧網ＵOUTを介する第２の電流経路が形成される。
【００２９】
次のスイッチング過程においては、図８に示されているように、プッシュプルで第１の半導体スイッチＳ１が開かれ、第５の半導体スイッチＳ５が閉じられる。
【００３０】
これにより生じる回路は一方では、直流電圧源ＵINの正極から第１のコイルＬ１、第２の半導体スイッチＳ２、第１のコンデンサＣCおよび第５の半導体スイッチＳ５を介して直流電圧源ＵINの負極へと走っており、他方では第２のコイルＬ２、第４の半導体スイッチＳ４、第５の半導体スイッチＳ５および交流電圧網ＵOUTを介して走っている。
【００３１】
図９および図１０には、半導体スイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４およびＳ５に対する制御信号の例示的な経過がそれぞれ示されており、両図面でも出力交流電圧の正の半波の期間中の調節可能な種々のスイッチングバリエーションを示す。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】例示的なコンバータの回路図。
【図２】ＭＯＳＦＥＴを使用する場合の例示的なコンバータの回路図。
【図３】出力交流電圧の正の半波の間の例示的なコンバータにおける電流の流れおよびスイッチング状態。
【図４】出力交流電圧の正の半波の間の例示的なコンバータにおける電流の流れおよびスイッチング状態。
【図５】出力交流電圧の正の半波の間の例示的なコンバータにおける電流の流れおよびスイッチング状態。
【図６】出力交流電圧の正の半波の間の例示的なコンバータにおける電流の流れおよびスイッチング状態。
【図７】出力交流電圧の負の半波の間の例示的なコンバータにおける電流の流れおよびスイッチング状態。
【図８】出力交流電圧の負の半波の間の例示的なコンバータにおける電流の流れおよびスイッチング状態。
【図９】半導体スイッチに対する例示的な制御信号の時間的な経過。
【図１０】半導体スイッチに対する例示的な制御信号の時間的な経過。
【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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【国際調査報告】
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