(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いにネスティングされるとともに少なくとも２つのネスティングレベルを有する複数のモジュール（４００、４０６、５００、５０６、６００ａ、６００ｂ、６０６、７００ａ、７００ｂ、７２８、８０１、８１０、８１５、８１６、８１７、８３１、８４１、８５１、８６１、８７１、９０１、９１５、９２３、９３１、９４１、９５１、９５２、９５３、９５４、９５７、９５８、９５９、９６１）を含む電気的変換器システムであって、
少なくとも２つの電気的端子（４１８、４１９、５１８、５１９、５２０、５２１、５２２、５２３、６１８、６１９、６２０、６２１、６２２、６２３、７１９、７２０、７２１、７２２、７２３、７２４、７２５、７２５ａ、７２５ｂ、７２６、７２６ａ、７２６ｂ）と１つのエネルギー列（４０１、５０１、６０１、７０１、７０２、７０３、７０４、８２０、８３０、９２０、９２１、９５５、９５６）を含む第１のネスティングレベルの少なくとも１つの埋め込みモジュール（４００、５００、６００ａ、６００ｂ、７００ａ、７００ｂ、８０１、８３１、８４１、８５１、８６１、８７１、９０１、９３１、９４１、９５１、９６１）が設けられ、
前記少なくとも１つの埋め込みモジュール（４００、５００、６００ａ、６００ｂ、７００ａ、７００ｂ、８０１、８３１、８４１、８５１、８６１、８７１、９０１、９３１、９４１、９５１、９６１）のそれぞれは、前記エネルギー列（４０１、５０１、６０１、７０１、７０２、７０３、７０４、８２０、８３０、９２０、９２１、９５５、９５６）内において、前記第１のネスティングレベルより深い第２のネスティングレベルの少なくとも２つの互いに相互接続された被埋め込みモジュール（４０６、５０６、６０６、７２８、８１０、８１５、８１６、８１７、９１５、９２３、９５２、９５３、９５４、９５７、９５８、９５９）を含み、
前記複数のモジュール（４００、４０６、５００、５０６、６００ａ、６００ｂ、６０６、７００ａ、７００ｂ、７２８、８０１、８１０、８１５、８１６、８１７、８３１、８４１、８５１、８６１、８７１、９０１、９１５、９２３、９３１、９４１、９５１、９５２、９５３、９５４、９５７、９５８、９５９、９６１）のそれぞれは、ネスティングレベルの少なくとも２つのモジュール（４００、４０６、５００、５０６、６００ａ、６００ｂ、６０６、７００ａ、７００ｂ、７２８、８０１、８１０、８１５、８１６、８１７、８３１、８４１、８５１、８６１、８７１、９０１、９１５、９２３、９３１、９４１、９５１、９５２、９５３、９５４、９５７、９５８、９５９、９６１）間の複数の回路状態の動的切り替えのための複数のスイッチング素子（４０８〜４１５、５０８〜５１５、６０８〜６１５、７０９〜７１６、８０２〜８０９、９０２〜９０９）含む、電気的変換器システム。
【請求項２】
上位ネスティングレベルの前記スイッチング素子（４０８〜４１５、５０８〜５１５、６０８〜６１５、７０９〜７１６、８０２〜８０９、９０２〜９０９）は、より深いネスティングレベルの前記スイッチング素子（４０８〜４１５、５０８〜５１５、６０８〜６１５、７０９〜７１６、８０２〜８０９、９０２〜９０９）より遅いスイッチング速度を有する、請求項１に記載の電気的変換器システム。
【請求項３】
より深いネスティングレベルの前記スイッチング素子（４０８〜４１５、５０８〜５１５、６０８〜６１５、７０９〜７１６、８０２〜８０９、９０２〜９０９）は、上位ネスティングレベルの前記スイッチング素子（４０８〜４１５、５０８〜５１５、６０８〜６１５、７０９〜７１６、８０２〜８０９、９０２〜９０９）より低い絶縁耐力を有する、請求項１または２に記載の電気的変換器システム。
【請求項４】
上位ネスティングレベルのスイッチング素子（４０８〜４１５、５０８〜５１５、６０８〜６１５、７０９〜７１６、８０２〜８０９、９０２〜９０９）は、整流能力を有しないスイッチング素子である、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の電気的変換器システム。
【請求項５】
より深いネスティングレベルのモジュール（４００、４０６、５００、５０６、６００ａ、６００ｂ、６０６、７００ａ、７００ｂ、７２８、８０１、８３１、８４１、８５１、８６１、８７１、９０１、９３１、９４１、９５１、９６１）のトポロジーは、上位ネスティングレベルのモジュール（４００、４０６、５００、５０６、６００ａ、６００ｂ、６０６、７００ａ、７００ｂ、７２８、８０１、８３１、８４１、８５１、８６１、８７１、９０１、９３１、９４１、９５１、９６１）のトポロジーと異なる、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の電気的変換器システム。
【請求項６】
ネスティングレベルの前記モジュール（４００、４０６、５００、５０６、６００ａ、６００ｂ、６０６、７００ａ、７００ｂ、７２８、８０１、８３１、８４１、８５１、８６１、８７１、９０１、９３１、９４１、９５１、９６１）のそれぞれのトポロジーは、互いに異なる、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の電気的変換器システム。
【請求項７】
各ネスティングレベルの前記モジュール（４００、４０６、５００、５０６、６００ａ、６００ｂ、６０６、７００ａ、７００ｂ、７２８、８０１、８３１、８４１、８５１、８６１、８７１、９０１、９３１、９４１、９５１、９６１）のそれぞれのトポロジーは、同じタイプである、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の電気的変換器システム。
【請求項８】
より深いネスティングレベルのモジュール（４００、４０６、５００、５０６、６００ａ、６００ｂ、６０６、７００ａ、７００ｂ、７２８、８０１、８３１、８４１、８５１、８６１、８７１、９０１、９３１、９４１、９５１、９６１）は、正確に１つの電気的端子（８１３、８１４、８１８、８１９、９１３、９１４、９１８、９１９）により上位ネスティングレベルのモジュール（４００、４０６、５００、５０６、６００ａ、６００ｂ、６０６、７００ａ、７００ｂ、７２８、８０１、８３１、８４１、８５１、８６１、８７１、９０１、９３１、９４１、９５１、９６１）の正のバスバー（４１６、５１６、６１６、８１１、９１１）および／または負のバスバー（４１７、５１７、６１７、８１２、９１２）へ電気的に接続される、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の電気的変換器システム。
【請求項９】
前記少なくとも１つのモジュール（４００、４０６、５００、５０６、６００ａ、６００ｂ、６０６、７００ａ、７００ｂ、７２８、８０１、８１０、８１５、８１６、８１７、８３１、８４１、８５１、８６１、８７１、９０１、９１５、９２３、９３１、９４１、９５１、９５２、９５３、９５４、９５７、９５８、９５９、９６１）の少なくとも１つのエネルギー列（４０１、５０１、６０１、７０１、７０２、７０３、７０４、８２０、８３０、９２０、９２１、９５５、９５６）は、少なくとも１つのエネルギー蓄積器を含む、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の電気的変換器システム。
【請求項１０】
請求項１乃至９のいずれか一項に記載の電気的変換器システムを提供する方法であって、
少なくとも２つのネスティングレベルを有する電気回路が使用され、
前記第１のネスティングレベルの少なくとも１つの埋め込みモジュールは少なくとも１つのエネルギー列を形成するために使用され、
前記第２のネスティングレベルの少なくとも２つの被埋め込みモジュールは、互いに相互接続され、
前記複数のモジュールのそれぞれでは、少なくとも２つの端子と複数のスイッチング素子が、ネスティングレベルの少なくとも２つのモジュール間の複数の回路状態で動的に切り替わることができるように使用される、方法。
【請求項１１】
上位ネスティングレベルにおいて使用されるスイッチング素子は、より深いネスティングレベルにおいて使用されるスイッチング素子より遅いスイッチング速度を有する、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
より深いネスティングレベルにおいて使用されるスイッチング素子は、上位ネスティングレベルにおいて使用されるスイッチング素子より低い絶縁耐力を有する、請求項１０または１１のいずれかに記載の方法。
【請求項１３】
整流能力を有しないスイッチング素子が上位ネスティングレベルにおいて使用される、請求項１０乃至１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
前記少なくとも１つのエネルギー列が少なくとも１つのエネルギー貯蔵器を含む少なくとも１つのモジュールが使用される、請求項１０乃至１３のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は互いにネスティングされた個々のモジュールを含む電気的変換器システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
このような電気的交流モータは例えば電気自動車に採用され、通常、電池により供給されるＤＣ電圧をＡＣ電圧へ変換する変換器を必要とする。このような自動車内の従来の変換器は、出力端子をＤＣ電圧源の正極と陰極とへ交互に接続する所謂ブリッジ回路を使用する。各切り替え状態では、変換器は、必要とされるＡＣ電圧が時間と共に平均的に上昇するように各状態の滞留時間を選択する。しかし、このようにして生成されるＡＣ電圧は低品質と歪みを有する。加えて、高エネルギー損失が切り替え過程の結果として発生する。切り替えの結果として生じる高周波切り替えエッジが高エネルギーを電磁的に発射させるので電磁適合性（ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ  ｃｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙ）の意味で別の欠点が発生する。さらに、この回路は、ピーク電圧の場合毎に設計される必要があるので高価な部品を余儀なくされる。
【０００３】
上述の課題はモジュラーマルチレベル変換器を使用することにより対処され得る。モジュラーマルチレベル変換器は、とりわけ以下の文献から知られている：“Ａ．Ｌｅｓｎｉｃａｒ，Ｒ．Ｍａｒｑｕａｒｄｔ（２００３），Ａｎ  ｉｎｎｏｖａｔｉｖｅ  ｍｏｄｕｌａｒ  ｍｕｌｔｉｌｅｖｅｌ  ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ  ｔｏｐｏｌｏｇｙ  ｓｕｉｔａｂｌｅ  ｆｏｒ  ａ  ｗｉｄｅ  ｐｏｗｅｒ  ｒａｎｇｅ，ＩＥＥＥ  Ｐｏｗｅｒ  Ｔｅｃｈ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  Ｐｒｏｃ．，３：６ｆｆ．”、“Ｍ．Ｇｌｉｎｋａ，Ｒ．Ｍａｒｑｕａｒｄｔ（２００５），Ａ  ｎｅｗ  ＡＣ／ＡＣ  ｍｕｌｔｉｌｅｖｅｌ  ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ  ｆａｍｉｌｙ，ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ  ｏｎ  Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，５２：６６２−６６９”、“Ｓ．Ｍ．Ｇｏｅｔｚ，Ａ．Ｖ．Ｐｅｔｅｒｃｈｅｖ，Ｔｈ．Ｗｅｙｈ（２０１５），Ｍｏｄｕｌａｒ  ｍｕｌｔｉｌｅｖｅｌ  ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ  ｗｉｔｈ  ｓｅｒｉｅｓ  ａｎｄ  ｐａｒａｌｌｅｌ  ｍｏｄｕｌｅ  ｃｏｎｎｅｃｔｉｖｉｔｙ：ｔｏｐｏｌｏｇｙ  ａｎｄ  ｃｏｎｔｒｏｌ，ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ  ｏｎ  Ｐｏｗｅｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，３０（１）：２０３−２１５”。電気的変換器システムは同様に独国特許出願公開第１０  ２０１１  １０８  ９２０Ａ１号明細書と独国特許出願公開第１０  ２０１０  ０５２  ９３４Ａ１号明細書とから知られている。
【０００４】
モジュラーマルチレベル変換器は、電気的ＡＣモータなどの負荷の出力電圧が小さな段差で生成されるようにする。モジュラーマルチレベル変換器では、個々のモジュールはそれぞれエネルギー貯蔵器を含み、複数のスイッチング素子は隣接モジュールと電気的に相互接続される。電気的相互接続は、エネルギー貯蔵器の直列および並列接続を動的に変更することにより出力電圧が生成されるように動作中動的に自由に変更可能である。個々のモジュールは、互いにハードワイヤード接続されるとともに電圧という意味で可変であり得かつ他の極低電圧源へ電気的に接続され得る極低電圧源を構成する。スイッチング素子およびエネルギー貯蔵器の複数の配置が個々のモジュール用に開発されてきた。エネルギー貯蔵器とスイッチング素子のそれぞれの配置はマイクロトポロジーと呼ばれる。
【０００５】
しかし、従来技術のモジュラーマルチレベル変換器は隣接モジュールを動的に互いに相互接続し得るだけである。対照的に、モジュールの電気的エネルギー貯蔵器のいかなる並列および直列接続も、個々の部品の設計電圧が総出力電圧のほんの何分の１でなければならないという重要な利点が維持されれば不可能である。これは、動作中にそしてこのような回路の損失振る舞いという意味で不利益を生じる。ほとんどの変換器技術においてモジュールが繋ぎ合わせられるマクロトポロジーの鎖状構造は加えて、変換器アーム（すなわち一連の個々のモジュール）の負荷電流をしてすべてのモジュール中を流れさせ、その結果、システムのオーム損失は不必要に増加される。
【０００６】
非隣接モジュールですら省略モジュールが切り替え過程に含まれること無しにそれらの電気的エネルギー貯蔵器を互いに並列に電気的に接続し得るようなモジュールの省略（特に並列接続における）は、部品の大部分に可能な絶縁耐力の低減を、切り替え過程中に諦めることなしには従来技術のいかなる技術においても不可能である。
【０００７】
さらに、例えば直接隣接しないモジュールのエネルギー等化などの他の機能は、実現され得ないか、または高い追加回路費用によってだけ実現され得る。さらに、これは、各個々のモジュールがすべての切り替え状態を提供する必要があるので通常使用される多くの半導体素子を必要とする。多数の個々のモジュールを含む大きな変換器の制御もまた、すべてのモジュールが通常は中央制御装置により駆動されなければならないので問題を生じる。
【０００８】
以下、用語「電気的エネルギー貯蔵器」はまた、単にエネルギー取り込みまたはエネルギー配送のいずれにしろ１つの動作領域を好適に可能にするという点で、電気的エネルギー貯蔵器とは異なる電気的エネルギー源およびエネルギー吸い込みを含むように意図されている。さらに、本明細書において示される電気的エネルギー貯蔵器は必ずしも理想的（したがって無損失）である必要がないので、引き出され得るエネルギーは前に送り込まれたものより低いかもしれない。
【０００９】
電力変換器は通常、複数の入力間で電気的エネルギーを輸送し得る電気回路を表し、切り替え過程中、電流および／または電圧パラメータを変換する可能性を提供する。これは、特にＤＣ−ＤＣコンバータ、インバータおよび整流器を含む。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】Ａ．Ｌｅｓｎｉｃａｒ，Ｒ．Ｍａｒｑｕａｒｄｔ（２００３），Ａｎ  ｉｎｎｏｖａｔｉｖｅ  ｍｏｄｕｌａｒ  ｍｕｌｔｉｌｅｖｅｌ  ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ  ｔｏｐｏｌｏｇｙ  ｓｕｉｔａｂｌｅ  ｆｏｒ  ａ  ｗｉｄｅ  ｐｏｗｅｒ  ｒａｎｇｅ，ＩＥＥＥ  Ｐｏｗｅｒ  Ｔｅｃｈ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  Ｐｒｏｃ．，３：６ｆｆ．
【非特許文献２】Ｍ．Ｇｌｉｎｋａ，Ｒ．Ｍａｒｑｕａｒｄｔ（２００５），Ａ  ｎｅｗ  ＡＣ／ＡＣ  ｍｕｌｔｉｌｅｖｅｌ  ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ  ｆａｍｉｌｙ，ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ  ｏｎ  Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，５２：６６２−６６９
【非特許文献３】Ｓ．Ｍ．Ｇｏｅｔｚ，Ａ．Ｖ．Ｐｅｔｅｒｃｈｅｖ，Ｔｈ．Ｗｅｙｈ（２０１５），Ｍｏｄｕｌａｒ  ｍｕｌｔｉｌｅｖｅｌ  ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ  ｗｉｔｈ  ｓｅｒｉｅｓ  ａｎｄ  ｐａｒａｌｌｅｌ  ｍｏｄｕｌｅ  ｃｏｎｎｅｃｔｉｖｉｔｙ：ｔｏｐｏｌｏｇｙ  ａｎｄ  ｃｏｎｔｒｏｌ，ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ  ｏｎ  Ｐｏｗｅｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，３０（１）：２０３−２１５
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】独国特許出願公開第１０  ２０１１  １０８  ９２０Ａ１号明細書
【特許文献２】独国特許出願公開第１０  ２０１０  ０５２  ９３４Ａ１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明により達成されように意図されている１つの目的は、直接隣接しないモジュールの並列接続を可能にすることにその本質がある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
この目的は、請求項１に記載の特徴を有する電気的変換器により達成される。別の構成は従属請求項および本明細書から収集され得る。
【００１４】
Ｍ２Ｃ（モジュラーマルチレベル変換器）、Ｍ２ＳＰＣ（モジュラーマルチレベル直並列変換器）およびスイッチドキャパシタ変換器は通常、基本構造として、別の要素（例えば、連続的隣接回路、基本構造と並列な回路、または基本構造の様々なノードを接続する回路素子）により補われ得る同様な副回路の連結を利用する。この場合、以後一般性を制限することなく「モジュール」または「個々のモジュール」と呼ばれる少なくとも一回は反復される回路の当該部分は、構造的に同一的に反復される必要は無いが、機能的類似性を有する。２つのモジュールは通常、両方が同じタイプの少なくとも２つの所謂回路機能または回路状態を表し得れば、このような類似性を既に呈示する。
【００１５】
個々のモジュールまたはモジュールの任意の既知マイクロトポロジーから生じる本発明によると、個々のモジュールのこのマイクロトポロジー内のエネルギー貯蔵器は別の個々のモジュールにより置換される。その結果、既知の個々のモジュールのマルチレベル接続が可能にされる。換言すれば、個々のモジュールは個々のモジュール内に埋め込まれる、すなわち互いにネスティングされる。この場合、既知のモジュールトポロジーは埋め込みモジュール（ｅｍｂｅｄｄｉｎｇ  ｍｏｄｕｌｅ）と被埋め込みモジュール（ｅｍｂｅｄｄｅｄ  ｍｏｄｕｌｅ）との両方として使用され得る。この結果、個々のモジュールまたはモジュール群は、固定された振る舞いを有するエネルギー貯蔵器だけをもはや含まないが、むしろ、その特性という意味で自身が動的に修正され得る被埋め込みモジュールを含む。この結果、回路費用を著しく増加すること無しに、個々のモジュールのエネルギー貯蔵器の相互接続の著しく高い柔軟性が生じる。したがって多次元変換器システムが存在し、これにより、直接隣接しない個々のモジュールが互いに並列に接続され得る。
【００１６】
本発明による電気的変換器システムは、互いにネスティングされ任意数のネスティングレベルを有する複数のモジュールを含む。複数のモジュールのうちの１つのモジュールは少なくとも２つの端子と１つのエネルギー列を含む。エネルギー列は、少なくとも１つのエネルギー貯蔵器および／または次のより深いネスティングレベルに関連付けられた少なくとも２つのモジュールを含む。ネスティングを実現するために、複数のモジュールの少なくとも１つのモジュールは、エネルギー列内のエネルギー貯蔵器の代わりに少なくとも１つのモジュール内に埋め込まれた少なくとも２つのモジュールを含まねばならない。
【００１７】
ネスティングレベルの少なくとも２つのモジュールは互いに相互接続される。そのために、モジュールは、ネスティングレベルの少なくとも２つのモジュール間の複数の回路状態を動的に切り替える複数のスイッチング素子を含む。この意味での回路状態は、それぞれの個々のモジュールまたはモジュール群のエネルギー貯蔵器に関して例えば並列接続、直列接続、バイパス接続、および受動接続である。
【００１８】
モジュラー変換器（例えばＭ２ＣまたはＭ２ＳＰＣなどのモジュラーマルチレベル変換器）およびスイッチドキャパシタ変換器のすべての既知のモジュール回路（所謂マイクロトポロジーまたはモジュールトポロジー）は埋め込みモジュールとして使用され得る。埋め込みモジュールに関して、電気的エネルギー貯蔵器のうちの少なくとも１つは、自身が少なくとも２つのモジュール（例えば一系列のモジュール（変換器アーム、モジュール列））、相モジュール（ｐｈａｓｅ  ｍｏｄｕｌｅ）または互いに相互接続された多くの相モジュールを含むマクロトポロジーにより置換される。埋め込み変換器（マトリューシュカ変換器）の好ましいモジュールタイプは、Ｍ２Ｃの二象限モジュール（以後、略してＭ２Ｃ−２ｑと呼ばれる）、Ｍ２Ｃの四象限モジュール（しばしばチョッパーモジュールとも呼ばれる；以後略してＭ２Ｃ−４ｑ）、短絡保護型Ｍ２Ｃモジュール（以後略して４ｑ−ＫＧＭ２Ｃ）、Ｍ２ＳＰＣの四象限モジュール（以後略してＭ２ＳＰＣ−４ｑ）、Ｍ２ＳＰＣの二象限モジュール（以後略してＭ２ＳＰＣ−２ｑ）、Ｍａｒｘ変換器モジュール（以後略してＭａＭ）、および様々なスイッチドキャパシタモジュールである。
【００１９】
本発明による変換器の別の実施形態では、より深いネスティングレベルの被埋め込みモジュールが、正確に１つの電気的端子により上位ネスティングレベルのモジュール（すなわち埋め込みモジュール）の正のバスバーおよび／または負のバスバーへ電気的に接続される。
【００２０】
全システムのスイッチング速度は被埋め込みモジュールのスイッチング素子により与えられ得る。この結果、上位ネスティングレベルのモジュールのスイッチング素子はより深いネスティングレベルのモジュールのスイッチング素子より遅いスイッチング速度を有し得る。
【００２１】
モジュール内で発生する最高電圧は、直接的に埋め込まれるモジュールと複数のレベルにわたってさらに深く埋め込まれるモジュールとのすべての電気的エネルギー貯蔵器の電圧のほぼ合計である。これは、一実施形態では、被埋め込みモジュールのより深いネスティングレベルにおけるスイッチング素子が上位ネスティングレベルのモジュールのスイッチング素子より低い絶縁耐力を有し得るという結果を有する。
【００２２】
先に述べたように、モジュラーマルチレベル技術から既に知られているモジュールトポロジーは埋め込みおよび／または被埋め込みモジュールとして使用され得る。様々な変形形態が本明細書において発生し得る。この点に関し、本発明による変換器の一実施形態では、埋め込みモジュールとまた被埋め込みモジュールはそれぞれ同じトポロジーを有し得、最深ネスティングレベルにおけるモジュールは通常、そのエネルギー列内に追加の被埋め込みモジュール列を含まないがむしろ少なくとも１つのエネルギー貯蔵器だけを含む所謂基本モジュールである。
【００２３】
代替的に、本発明による変換器の別の実施形態では、埋め込みモジュールはまた、被埋め込みモジュールのトポロジーと異なるトポロジーを有し得る。ここではまた、最深ネスティングレベルにおけるモジュールは通常、追加の被埋め込みモジュール列を含まないがむしろ少なくとも１つのエネルギー貯蔵器だけを含む所謂基本モジュールである。
【００２４】
別の代替法として、本発明による変換器のさらに別の実施形態では、ネスティングレベルのモジュール列のモジュールはそれぞれまた、異なるトポロジーを有し得る。ここではまた、最深ネスティングレベルにおけるモジュールは通常、追加の被埋め込みモジュール列を含まないがむしろ少なくとも１つのエネルギー貯蔵器だけを含む所謂基本モジュールである。
【００２５】
本発明はまた、電気的変換器システムを提供する方法を提案する。ここでは、少なくとも２つのネスティングレベルを有する電気回路が使用され、第１のネスティングレベルの少なくとも１つの埋め込みモジュールは少なくとも１つのエネルギー列を形成するために使用され、少なくとも第２の次のより深いネスティングレベルの少なくとも２つの被埋め込みモジュールはモジュールが互いに埋め込まれるように互いに相互接続され、モジュール内では、少なくとも２つの端子と複数のスイッチング素子が、ネスティングレベルの少なくとも２つのモジュール間の複数の回路状態で動的に切り替わることができるように使用される。
【００２６】
本発明による方法の一実施形態では、上位ネスティングレベルにおいて使用されるスイッチング素子はより深いネスティングレベルにおいて使用されるスイッチング素子より遅いスイッチング速度を有する。
【００２７】
本発明による方法の別の実施形態では、より深いネスティングレベルにおいて使用されるスイッチング素子は上位ネスティングレベルにおいて使用されるスイッチング素子より低い絶縁耐力を有する。
【００２８】
本発明による方法のさらに別の実施形態では、整流能力を有しないスイッチング素子が上位ネスティングレベルにおいて使用される。
【００２９】
本発明による方法の一実施形態では、少なくとも１つのエネルギー列が少なくとも１つのエネルギー貯蔵器を含む少なくとも１つのモジュールが使用される。
【００３０】
本発明による方法の別の実施形態では、少なくとも１つのエネルギー列が少なくとも１つのエネルギー貯蔵器だけを含む少なくとも１つのモジュールが使用される。
【００３１】
本発明の別の利点および構成は明細書と添付図面から明白である。
【００３２】
上述の特徴と以下にさらに説明されるものは、本発明の範囲から逸脱することなく、それぞれ示された組み合わせでだけでなく、他の組み合わせでまたはそれ自身で使用され得るということは言うまでもない。
【００３３】
本発明は添付図面内の実施形態に基づき模式的に示され、添付図面を参照して概略的におよび詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１ａ】従来技術の変換器回路を示す。
【図１ｂ】従来技術の例示的モジュール列を示す。
【図１ｃ】様々なモジュラーマルチレベル変換器変形形態のモジュールトポロジーを示す。
【図１ｄ】様々なモジュラーマルチレベル変換器変形形態のモジュールトポロジーを示す。
【図１ｅ】２つのモジュールの例示的相互接続を示す。
【図１ｆ】モジュール列を形成するための複数のモジュールの相互接続と、４つの電気的端子を有する複数のモジュール列の相互接続とを示す。
【図１ｇ】５つの電気的端子を有する複数のモジュール列の相互接続を示す。
【図１ｈ】６つの電気的端子間のマトリクス相互接続を示す。
【図２ａ】直列および並列切り替え変形形態を有するモジュラーマルチレベル変換器の例示的マクロトポロジーを示す。
【図２ｂ】直列および並列切り替え変形形態を有するモジュラーマルチレベル変換器の例示的マクロトポロジーを示す。
【図２ｃ】電気的端子の例示的タイプを示す。
【図２ｄ】直列および並列切り替え変形形態を有するモジュラーマルチレバー変換器におけるアプリケーションの３つの例示的マイクロトポロジーを示す。
【図２ｅ】変換器アームを形成するためのＭ２ＳＰＣモジュールの例示的相互接続を示す。
【図３】従来技術の典型的スイッチドキャパシタ変換器回路を示す。
【図４】本発明による電気的変換器システムのモジュールの一実施形態を示す。
【図５】本発明による電気的変換器システムのモジュールの別の実施形態を示す。
【図６】互いに相互接続された２つの埋め込みモジュールを含む本発明による変換器システムの別の実施形態を示す。
【図７ａ】モジュールが２つ以上のモジュール列を含む本発明による変換器システムの別の実施形態を示す。
【図７ｂ】モジュールが２つ以上のモジュール列を含む本発明による変換器システムの別の実施形態を示す。
【図８ａ】埋め込みおよび被埋め込みモジュールを含む本発明による変換器システムの別の実施形態を示す。
【図８ｂ】埋め込みおよび被埋め込みモジュールを含む本発明による変換器システムの別の実施形態を示す。
【図９ａ】埋め込みおよび被埋め込みモジュールを含む本発明による変換器システムの別の実施形態を示す。
【図９ｂ】埋め込みおよび被埋め込みモジュールを含む本発明による変換器システムの別の実施形態を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
本発明による電気的変換器システムは、可変出力電圧を生成するためのおよび／または前記電気的エネルギー貯蔵器またはエネルギー源間のエネルギーを転送するための電気的エネルギー貯蔵器（例えばインダクタンス、キャパシタおよびバッテリーセルまたはエネルギー源など）の電気的相互接続における動的変更を利用する。したがって、本発明による変換器システムはまた、所謂Ｍ２Ｃ、Ｍ２ＳＰＣおよびスイッチドキャパシタ回路に関する。
【００３６】
Ｍ２ＣおよびＭ２ＳＰＣ回路はモジュラーマルチレベル変換器回路であり、Ｍ２ＳＰＣ回路は電気的エネルギー貯蔵器の直列および並列切り替え変形形態を可能にする。上記回路はモジュラー設計の回路である（換言すると、互いに相互接続された複数のモジュールから構成される）。ここでは、モジュールは通常、電気的エネルギー貯蔵器と少なくとも１つの電子的スイッチング素子とを含む。個々のモジュールのスイッチング素子の好適な活性化により、エネルギー貯蔵器は、他のモジュール（通常は隣接モジュール）と電気的に直列におよび／または電気的に並列に接続され得るおよび／または他のモジュールから電気的に絶縁され得る。モジュールの実施形態に依存して、これらの電気的接続はそれぞれのエネルギー貯蔵器に対して個々に行われ得る。
【００３７】
図１ａは、従来技術の変換器回路を示す。この基本原理は、特にはＭ２Ｃ、Ｍ２ＳＰＣ、および別のモジュール回路（組み合わせずにまたは互いに組み合わせてのいずれかでモジュラー変換器を形成する所謂マイクロトポロジー）の使用によりこれら２つの基本的技術の修正形態および別の発展形態も含む同様なモジュール１０１の相互接続に基づく。図１ａに示す回路は、別の回路部品またはモジュールがリンクされ得る複数の端子１０２、１０３、１０４を含む。少なくとも２つのモジュール１０１の直列接続はモジュール列１０５または変換器アームと呼ばれる。個々のモジュール１０１またはモジュール列１０５は電気的接続１０７を介し互いに接続される。複数のモジュール列１０５は相モジュール１０６と呼ばれる。
【００３８】
図１ｂは、複数のモジュール１０１と２つの端子１０２、１０３とを含むモジュール列１２０を拡大図で示す。モジュール列は、電気的接続１０７を介し互いに相互接続された少なくとも２つの個々のモジュール１０１から構成される。上限はここでは課されないが、むしろ通常は回路の必要要件から発生する。
【００３９】
図１ｃ、１ｄは所謂マイクロトポロジーを示す。マイクロトポロジーは、個々のモジュールの内部回路を示す。示されたマイクロトポロジーは様々なＭ２Ｃ変形形態を示す。Ｍ２Ｃ回路の場合、電気的エネルギー貯蔵器１４２、１４４、１４６は隣接モジュールの対応電気的エネルギー貯蔵器と直列に接続され得るかまたはこの回路から除去され得るかのいずれかである。図１ｃ内の一番上の回路は、それぞれがトランジスタとダイオードとを含むスイッチング素子１５３、１５４、１５５、１５６を含み、したがって、端子１４７、１４８において２つの極性間で切り替わることが可能な所謂四象限回路を可能にする。中央および下部回路は、唯１つの極性がそれぞれのスイッチング素子１５７、１５８、１５９、１６０の切り替えの結果としてそれぞれの端子１４９、１５１に存在し得る所謂二象限回路を示す。さらに、マイクロトポロジーは例えば減衰素子１４１、１４３、１４５を含む。
【００４０】
図１ｄは、２つの電気的エネルギー蓄積器１７２と複数のスイッチング素子１８３、１８４、１８５、１８６、１８７とまた端子１７７、１７８とを含むＭ２Ｃ回路の別のマイクロトポロジーを示す。
【００４１】
図１ｅは、２つのマイクロトポロジーの相互接続を示す。それぞれのモジュールは各キャパシタ１９２、１９３と各４つの減衰素子１９４とを含む。破線により取り囲まれた相互接続の部分は本明細書ではハーフブリッジ１９１と呼ばれる。さらに、示されたマイクロトポロジーはダイオード１９５、１９７とトランジスタすなわちスイッチング素子１９６、１９８とを含む。
【００４２】
図１ｆと図１ｇはそれぞれマクロトポロジーを示す。マクロトポロジーは複数のモジュールまたはモジュール列２００の相互接続を表す。モジュールまたはモジュール列２００は電気的接続２１０を介し互いに接続される。図１ｆに示すマクロトポロジーは、その各対（ａ、ｂ）（Ａ、Ｂ）がＤＣおよび／またはＡＣ端子を形成し得る限定しないが例えば２つの端子対ａ、ｂ、Ａ、Ｂを形成し得る４つの電気的端子ａ、ｂ、Ａ、Ｂ（例えば少なくとも１つの電気的負荷、少なくとも１つの電気的グリッド、または少なくとも１つの電気的機械のための）を含む。
【００４３】
図１ｇに示すマクロトポロジーは、例えば端子対Ａ、Ｂと三相端子ａ、ｂ、ｃとに割り当てられ得る電気的端子ａ、ｂ、ｃ、Ａ、Ｂを含む。さらに、６以上の電気的端子が形成されることも可能である。
【００４４】
図１ｈは６つの電気的端子ａ、ｂ、ｃ、Ａ、Ｂ、Ｃ間のマトリクス相互接続を示し、前記端子のうちの２つはそれぞれ少なくとも１つのモジュール列２００を介し接続される。モジュールまたはモジュール列２００は電気的接続２１０を介し互いに接続される。所謂スパース行列変換器では、それぞれの端子間のこれらの接続のいくつかが省略される。
【００４５】
図２ａと図２ｂはＭ２ＳＰＣモジュールの例示的マクロトポロジーを示し、図２ｂは図２ａのトポロジーの拡張である。Ｍ２ＳＰＣモジュールは隣接モジュールのそれぞれのエネルギー蓄積器の直列接続と並列接続とを可能にする。マクロトポロジーはモジュール２０１、２２０を含み、複数のモジュール２０１、２２０の直列接続はモジュール列２０７、２０８を形成し、モジュール列２０７、２０８は相モジュール（ｐｈａｓｅ  ｍｏｄｕｌｅ）２０９を形成するために組み合わせられ得る。それぞれの端子２０３、２２１、２２２、２２３、２２４が２つのそれぞれのモジュール列２０７、２０８間に形成される。図１ａと図１ｆ〜図１ｈに示すマクロトポロジーは同様に、モジュール１０１とモジュール列１０５、２００との間の電気的接続１０７、２１０がそれぞれ２つの電気的接続（例えば図２ｂにおけるＭ２ＳＰＣモジュール２０１間の電気的接続２２７、２２８など）へ拡張されれば、本明細書で使用され得る。加えて、図２ｂのマクロトポロジーは端子２２５、２２６を含む。
【００４６】
図２ｃは、どのようにして電気的端子２０４、２０５、２０６が形成され得るかを単に示す。この場合、端子２０４は端子２０５または２０６内に存在し得る。
【００４７】
図２ｄは、従来技術の３つの例示的Ｍ２ＳＰＣマイクロトポロジーを示す。このトポロジーはそれぞれエネルギー蓄積器３０２、３０４、３０６とまたスイッチング素子３１３〜３２８とを含む。各モジュールは、各側にそれぞれ２つの端子３０７、３０８と３０９、３１０と、それぞれ例示的減衰素子３０１、３０３、３０５とを含む。示されたトポロジーは従来技術を表し、本発明による変換器システムにおいて使用され得る。
【００４８】
図２ｅはモジュール列を形成するための複数のモジュールの例示的相互接続を示す。モジュール列は、とりわけ、隣接モジュールへ接続され得る端子３４０、３４１を含む。モジュールは、例えばキャパシタなどのエネルギー蓄積器３３０とまたＭ２ＳＰＣモジュールの四象限回路（Ｍ２ＳＰＣ−４ｑ）を可能にするスイッチング素子３３１〜３３８とを含む。
【００４９】
図３は、従来技術の典型的スイッチドキャパシタ変換器を示す。これらの回路は同様に通常、同様な副回路３５０、３５５、３６０、３６５が反復された結果としてのあるモジュール性を有する。示された副回路またはモジュール３５０、３５５、３６０、３６５は、少なくとも１つのエネルギー蓄積器３５１と少なくとも２つのスイッチング素子３５２とをそれぞれ含む。
【００５０】
上記図に示すように従来技術のマイクロトポロジーは本発明による電気的変換器システムに使用され得る。同日に申請された「個々のモジュール、電気的変換器システム、および電池システム」と題する同出願人からの特許出願において提示されたようなマイクロトポロジーは同様に本発明による変換器システムに使用され得る。
【００５１】
図４は、本発明による変換器システムの本発明による埋め込みモジュール４００の一実施形態を示す。前の一次元モジュールマクロトポロジーは、少なくとも１つの追加ネスティングレベルとして少なくとも１つのレベルにより拡張される。前記少なくとも１つの追加ネスティングレベルは、複数のスイッチング素子４０８、４０９、４１０、４１１、４１２、４１３、４１４、４１５の助けを借りてモジュール状態を同様に担い、少なくとも２つの内部電力バスバー４１６、４１７を外部端子またモジュール端子４１８、４１９へ異なる代替法で接続し得、これによりネスティングレベルの少なくとも２つのモジュール間で動的に切り替わり得る限りでは、既知のモジュールと同一である埋め込みモジュール４００（所謂ネスティングモジュール）の導入の結果として形成される。しかし、これらは、従来技術のそれぞれ最も似た既知のモジュールとは異なり、少なくとも１つの電気的エネルギー蓄積器の代わりに、それ自身、少なくとも２つのモジュール４０６（所謂被埋め込みモジュール、また入れ子式（ｎｅｓｔｅｄ）モジュールとも言う）を含む少なくとも１つのモジュール列４０１（変換器アーム）を含む。この場合、各モジュール４００、４０６は、少なくとも１つの電気的エネルギー蓄積器を含む従来のモジュール、または少なくとも１つの電気的エネルギー蓄積器の代わりにモジュール列４０１または変換器アームを再び含む埋め込みモジュール４００のいずれかであり得る。埋め込みモジュール４００のいくつかまたはすべてにおけるレベルの数は技術的要件に従って任意に増加され得る。
【００５２】
モジュール列４０１により、別のモジュール４０６がモジュール４００内に埋め込まれる。この場合、モジュール４０６は第１の（ここでは最も高い）ネスティングレベルを構成し、モジュール列４０１のモジュール４０６は次に深いネスティングレベルを形成する。モジュール列４０１は、少なくとも２つの電気的接続４０７を介し互いに接続される複数のモジュール４０６を含む。被埋め込みモジュール４０６は次に、さらに深いネスティングレベルが形成されるように、別のモジュール４０６を埋め込む別のモジュール列４０１を有する埋め込みモジュール４００のトポロジーを有する。モジュール列４０１、またはモジュール列４０１の代わりにエネルギー蓄積器を有するブランチがモジュール４００のエネルギー列を形成する。
【００５３】
直接隣接しないモジュール４００の並列接続を可能にするために、モジュール４０６間の少なくとも２つの電気的接続４０７が必要である。但し、３つ以上の電気的接続４０７もまた存在し得る。スイッチング素子４０８〜４１５はハーフブリッジ４０２〜４０５として対で構成され、前記ハーフブリッジは任意選択的である。スイッチング素子４０８〜４１５内のダイオードもまた任意選択的である。一例として、二象限回路という意味の端子４１８、４１９における極性の極性反転だけが発生するように意図されていれば、必ずしも半導体スイッチング素子でない単純な電気的スイッチがスイッチング素子４０８〜４１５に十分である。
【００５４】
各スイッチング素子４０８〜４１５の最大限必要とされる絶縁耐力は、スイッチング素子４０８〜４１５の選択された構造の理由で上方に制限されており、したがって変換器の端子４１８、４１９の電圧よりはるかに低いかもしれない。被埋め込みモジュール４０６のすべてのモジュール切り替え状態が許容されるように意図されていれば、最高電圧（したがって、当該埋め込みモジュール４００の示された実施形態において使用される半導体の必要絶縁耐力）は、直接埋め込まれるモジュール４０６と複数のレベルにわたってさらに深く埋め込まれるモジュール４０６とのすべての電気的エネルギー蓄積器の電圧の合計である。埋め込みモジュール４００内のスイッチング素子の必要絶縁耐力は通常、関連付けられた被埋め込みモジュール４０６と比較して高くなければならなく、したがって、必要絶縁耐力はネスティングレベルに入るにしたがって一番上の埋め込みモジュール４００に向かってより高くなる。本発明による変換器システムは、埋め込みモジュール４００内の半導体に対する余り厳格でない必要要件としたがって全体システムにおける半導体コストの低減とにそれにもかかわらず至る多様な利点を提供する。
【００５５】
本出願人によるマトリューシュカ変換器と呼ばれる埋め込み変換器は「埋め込みモジュール４００または別の上位ネスティングレベルにおけるモジュールのスイッチング素子４０８〜４１５が所謂零電圧スイッチングまたは零電流スイッチングを使用することにより低損失でもって動作され得る」という利点を提供する。さらに、埋め込みモジュール４００のスイッチング素子４０８〜４１５は、全体システムの速度に悪影響を与えること無く非常に遅い（より深いネスティングレベル内の被埋め込みモジュール４０６のものよりはるか低い）スイッチング速度を有し得る。特定条件下では、埋め込みモジュール４００の、またはさらに上位のネスティングレベルにおけるモジュールのスイッチング素子は整流することができる必要は無い。これは、電流流れを遮断することができない例えばサイリスタに当てはまる。
【００５６】
すべての３つの選択肢はモジュール４００、４０６（特には、それぞれの被埋め込みモジュール４０６）の好適な駆動により実現される。埋め込みモジュール４００のスイッチング素子４０８〜４１５は、全体システムのスイッチング速度が被埋め込みモジュール４０６のスイッチング素子により与られ得るので、被埋め込みモジュール４０６のスイッチング素子より低いスイッチング速度を有し、したがってコストを著しく低減し得る。同様に、必要とされる絶縁耐力は、その結果として全体システムにおけるダイナミックレンジの損失無しに最深ネスティングレベルから上方または外方へ増加し、必要とされるスイッチング速度は低下する。このようなシステムの制御装置はそれに応じて、被埋め込みモジュール４０６とそのスイッチング素子とにより、すべての必要とされる高速切り替え過程を行う。対照的に、制御装置は、埋め込みモジュール４００のスイッチング素子４０８〜４１５が、余り頻繁でない切り替え過程だけを行うことを許容する。したがって、例えば絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ：ｉｎｓｕｌａｔｅｄ−ｇａｔｅ  ｂｉｐｏｌａｒ  ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ゲートターンオフサイリスタ（ＧＴＯ：ｇａｔｅ−ｔｕｒｎ−ｏｆｆ  ｔｈｙｒｉｓｔｏｒ）またはさらにはリレーなどの機械的スイッチング素子などの遅いスイッチング素子４０８〜４１５が上位ネスティングレベルにおいて使用され得る。ＩＧＢＴ、ＧＴＯなどの順方向電圧降下は（通常、そのｐｎ接合の理由で）ここでは重要でない。これは、上位または下位レベルの埋め込みモジュール４００に関し、好ましくない切り替え状態の場合でさえ、電流経路には非常に少ない直列の半導体だけが存在するためである。
【００５７】
被埋め込みモジュール４０６の充電状態が十分に高い限り、上位ネスティングレベルの埋め込みモジュール４００は整流することができないスイッチング素子を使用し得る。被埋め込みモジュール４０６同士は、整流することができないスイッチング素子が遮断状態を実現するように埋め込みモジュール４００の電流を共同で整流し得る。埋め込みモジュール４００はその後、新しい切り替え状態を担え得る。
【００５８】
埋め込みモジュール４００の切り替え状態が変更される必要がありしたがってその電流が整流される必要がある時点の電流方向が、当該被埋め込みモジュール４０６が充電されるように向けられれば、被埋め込みモジュール４０６により形成される全電圧は電流が整流されしたがって消滅されるまで制御装置により増加される必要がある。制御装置は通常、被埋め込みモジュール４０６をバイパス状態または並列状態から直列状態に切り替えることによりこれを実現することになる。
【００５９】
当該被埋め込みモジュール４０６が放電されるように電流方向が向けられれば、埋め込みモジュール４００により形成される全電圧は、整流が実現されしたがって電流が消滅するまで、低減される必要がある。制御装置は通常、被埋め込みモジュール４０６を直列状態からバイパスまたは並列状態に切り替えることによりこれを実現することになる。
【００６０】
このような調節の理由で、例えばサイリスタまたはトライアックなどの整流することができないスイッチング素子を使用することが可能である。したがって、必要な整流は、電流を消滅させる被埋め込みモジュール４０６のバックＥＭＦのようなものにより実現される。単指向性スイッチング素子（すなわち、一方向に導通するだけのスイッチング素子）としてのサイリスタは逆並列サイリスタまたはダイオードのいずれかにより補われ得る。逆並列サイリスタは「当該スイッチング素子が両方向に制御可能となるように構成される」という利点を提供する。整流することができないスイッチング素子を埋め込みモジュール４００内に使用することにより、低逆回復効果を有する当該スイッチング素子を使用することが場合により有利かもしれない。これは、整流が発生し電流が消滅するまで待つ必要がある時間を著しく低減する。
【００６１】
図５は、本発明による変換器システムの本発明による埋め込みモジュール５００の別の実施形態を示す。この場合、同一参照符号は同一部分を示すが図４に対して１００だけ増加された。加えて、本発明による変換器システムは４つの追加端子５２０、５２１、５２２、５２３を含む。したがって、この実施形態は、本発明による変換器システムの一般的埋め込みモジュール５００を表す。これから、場合により以下にさらに示すすべての他の実施形態が個々の要素の省略により導出され得る。
【００６２】
図６は、図５のモジュール５００のトポロジーを有する２つの相互接続された埋め込みモジュール６００ａ、６００ｂを含む本発明による変換器システムの一実施形態を示す。この場合、モジュール６００ａの端子６１９はモジュール６００ｂの端子６１９へ接続される。モジュール６００ａの端子６２２はモジュール６００ｂの端子６２３へ接続される。
【００６３】
図７ａは、それぞれが少なくとも２つの被埋め込みモジュール７２８からなる４つのモジュール列７０１、７０２、７０３、７０４を含む本発明による変換器システムの埋め込みモジュール７００ａの別の実施形態を示す。電気的端子７１７、７１８は２つのモジュール列７０１、７０３と７０２、７０４間にそれぞれ挿入され、前記電気的端子はそれぞれの側に埋め込みモジュール７００ａの別の端子７２５、７２６をそれぞれ形成する。このトポロジーの残りは、図５のモジュール５００のトポロジーと同一であり、８つのスイッチング素子７０９〜７１６を含み、それぞれその各対は、端子７２３、７２４とバスバーにおける端子７１９〜７２２とによりハーフブリッジ７０５〜７０８をそれぞれ形成する。部品の数は示された数に限定されない。一例として、示された８つのスイッチング素子７０９〜７１６より多くのスイッチング素子を回路内に取り込むことも考えられる。さらに、被埋め込みモジュール７２８間には３つ以上の電気的接続７２７が存在し得る。
【００６４】
図７ｂは、モジュール７００ａとほぼ同一の本発明による別の埋め込みモジュール７００ｂを示すが、２つのモジュール列７０１、７０３と７０２、７０４との間の電気的端子７１７、７１８はそれぞれ、モジュール７００ｂの両側に端子７２５ａ、７２５ｂと７２６ａ、７２６ｂとをそれぞれ形成する。
【００６５】
図８ａは、３つの埋め込みモジュール８０１、８３１、８４１が互いに相互接続される本発明による変換器システムの別の実施形態を示す。ここでは、各埋め込みモジュール８０１、８３１、８４１は、少なくとも１つの端子（ここでは端子８１３、８１４）によりモジュール８０１、８３１、８４１の正および／または負バスバー８１１、８１２へ接続されるモジュール列８２０を含む。示された実施形態では、各モジュール列８２０は同じタイプの３つの被埋め込みモジュール８１０を含む。それらのトポロジーという意味で、埋め込みモジュール８０１、８３１、８４１は８つのスイッチング素子８０２〜８０９を含むＭ２ＳＰＣ−４ｑモジュールである。被埋め込みモジュール８１０は、埋め込みモジュール８０１とは異なり、４つのスイッチング素子と１つのエネルギー列８２１とを含むＭ２ＳＰＣ−２ｑモジュールトポロジーを有する。
【００６６】
図８ｂは、互いに異なる３つの被埋め込みモジュール８１５、８１６、８１７をモジュール列８３０が含む本発明による変換器システムの別の実施形態を示す。各埋め込みモジュール８５１、８６１、８７１は図８ａに説明したＭ２ＳＰＣ−４ｑモジュールである。埋め込みモジュール８５１、８６１、８７１のそれぞれのモジュール列８３０は同一である。少なくとも１つの被埋め込みモジュール８１５、８１７は、正確に１つの電気的端子８１８、８１９により埋め込みモジュール８５１、８６１、８７１の正のバスバー８１１および／または負のバスバー８１２へ電気的に接続されるように具現化される。各被埋め込みモジュール８１５、８１６、８１７は少なくとも１つのエネルギー列８２２を含む。
【００６７】
図９ａは、埋め込みモジュール９０１、９３１のそれぞれのモジュール列９２０が同一であるがモジュール９４１のモジュール列９２１はこれとは異なる本発明による変換器システムの別の実施形態を示す。モジュール９０１、９３１内のモジュール列９２０は、それぞれが同じやり方で互いに接続されそれぞれがエネルギー列９１７を有する同じタイプの３つのモジュール９１５を含む。モジュール９４１のモジュール列９２１は、それぞれがエネルギー列９２７を有する同じタイプの３つのモジュール９２３を含む。同様に、モジュール９１５、９２３もまた互いに異なる。埋め込みモジュール９０１、９３１、９４１はＭ２ＳＰＣ−４ｑモジュールであり、被埋め込みモジュール９１５、９２３はＭ２ＳＰＣ−２ｑモジュールである。
【００６８】
図９ｂは、互いに相互接続された２つの埋め込みモジュール９５１、９６１を含む本発明による変換器システムの別の実施形態を示す。埋め込みモジュール９５１、９６１はＭ２ＳＰＣ−４ｑトポロジーを有し、それぞれのモジュール列９５５、９５６はそれぞれのモジュール９５２、９５３、９５４と９５７、９５８、９５９とを含む。モジュール９５２、９５３、９５７、９５８と９５４、９５９は互いに異なるが、実質的にＭ２ＳＰＣ−２ｑトポロジーを有する。被埋め込みモジュール９５２、９５７はそれぞれ、２つの端子９１８により１つのバスバー９１１へ接続される。被埋め込みモジュール９５４、９５９はただ１つの端子９１９により別のバスバー９１２へ接続される。各被埋め込みモジュール９５２、９５３、９５４、９５７、９５８、９５９はエネルギー列を含む。
【００６９】
図８ａ、８ｂ、９ａ、９ｂに示す実施形態は、被埋め込みモジュールとして二象限モジュール（例えばＭ２Ｃ−２ｑまたはＭ２ＳＰＣ−２ｑ）を、そして埋め込みモジュールとして四象限モジュール（例えばＭ２Ｃ−４ｑまたはＭ２ＳＰＣ−４ｑ）を使用する。したがって、変換器全体は四象限能力を有するが、四象限モジュールの排他的使用と比較して、必要とされる半導体のほぼ半分を節約する。重要機能の損失が無いこの節約は、四象限モジュールを四象限モジュールに埋め込むことで複数のレベルにおける極性の反転だけを追加的に許容するので可能であるが、（−１）の整数乗と同様な複数反転であり、結果は単一極性反転可能性により達成され得る。好適には、前記極性反転可能性は、これらのモジュールが少数で存在するので、埋め込みの最上位レベルにおいて半導体を節約するために提供され、四象限モジュールによりそこで実現される。原理的に制限することなく、極性変更の可能性はまた、より深いネスティングレベルのモジュール内で、そしてまた基本モジュール内で実現され得る。
【００７０】
浅いネスティング深さによる（例えば１つのまたは２つのネスティングレベルだけによる）変則的埋め込みの他に、通常埋め込み構造による本発明によるマトリューシュカ変換器を実現する可能性がある。反復可能性ｑを有する通常構造は、例えばｑ個のモジュールの集合を上位埋め込みモジュールへ埋め込む。ｑ個の被埋め込みモジュール自身は、それぞれがｑ個の被埋め込みモジュールを有する埋め込みモジュール、または自身がエネルギー蓄積器を含みさらなる被埋め込みモジュールを含まない基本モジュールのいずれかであり得る。特別な場合として、基本モジュールと埋め込みモジュールもまた混合され得る。この通常マトリューシュカ変換器の次数ｒ、すなわち、基本モジュールに関する最も外側のレベルから最も内側のレベルまでのレベルの最大数は、出力電力、電力損失、フェイルセーフなどに関する物理的および技術的要件に従って選択され得る。ｑ＝２に関し、各基本モジュールは、埋め込みモジュールトポロジーまたは被埋め込みモジュールトポロジーのいずれかにより提供される切り替え状態（例えば、Ｍ２ＳＰＣの場合は並列状態）の各他の基本モジュールと電気的に接続されるやり方で切り替えられ得る構造が発生する。ｑ＝２に関し、変換器はしたがって事実上最大級の柔軟性を提供し、変換器の２つの基本モジュールの各対は、変換器回路内でどれだけ互いに離れているかそしてそれらの間にどれだけの他のモジュールが位置するかにかかわらず互いに直接相互接続され得る。例えばＭ２ＳＰＣは個々のモジュールだけを互いに並列に接続し得るが、通常のマトリューシュカ変換器もまた、任意の長さの本質的に連続的に接続された一連のモジュール（例えば２つ以上のモジュール）を互いに並列に接続し得る。
【００７１】
より高いｑに関し、相互接続可能性は若干制限され、各基本モジュールが各他の基本モジュールと互いに直接相互接続されることはもはや可能ではない。
【００７２】
図４〜図９ｂに提示されたモジュールとモジュール列は、本発明による方法を実施するのに役立ち、この目的のためにそれ自身でまたは組み合わせて使用され得る。
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図１ｃ】
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【図１ｄ】
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【図１ｅ】
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【図１ｆ】
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【図１ｇ】
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【図１ｈ】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図２ｃ】
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【図２ｄ】
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【図２ｅ】
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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７ａ】
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【図７ｂ】
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【図８ａ】
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【図８ｂ】
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【図９ａ】
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【図９ｂ】
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