(57)【要約】  ２つの入力ライン（３、４）間を流れる直流を、２つの出力ライン（１１、１２）間を流れる交流に変換するインバータ（１）が、高周波で動作可能な２つのスイッチ（Ｓ１、Ｓ２；Ｓ３、Ｓ４）、およびスイッチ間に接続されたインダクタンス（Ｌ１、Ｌ２）からそれぞれなる第１および第２の直列回路（５、６）を備え、２つのインダクタンス（Ｌ１、Ｌ２）は磁気的に結合される。インバータは、インダクタンス（Ｌ１、Ｌ２）の逆側から第１の中間点につながるダイオード（Ｄ１、Ｄ３）、および第１の中間点（８）からインダクタンスの逆側につながるダイオード（Ｄ２、Ｄ４）；ならびに中間点（７および８）間を流れ、かつ半波毎に極性が変化する正弦形状の半波からなる直流を出力ライン（１１、１２）に転送するアンフォールディング回路をさらに備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１および第２の入力ライン（３、４）間を流れる直流を、第１および第２の出力ライン（１１、１２）間を流れる交流（ＡＣ）に変換するインバータ（１）であって：
−高周波で切換可能な第１のスイッチ（Ｓ１）、第１のインダクタンス（Ｌ１）、および高周波で切換可能な第２のスイッチ（Ｓ２）を備え、かつ前記第１および第２の入力ライン（３、４）の間に接続された第１の直列回路（５）；
−前記第１のインダクタンス（Ｌ１）の第１の側から第１の中間点（７）につながる第１の整流器ダイオード（Ｄ１）、および第２の中間点（８）から前記第１のインダクタンス（Ｌ１）の第２の側につながる第２の整流器ダイオード（Ｄ２）；ならびに
−前記第１および第２の中間点（７、８）に、ならびに前記第１および第２の出力ライン（１１、１２）に接続され、かつ前記交流（ＡＣ）の周波数で切換可能なスイッチ（Ｓ５〜Ｓ８）を備えるアンフォールディング回路（１０）
を備え、
−高周波で切換可能な第３のスイッチ（Ｓ３）、第２のインダクタンス（Ｌ２）、および高周波で切換可能な第４のスイッチ（Ｓ４）を備える第２の直列回路（６）が、前記第１および第２の入力ライン（３、４）の間に接続され、
−前記第１のインダクタンス（Ｌ１）および前記第２のインダクタンス（Ｌ２）は磁気的に結合され、
−第３の整流器ダイオード（Ｄ３）が、前記第２のインダクタンス（Ｌ２）の第１の側から前記第１の中間点（７）につながり、第４の整流器ダイオード（Ｄ４）が、前記第２の中間点（８）から前記第２のインダクタンス（Ｌ２）の第２の側につながること
を特徴とするインバータ（１）。
【請求項２】
−高周波で切換可能な第５のスイッチ（Ｓ５）、第３のインダクタンス（Ｌ３）、および高周波で切換可能な第６のスイッチ（Ｓ６）を備える第３の直列回路（１５）が、前記第１および第２の入力ライン（３、４）の間に接続され、
−前記第１のインダクタンス（Ｌ１）、前記第２のインダクタンス（Ｌ２）、および前記第３のインダクタンス（Ｌ３）は磁気的に結合され、
−第５の整流器ダイオード（Ｄ５）が、前記第３のインダクタンス（Ｌ３）の第１の側から前記第１の中間点（７）につながり、第６の整流器ダイオード（Ｄ６）が、前記第２の中間点（８）から前記第３のインダクタンス（Ｌ３）の第２の側につながる、
請求項１に記載のインバータ（１）。
【請求項３】
前記第１および第２の入力ライン（３、４）の一方が、前記第１および第２の出力ライン（１１、１２）の一方に接続される、請求項１または２に記載のインバータ（１）。
【請求項４】
前記第１および第２の入力ライン（３、４）の一方が接地に接続される、請求項１〜３のうちいずれか一項に記載のインバータ（１）。
【請求項５】
前記第１および第２の入力ライン（３、４）間の中央点（１７）が接地に接続される、請求項１〜４のうちいずれか一項に記載のインバータ（１）。
【請求項６】
バッファリング静電容量（Ｃ）が前記第１および第２の入力ライン（３、４）間に接続される、請求項１〜５のうちいずれか一項に記載のインバータ（１）。
【請求項７】
前記アンフォールディング回路（１０）は：
−前記交流の前記周波数で切換可能な、前記第１の中間点（７）および前記第１の出力ライン（１１）に接続された第１のスイッチ（Ｓ７）、
−前記交流の前記周波数で切換可能な、前記第２の中間点（８）および前記第１の出力ライン（１１）に接続された第２のスイッチ（Ｓ８）、
−前記交流の前記周波数で切換可能な、前記第１の中間点（７）および前記第２の出力ライン（１２）に接続された第３のスイッチ（Ｓ９）、ならびに
−前記交流の前記周波数で切換可能な、前記第２の中間点（８）および前記第２の出力ライン（１２）に接続された第４のスイッチ（Ｓ１０）
を備える、請求項１〜６のうちいずれか一項に記載のインバータ（１）。
【請求項８】
前記交流（ＡＣ）の前記周波数で切換可能な、前記アンフォールディング（１０）のすべてのスイッチ（Ｓ７〜Ｓ１０）を制御する制御回路が、前記出力ライン（１１、１２）に接続されたＡＣ電力グリッド（１３）によりこれらのスイッチ（Ｓ７〜Ｓ１０）のライン通信のために構成される、請求項１〜７のいずれか一項に記載のインバータ（１）。
【請求項９】
前記交流（ＡＣ）の前記周波数で切換可能な前記スイッチ（Ｓ７〜Ｓ１０）だけが、前記第１および第２の中間点（７、８）から、前記第１および第２の出力ライン（１１、１２）に接続されたＡＣ電力グリッド（１３）まで伸びるすべての電源電流経路に提供される、請求項１〜８のいずれか一項に記載のインバータ（１）。
【請求項１０】
保護回路（１６）が前記第１および第２の中間点（７、８）間に接続され、前記保護回路は、逆方向に導通する２つの整流器ダイオード（Ｄ７、Ｄ８；Ｄ９、Ｄ１０）をそれぞれ備える、並列に接続された２つの直列回路を備え、前記２つの直列回路の前記整流器ダイオード（Ｄ７〜Ｄ１０）は、逆の阻止方向を備え、両方の直列回路の中央点（１８、１９）が、両方とも、並列に接続された静電容量（ＣＳ）およびバリスタ（２０）を介して、互いに接続される、請求項１〜９のいずれか一項に記載のインバータ（１）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の参照）
本発明は、２０１１年８月１７日に出願された、「Ｗｅｃｈｓｅｌｒｉｃｈｔｅｒ  ｍｉｔ  ｇｅｋｏｐｐｅｌｔｅｎ  Ｉｎｄｕｋｔｉｖｉｔａｔｅｎ（ａはウムラウト付き）」と題する独国特許出願公開第１０２０１１０５２７６８．０号明細書の優先権を主張する。
【０００２】
本発明は、第１および第２の入力ライン間を流れる直流を、第１および第２の出力ライン間を流れる交流に変換するインバータに関する。詳細には、本発明は、高周波で切換可能な第１のスイッチ、インダクタンス、および高周波で切換可能な第２のスイッチを備え、かつ第１および第２の入力ライン間に接続された直列回路；インダクタンスの第１の側から第１の中間点につながる第１の整流器ダイオード、および第２の中間点からインダクタンスの第２の側につながる第２の整流器ダイオード；ならびに第１および第２の中間点、ならびに第１および第２の出力ラインに接続され、かつ交流の周波数で切換可能なスイッチを備えるアンフォールディング回路を備えるインバータに関する。
【０００３】
インバータの特性が電流源に類似するために、このようなインバータはまた、電流源インバータとも呼ばれる。
【０００４】
詳細には、本発明は、太陽光発電機により生み出された電気エネルギーを単相ＡＣ電力グリッドに供給するインバータに関する。
【０００５】
本開示は、特定の高周波（ＨＦ）範囲に限定する意図はまったくなく本明細書で高周波スイッチとも呼ばれる高周波で切換可能なスイッチ、および本明細書で低周波スイッチとも呼ばれる交流の周波数で切換可能なスイッチの間を区別する。高周波スイッチは、１ｋＨｚ〜ほぼ１０ｋＨｚまでの範囲の周波数で適切に動作するように構成され、一方、低周波スイッチは、最大で約５００Ｈｚの周波数で適切に動作するように構成される。典型的には、低周波スイッチは、約５０Ｈｚ〜６０Ｈｚの周波数で動作させられる。「適切に動作する」は、過大な電力損失を生み出すことなく、長期間それぞれの周波数でスイッチを切り換える、または動作させることができることを意味する。
【背景技術】
【０００６】
２つの入力ライン間を流れる直流を、電流源として作動する２つの出力ライン間を流れる交流に変換し、かつ第１の高周波スイッチ、インダクタンス、および第２の高周波スイッチから作られ、２つの入力ライン間に接続された直列回路を備えるインバーが、独国特許第１９６４２５２２（Ｃ１）号明細書により公知である。この明細書では、出力ラインの一方が、入力ラインの一方に直接接続される。公知のインバータのアンフォールディング回路が、第１の中間点から他方の出力ラインにつながる第１の低周波スイッチ、および第２の中間点から他方の出力ラインにつながる第２の低周波スイッチを備える。さらに、第３の低周波スイッチが、第２の中間点、および一方の入力ラインに直接接続された一方の出力ラインの間に提供される。２つの高周波スイッチをインダクタンスの両側で、高周波で動作させることにより、所望の交流の半波が形成される。このとき、第１の整流器ダイオードが第１の中間点につながるインダクタンスの側に位置する高周波スイッチが、出力ライン間で負電圧状態にある交流出力のこれらの半波に対して閉じられる。これらの負の半波の間に、アンフォールディング回路の第１の低周波スイッチは閉じられる。アンフォールディング回路の他の２つの低周波スイッチは開いている。出力ライン間で正電圧状態にある交流出力の半波の間に、インダクタンスと直列に接続された２つの高周波スイッチは、高周波で動作させられ、第１の中間点および他方の出力ラインの間に接続されたアンフォールディング回路の第２の低周波スイッチ、ならびに第２の中間点および一方の入力ラインに接続された一方の出力ラインの間に接続されたアンフォールディング回路の第３の低周波スイッチは閉じられる。公知のインバータの出力ライン間および入力ライン間の両方に、バッファ静電容量が提供される。この公知のインバータの実際の適用例では、公知のインバータにより発生させられた交流の電流リップルを低減するために、すなわち、高周波スイッチによる交流形成に起因する高周波の交流変動を低減するために、出力ライン間のバッファ静電容量に出力ラインの一方のインダクタンスを追加して、ＬＣフィルタを構成する。この電流リップルは、公知のインバータの本質的な欠点である。さらに、公知のインバータは、その入力ラインに接続された太陽光発電機の接地に関して融通性がない。詳細には、接地は、他方の入力ラインに直接接続された入力ラインだけで可能である。
【０００７】
しかしながら、太陽光発電機のソーラーモジュールのタイプに応じて、接地に対して完全に負電位で、または完全に正電位で太陽光発電機を動作させることが適している場合がある。たとえば接地に対して電圧を制限するためのような特定の条件下では、太陽光発電機の中央点を接地に接続することが同じく適している場合もある。この融通性は公知のインバータでは得られない。
【０００８】
第１の高周波スイッチ、インダクタンス、および第２の高周波スイッチから作られ、かつ２つの入力ライン間に接続された直列回路を備えるインバータが、独国特許出願広告第１０２００７０２８０７８（Ｂ４）号明細書により公知である。第１の整流器ダイオードが、インダクタンスの一方の側から電圧リンクの一方の端子につながり、逆の阻止方向の第２の整流器ダイオードが、インダクタンスの第２の側から電圧リンクの他方の端子につながる。電圧リンクはリンク静電容量を備え；反平行ダイオードを備える２つのスイッチから作られたハーフブリッジが、ハーフブリッジの端子間に接続される。ハーフブリッジの中央点が、グリッドチョークを介して接続されたＡＣ電力グリッドのＬ形導体に接続される。ＡＣ電力グリッドのＮ形導体が、リンク静電容量の中央点に接続される。ハーフブリッジのスイッチを高周波で動作させて、電圧リンクのリンク電圧により駆動された交流を整形する。このとき、ＡＣ電力グリッドの中に供給される交流の電流リップルを制限するためにグリッドチョークが不可欠である。明白な電圧リンクを備える公知のインバータは、典型的には電圧源インバータを表す。公知のインバータの直列回路のインダクタンスは、追加ダイオードを介して電圧リンクに接続され、かつ電圧リンクにさらに負荷をかける他のインダクタンスに結合されてもよい。公知のインバータのこの実施形態では、その入力ラインの一方が、接地に接続されるために自由に選択されてもよい。
【０００９】
欧州特許第２２４４３６７（Ａ１）号明細書が、太陽発電機、およびインバータブリッジの入力側にある電圧リンクの間に接続された昇圧コンバータ組立体を開示している。昇圧コンバータ組立体は、制御可能なスイッチおよび入力インダクタをそれぞれ備える複数の昇圧コンバータユニットを備える。複数の昇圧コンバータユニットは並列に接続され、太陽光発電機により提供されるＤＣ電圧より高いＤＣリンク電圧を電圧リンクに提供する。個々の昇圧コンバータユニットは、インターリーブモードで動作させられる。
【００１０】
米国特許出願公開第２００９／０２５１９３７（Ａ１）号明細書が、ＤＣ電圧端子に存在するＤＣ電圧を、ＡＣ電圧端子を介して供給される交流に変換する回路装置を開示している。回路装置は、ＤＣ電圧端子に接続され、かつ第１の電子スイッチおよびインダクタを備える第１の直列回路を有する。回路装置は、複数の第２の電子スイッチをさらに備える。ＤＣ電圧端子の一方、およびＡＣ電圧端子の一方が、中央導体に接続される。インダクタは、互いに密に結合されて配置された２つの巻線を有する２巻線導体の形をとり、第１の巻線が、第１の電子スイッチと直列に結合され、前記電子スイッチを介して生み出されたエネルギーをバッファに蓄積する。２つの巻線は、第２の電子スイッチの一方を介して中央導体に接続されていないＡＣ電圧端子にそれぞれ接続される。これらの第２の電子スイッチの一方が、ＡＣ電圧端子間の正電圧を有する交流の半波中に閉じられ、一方、第２の電子スイッチの他方が、ＡＣ電圧端子で負電圧状態にある交流の半波の間に閉じられる。したがって、インダクタの第１の巻線および第２の巻線は、第１のスイッチを半波毎に高周波で動作させることにより形成される交流を交互に提供する。公知の回路装置の一実施形態では、第１の電子スイッチおよびインダクタをそれぞれ備える２つの直列回路が提供され、第２の電子スイッチに並列に接続される。このとき、２つの直列回路の第１のスイッチが、より一様なエネルギーの流れを有するように、一定のオフセットで動作させられる。
【００１１】
国際公開第２０１１／０１６４４９（Ａ１）号パンフレットが、４つのスイッチング素子からなる２つのグループを備えるＤＣ／ＤＣコンバータを開示している。２つのグループの一方の４つのスイッチング素子が、ＤＣ／ＤＣコンバータの入力ライン間に２つのハーフブリッジの形で配置され、２つのグループの他方の４つのスイッチング素子が、ＤＣ／ＤＣコンバータの出力ライン間に２つのハーフブリッジの形で配置される。一方のグループの各ハーフブリッジの一方の中央点が、磁場相殺型変圧器の一次巻線を介して他方のグループのハーフブリッジの一方の中央点に接続され、一方、一方のグループの他方のハーフブリッジの中央点が、変圧器の二次巻線を介して他方のグループの他方のハーフブリッジの中央点に接続される。さらに、入力ラインの一方が、出力ラインの一方に直接接続される。ＤＣ／ＤＣコンバータは、昇圧と降圧の比、および双方向昇圧降圧動作を変えることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】独国特許第１９６４２５２２（Ｃ１）号明細書
【特許文献２】独国特許出願広告第１０２００７０２８０７８（Ｂ４）号明細書
【特許文献３】欧州特許第２２４４３６７（Ａ１）号明細書
【特許文献４】米国特許出願公開第２００９／０２５１９３７（Ａ１）号明細書
【特許文献５】国際公開第２０１１／０１６４４９（Ａ１）号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
２つの入力ライン間を流れる直流を２つの出力ライン間を流れる交流に変換するための、電流リップルを取り除くための高性能ＬＣフィルタを必要としないインバータが依然として必要である。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、第１および第２の入力ライン間を流れる直流を、第１および第２の出力ライン間を流れる交流に変換するインバータに関する。インバータは、高周波で切換可能な第１のスイッチ、第１のインダクタンス、および高周波で切換可能な第２のスイッチを備え、かつ２つの入力ライン間に接続された第１の直列回路；ならびに高周波で切換可能な第３のスイッチ、第２のインダクタンス、および高周波で切換可能な第４のスイッチを備え、かつ２つの入力ライン間に接続された第２の直列回路を備え；第１および第２のインダクタンスは磁気的に結合される。インバータは、第１のインダクタンスの第１の側から第１の中間点につながる第１の整流器ダイオード、第２の中間点から第１のインダクタンスの第２の側につながる第２の整流器ダイオード、第２のインダクタンスの第１の側から第１の中間点につながる第３の整流器ダイオード、および第２の中間点から第２のインダクタンスの第２の側につながる第４の整流器ダイオードをさらに備える。インバータはまた、第１および第２の中間点に、ならびに第１および第２の出力ラインに接続され、かつ交流の周波数で切換可能なスイッチを備えるアンフォールディング回路を備える。
【００１５】
本発明の他の特徴および利点が、以下の図面および詳細な説明を検討すると、当業者には明確になるであろう。このような追加の特徴および利点がすべて、本明細書において、特許請求の範囲により規定されるように、本発明の範囲に含まれることが意図される。
【００１６】
本発明は、以下の図面を参照して、よりよく理解することができる。図面中の構成要素は必ずしも縮尺どおりではなく、むしろ、本発明の原理を明確に示すことに重きが置かれている。図面では、同様の参照番号は、いくつかの図全体にわたって対応する部分を指す。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】太陽光発電機から単相ＡＣ電力グリッドの中に電気エネルギーを供給する適用例における、本発明のインバータの第１の実施形態を示す。
【図２】図１によるインバータの第１のスイッチング状態を示す。
【図３】図１によるインバータの第２のスイッチング状態を示す。
【図４】図１によるインバータの第３のスイッチング状態を示す。
【図５】出力にバッファ静電容量を追加した、図１のインバータの一変形形態の第４のスイッチング状態を示す。
【図６】太陽光発電機の接地に関する、インバータの一変形形態を示す。
【図７】太陽光発電機の接地に関する、インバータの他の変形形態を示す。
【図８】高周波で動作させられる２つのスイッチ、および１つの中間インダクタンスからそれぞれ作られ、かつ第１および第２の入力ライン間に接続された２つだけではなく３つの直列回路を備える、図１によるインバータの一変形形態を示す。
【図９】図１〜図８のいずれかに従ってインバータのアンフォールディング回路に並列に接続することができる保護回路を示す。
【図１０】直流入力から交流出力を形成するための、図１によるインバータのスイッチに対する制御信号のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
この説明では、静電容量という用語を、電気容量を提供するために並列および／または直列に接続された１つまたは複数のコンデンサを指すために使用する。同様に、インダクタンスという用語は、電気インダクタンスを提供するために直列および／または並列に接続された１つまたは複数のインダクタを指す。
【００１９】
本発明によるインバータでは、高周波で切換可能な第１のスイッチ、第１のインダクタンス、および高周波で切換可能な第２のスイッチから作られた第１の直列回路の他に、高周波で切換可能な第３のスイッチ、第２のインダクタンス、および高周波で切換可能な第４のスイッチから作られた他の直列回路が、第１および第２の入力ライン間に接続され、第１の直列回路の第１のインダクタンスおよび第２の直列回路の第２のインダクタンスは、磁気的に結合される。整流器ダイオードが、第１のインダクタンスの第１の側から、本明細書では同じく第３の整流器ダイオードと呼ばれる他の整流器ダイオードが第２の直列回路の第２のインダクタンスの対応する第１の側からつながる第１の中間点につながり；第２および第４の整流器ダイオードが、第２の中間点から、それぞれ第１および第２の直列回路の第１および第２のインダクタンスの対応する第２の側につながる。
【００２０】
新しいインバータの動作については、電流が第１および第２の中間点の間を流れ、電流の方向が、第１の整流器ダイオードから第４の整流器ダイオードへ阻止する方向により決定され、電流は、同時に、高周波で切換可能なスイッチを高周波で動作させることによって、半波毎の正弦形状になる。典型的には、この高周波は数キロヘルツの範囲である。この正弦形状は、電流がたとえば直接パルス幅変調により正弦に形成されるにもかかわらず、ほぼ中断なしに交互に動作させられる直列回路を通って流れることができるので、ほぼ電流リップルなしに提供される。したがって、第１および第２の中間点に接続されたアンフォールディング回路が、極性が交番するこの直流を、半波毎に出力ラインに転送しさえすればよい。この交流をフィルタ処理する必要はない。
【００２１】
実際には、本発明は、入力ライン間の第２の直列回路内に第２のインダクタンスがあるにもかかわらず、組立サイズが低減することになる。詳細には、ＬＣフィルタを、したがった、大きなグリッドチョークを完全になくすることができる。同時に、いずれにしても２つの直列回路のより小さなインダクタンスがそれぞれ、入力ライン間の単一直列回路のインダクタンスよりはるかに小さくてもよい。インダクタンスの観点から、有効周波数は、電磁結合のために、実際のスイッチング周波数に対して２倍だけ増大する。したがって、電磁結合がない場合の個々の回路と比較して、各インダクタのサイズを少なくとも３０％だけ低減してもよい。本発明のインバータは、ＬＣフィルタの静電容量がないだけでなく、電圧リンク静電容量がなくても実際に作動する。しかしながら、整形された交流をさらに平滑化することができる小さな平滑静電容量をアンフォールディング回路の前または後に提供することは、特定の条件の下で有利な場合がある。しかしながら、主として、本発明のインバータは、その入力ライン間にバッファ静電容量を有する。
【００２２】
本発明のインバータの高周波スイッチは、入力ライン間にインダクタンスを備える１つの直列回路だけを備えるインバータと比較して、より低い電圧負荷およびより低い電流負荷の両方を受ける。したがって、高周波スイッチの寸法がより小さく保たれてもよく、それにより、追加の高周波スイッチを少なくとも部分的に補償する。アンフォールディング回路の交流の周波数で切換可能なスイッチは、出力側インダクタンスをなくしたために、たとえば安価なグリッドサイリスタのような逆流阻止スイッチとして作られてもよい。さらに、いわゆるノーマリーオン炭化ケイ素（ＳｉＣ）半導体技術が高周波スイッチと共に使用されてもよいのは、入力ライン間の２つの直列回路を介して電流が２つに分岐するために、スイッチへの負荷、および短絡の危険性が両方とも低減するためである。
【００２３】
新しいインバータでは、第１および第２の入力ラインの一方、またはたとえば入力ラインに接続された太陽光発電機の中央点のような、入力側にある任意の他のポイントが、必要に応じて接地されてもよい。接地された入力ラインは、同じく接地された出力ラインに直接接続されてもよい。しかしながら、これは本発明のインバータの機能に不可欠というわけではない。
【００２４】
本発明のインバータでは、入力ライン間に互いに並列にそれぞれ接続された２つの高周波スイッチおよび中間インダクタンスからなる直列回路の数は、２つに限定されない。したがって、たとえば、高周波で切換可能な第５のスイッチ、第３のインダクタンス、および高周波で切換可能な第６のスイッチを備え、かつ２つの入力ライン間に接続された第３の直列回路が存在してもよい。この場合、第１のインダクタンス、第２のインダクタンス、および第３のインダクタンスは、磁気的に結合され、第５の整流器ダイオードは、第３のインダクタンスの第１の側から第１の中間点につながり、第６の整流器ダイオードは、第２の中間点から、第３のインダクタンスの第２の側につながる。第５の整流器ダイオードが第１の中間点につながる第１の側は、第１および第２の整流器ダイオードが第１の中間点につながる第１および第２のインダクタンスの第１の側と同じ第１の入力ラインの方向を向くことを理解されたい。同様の規則が、第２、第４、および第６の整流器ダイオードが第２の中間点からつながり、かつ同じ第２の入力ラインの方向を向くインダクタンスの第２の側に適用される。この点で、それぞれの整流器ダイオードが「つながる」方向は、本明細書では、これらのダイオードの導通方向を指すこと、および整流器ダイオードの導通方向はそれぞれ、入力ラインから出力ラインへの電流束がそれぞれのインダクタンスだけを通って起こり得るような方向に向けられることが留意されてもよい。閉じた隣接の高周波スイッチでさえ、隣接する入力ラインからの直接の流れは、そのような流れが整流器ダイオードにより阻止されるので起こり得ない。
【００２５】
アンフォールディング回路は、詳細には、第１および第２の中間点の間にフルブリッジを備える整流子回路であってもよく、それに応じて、交流の周波数で切換可能で、第１の中間点および第１の出力ラインに接続された第１のスイッチ、交流の周波数で切換可能で、第２の中間点および第１の出力ラインに接続された第２のスイッチ、交流の周波数で切換可能で、第１の中間点および第２の出力ラインに接続された第３のスイッチ、ならびに交流の周波数で切換可能で、第２の中間点および第２の出力ラインに接続された第４のスイッチを備えてもよい。
【００２６】
アンフォールディング回路の低周波スイッチは、入力ライン間の直列回路の高周波スイッチを同じく動作させるコントローラにより動作させられてもよい。また、出力ラインに接続された交流グリッドによってアンフォールディング回路のスイッチの通信用に制御回路を提供することも可能である。このようなライン通信アンフォールディング回路は、一般に公知である。
【００２７】
通常、第１の中間点および第２の中間点から出力ラインに接続された交流グリッドまで伸びる電源電流経路に、低周波スイッチだけが提供され、ＬＣフィルタなどのインダクタンスは提供されないが、それにもかかわらず、本インバータは、第１の中間点および第２の中間点の間に接続された保護回路を備えてもよい。保護回路は、それぞれ並列に接続された、２つの逆方向を向く整流器ダイオードからなる２つの直列回路を備えてもよく、２つの直列回路の整流器ダイオードは、逆の阻止方向を備え、２つの直列回路の中間点は、並列に接続された静電容量およびバリスタを介して互いに接続される。この保護回路は、交流グリッドの方向にも、本発明のインバータの入力ラインに接続された太陽光発電機の方向にも有効な動的クランピング機能を提供する。
【００２８】
次に、図面をより詳細に参照すると、図１は、電気エネルギーを太陽光発電機２から単相交流グリッド１３の中に供給するインバータ１を示す。このとき、太陽光発電機２の負端子が、ＡＣ電力グリッド１３のゼロ導体とまったく同じように接地される。太陽光発電機２は、インバータ１の入力ライン３および４に接続される。１つまたは複数の個々のコンデンサにより提供されるバッファ静電容量Ｃが、入力ライン３および４の間に接続される。さらに、第１の直列回路５および第２の直列回路６が、入力ライン３および４の間に接続される。各直列回路５および６は、それぞれ２つの高周波スイッチＳ１およびＳ２ならびにＳ３およびＳ４、ならびにそれぞれ２つのスイッチＳ１およびＳ２ならびにＳ３およびＳ４の間に配置されたインダクタンスＬ１およびＬ２からそれぞれ作られる。２つのインダクタンスＬ１およびＬ２は磁気的に結合され、たとえば、共通コア上の２つの巻線として作られる。入力ライン４の方向を向き、したがって、太陽光発電機２の負端子に向くインダクタンスＬ１およびＬ２の側から、第１の整流器ダイオードＤ１、および本明細書では第３の整流器ダイオードと呼ばれる整流器ダイオードＤ３が第１の中間点７につながり、一方、第２の整流器ダイオードＤ２および第４の整流器ダイオードＤ４が、第２の中間点からインダクタンスＬ１およびＬ２のそれぞれの他方の側につながる。整流器ダイオードＤ１およびＤ４の阻止方向は、高周波で切換可能な隣接するスイッチＳ１〜Ｓ４が閉じられた場合でさえ、中間点７および８に接続された入力ライン３または４からだけでなく、それぞれのインダクタンスＬ１またはＬ２を介しても、電流が直接流れることができないような方向に向けられる。スイッチＳ１〜Ｓ４を高周波で適切な方法で動作させることによって、中間点７および８の間に交流を形成することができる。詳細には、半波毎に正弦形状になるように電流を形成することができる。さらに、このとき、２つの入力ライン３および４の間に存在する電圧を昇圧することができる。中間点７および８まで到達する、インバータ１の入力側回路部分９はまた、原理上、降圧昇圧コンバータとして、すなわち、入力電圧を昇圧または降圧することができるＤＣ／ＤＣコンバータとして別個に使用されてもよい。このとき、この入力側回路部分９は、主に半波毎に中間点７および８の間に直流を正弦整形する役割を果たし、インバータ１の出力側アンフォールディング回路１０が、この直流を半波毎に交番する極性で出力ライン１１および１２を介してＡＣ電力グリッド１３の中に供給する。このために、アンフォールディング回路１０は、中間点７および８の間に、交流の周波数で切換可能なスイッチＳ７〜Ｓ１０を含むフルブリッジを備える。出力ライン１１および１２は、公知の方法で、フルブリッジのハーフブリッジの中央点に接続される。フルブリッジのスイッチＳ７〜Ｓ１０は、直接誘導されてもよい、すなわち、交番するグリッド電圧により動作させられてもよい。
【００２９】
以下の図２〜図５は、中間点７および８の間に半波毎に正弦形状を有する直流を形成するために活動化させられる、異なるスイッチング状態、およびその結果得られる、図１によるインバータ１を通る電流経路が示されている。
【００３０】
図２によれば、直列回路５のスイッチＳ１およびＳ２が閉じられる。したがって、インダクタンスＬ１にエネルギーが与えられる。第２の直列回路６の２つのスイッチＳ３およびＳ４は開かれ、したがって、図２に示されていない。２つのスイッチＳ３およびＳ４の間に接続された第２のインダクタンスＬ２は、ダイオードＤ３およびＤ４を介してエネルギー供給を断たれる。このとき、第２のインダクタンスＬ２を通る電流が、第１のインダクタンスＬ１との電磁結合により、およびＬ１の先行するエネルギー供給により維持される。
【００３１】
図３によれば、図１による高周波スイッチＳ１〜Ｓ４はすべて開かれる。２つのインダクタンスＬ１およびＬ２の先行するエネルギー供給のために、両方のインダクタンスを通る電流が、ダイオードＤ１〜Ｄ４を介してＡＣ電力グリッドの中に駆動される。
【００３２】
図４によれば、直列回路５および６に関して図２と逆の状況が存在する。このとき、スイッチＳ３およびＳ４が閉じられ、一方、スイッチＳ１およびＳ２が開かれ、したがって、図４に示されていない。インダクタンスＬ２にエネルギーが与えられる。電流は、インダクタンスＬ１からダイオードＤ１およびＤ２を介してＡＣ電力グリッド１３の中に流れ；電流は、第２のインダクタンスＬ２との電磁結合によるだけでなく、インダクタンスＬ１の先行するエネルギー供給によっても維持される。
【００３３】
図５は、図１による４つの高周波スイッチＳ１〜Ｓ４すべてが、入力電圧を昇圧するためにインダクタンスＬ１およびＬ２の両方に同時にエネルギーを与えるために閉じられたときの状況を示す。この場合、他の状況では図１によるインバータ１に必要ない出力側の追加静電容量ＣＡが提供される場合、ＡＣ電力グリッド１３に向かう方向に流れる電流だけを維持することができる。
【００３４】
図１には、接地された入力ライン４および接地された出力ライン１２の任意選択の接続１４が破線で示されたが、図６は、出力ライン１２および入力ライン３の間のこのような接続１４を破線で示す。これは、図６によれば、太陽光発電機２の正端子が接地されているので、太陽光発電機２全体が、電気的接地に対して負電位にあることを意味する。逆に、図１によれば、太陽光発電機２全体が接地に対して正電位にある。太陽光発電機２を構成するソーラーモジュールに応じて、これらの電位の一方が、太陽光発電機２の長い寿命に有利である場合がある。
【００３５】
図７では、破線で示す任意選択の接続１４が、出力ライン１２、およびたとえば、接地に対する太陽光発電機の領域の最大電圧を太陽光発電機により提供されるＰＶ電圧の半分に制限するためにこのとき接地される太陽光発電機２の中間点１７の間に伸びる。図６および図７は、図１と共に、インバータ１の入力ライン３および４の領域での接地に関してだけでなく、インバータ１の出力ライン１１および１２の領域での接地に関しても、インバータ１を使用するときに得られる自由度を例示する。
【００３６】
図８は、２つの高周波スイッチおよび中間インダクタンスからそれぞれなる他の直列回路により、直列回路５および６の数を増やすオプションを示す。したがって、この場合、２つの高周波スイッチＳ５およびＳ６、ならびにこれらのスイッチの間に接続され、かつ直列回路５および６のインダクタンスＬ１およびＬ２に磁気的に接続されたインダクタンスＬ３から作られた１つの他の直列回路１５が提供される。入力ライン４に接続された、スイッチＳ６に向くインダクタンスＬ３の側から、第５の整流器ダイオードＤ５が中間点７につながり、一方、第６の整流器ダイオードＤ６が、中間点８からインダクタンスＬ３の他方の側につながる。追加直列回路１５によって、このとき、スイッチＳ１〜Ｓ６が、たとえば各正弦形状の半波の開始または終了に、所望の小さな電流を発生させるために短いデューティーサイクルだけを有する場合でさえ、パルス幅変調により電流を形成するにもかかわらず、中間点７および８の間になおさらに連続的な電流の流れを発生させることができる。
【００３７】
図９は、スイッチＳ７〜Ｓ１０を備えるアンフォールディング回路に並列に接続された、中間点７および８の間の保護回路１６を示す。保護回路１６は、並列に接続された、２つの対向する整流器ダイオードＤ７およびＤ８からなる第１の直列回路、ならびに２つの対向する整流器ダイオードＤ９およびＤ１０からなる第２の直列回路を備える。このとき、一方の整流器ダイオードＤ７およびＤ９、ならびに他方の整流器ダイオードＤ８およびＤ１０は、互いに対向する阻止方向を備える。一方の整流器ダイオードＤ７およびＤ８、ならびに他方の整流器ダイオードＤ９およびＤ１０からなる２つの直列回路の中央点１８および１９が、並列に接続された静電容量ＣＳおよびバリスタ２０を介して接続される。中間点７および８の間に静電容量ＣＳにより補償することができない過電圧が発生する場合、バリスタ２０が導通し、中間点７および８の間に電流を直接流すことにより過電圧を補償する。
【００３８】
図１０は、このとき高周波で動作させられる、インバータ１の直列回路５および６の高周波スイッチＳ１〜Ｓ４の制御信号、および交流ＡＣの周波数で動作させられる、アンフォールディング回路１０の低周波スイッチＳ７〜Ｓ９の制御信号を示す。交流を正弦形状の半波に整形することは、スイッチＳ３およびＳ４の同位相動作に対して逆位相の、スイッチＳ１およびＳ２の同位相動作でのパルス幅変調により達成される。これに対応して、このとき、図２および図４によるスイッチング状態だけを使用する。次いで、所望の正弦形状の交流ＡＣが出力ライン１１および１２の間を流れるように、中間点７および８の間の直流の半波が、スイッチＳ７〜Ｓ１０を整流子のように対で動作させることにより、インバータのこれらの出力ライン１１および１２に転送される。
【００３９】
本発明の精神および原理から実質的に逸脱することなく、本発明の好ましい実施形態に多くの変更および修正が行われてもよい。このような修正および変更はすべて、本明細書において、特許請求の範囲により規定されるように、本発明の範囲に含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００４０】
１    インバータ
２    太陽光発電機
３    入力ライン
４    入力ライン
５    直列回路
６    直列回路
７    中間点
８    中間点
９    部分
１０    アンフォールディング回路
１１    出力ライン
１２    出力ライン
１３    ＡＣ電力グリッド
１４    接続
１５    直列回路
１６    保護回路
１７    中央点
１８    中央点
１９    中央点
２０    バリスタ
Ｓ１〜Ｓ６    高周波で切換可能なスイッチ
Ｓ７〜Ｓ１０    交流の周波数で切換可能なスイッチ
Ｄ１〜Ｄ１０  整流器ダイオード
Ｃ    静電容量
ＣＡ    静電容量
ＣＳ    静電容量
Ｌ１〜Ｌ３    インダクタンス
【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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