(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
無効電力能力を有し、
−電圧リンク回路（７）と、
−アンフォールディングブリッジ（１７）と、
を備えるインバータ（１）を動作させるための方法であって、
前記電圧リンク回路（７）に対するＡＣ出力（２０）の極性を変更するために、前記電圧リンク回路（７）の極（８、９）が、前記アンフォールディングブリッジ（１７）によって様々な構成で前記ＡＣ出力（２０）の端子（１８、１９）に接続可能であり、
前記ＡＣ出力（２０）におけるＡＣ電流（Ｉ）とＡＣ電圧（Ｕ）との間の位相シフトの場合には、前記電圧リンク回路（７）を介して流れる電流の方向を反転するステップを含む方法において、
前記電圧リンク回路（７）を介して流れる前記電流の前記方向を反転するステップが、
−前記電圧リンク回路（７）から前記ＡＣ出力（２０）を遮断するステップと、
−前記ＡＣ出力（２０）が前記電圧リンク回路（７）から遮断されている間に、前記ＡＣ出力（２０）の前記端子（１８、１９）間にフリーホイーリング経路を設けるステップと、
−前記アンフォールディングブリッジ（１７）によって変更されている前記電圧リンク回路（７）に対する前記ＡＣ出力（２０）の前記極性で、前記ＡＣ出力（２０）を前記電圧リンク回路（７）に再度接続するステップと、
を含み、
前記ＡＣ出力（２０）が、開かれている前記アンフォールディングブリッジ（１７）のブリッジスイッチ（２３乃至２６）によって前記電圧リンク回路（７）から遮断され、
前記ＡＣ出力（２０）の前記端子（１８、１９）が、前記フリーホイーリング経路を設けるために短絡され、
前記ＡＣ出力（２０）の前記端子（１８、１９）が、前記アンフォールディングブリッジ（１７）のブリッジスイッチ（２３乃至２６）を介して短絡され、
前記電圧リンク回路（７）が、２つの極を備えるとともに、前記電圧リンク回路（７）から前記ＡＣ出力（２０）を遮断し、前記ＡＣ出力（２０）の前記端子（１８、１９）を短絡させるために、前記電圧リンク回路（７）の同じ極（８）に接続された前記アンフォールディングブリッジ（１７）のブリッジスイッチ（２３、２５）が開かれ、前記アンフォールディングブリッジ（１７）の残りのブリッジスイッチ（２４、２６）が閉じられることを特徴とする方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法において、前記位相シフトの場合には、前記ＡＣ出力（２０）において前記ＡＣ電流（Ｉ）が、前記ＡＣ電圧（Ｕ）よりも遅れていることを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の方法において、前記電圧リンク回路（７）を介する前記電流が、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ（３１）によって整形されることを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項３に記載の方法において、前記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータが、少なくとも１つの蓄積インダクタ素子（１４）を備え、
−前記蓄積インダクタ素子（１４）の１つの端子（１５）が、スイッチ（１２）を介してＤＣ入力（２）の一方の極（４）に接続可能であり、
−前記蓄積インダクタ素子（１４）の別の１つの端子（１６）が、前記電圧リンク回路（７）の一方の極（９）に接続され、
−前記蓄積インダクタ素子（１４）の前記１つの端子（１５）、または前記蓄積インダクタ素子（１４）の、前記別の１つの端子（１６）と同じ巻線（４３）に接続された前記蓄積インダクタ素子（１４）のさらなる端子（４４）が、スイッチング素子（３５）を介して前記電圧リンク回路（７）のもう一方の極（８）に接続可能である方法において、
前記ＡＣ出力（２０）においてＡＣ電流（Ｉ）が前記ＡＣ電圧（Ｕ）よりも遅れている場合に、前記電圧リンク回路（７）を介して流れる前記電流の前記方向を反転するステップが、以下のステップ、すなわち、
−前記蓄積インダクタ素子（１４）を通って流れる電流で前記電圧リンク回路（７）を充電するステップと、
−前記蓄積インダクタ素子（１４）を介して、またはさらなる蓄積インダクタ素子（３７）を介して前記電圧リンク回路（７）を放電するステップと、
をさらに含むことを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項４に記載の方法において、前記蓄積インダクタ素子（１４）を通って流れ、かつ、前記スイッチング素子（３５）の方に向きを変える前記電流で前記電圧リンク回路（７）を充電するために、前記蓄積インダクタ素子（１４）の前記１つの端子（１５）を、前記ＤＣ入力（２）に接続する前記スイッチ（１２）が開かれることを特徴とする方法。
【請求項６】
請求項４または５に記載の方法において、前記電圧リンク回路（７）を前記ＡＣ出力（２０）に再度接続した後に、前記蓄積インダクタ素子（１４）、または前記さらなる蓄積インダクタ素子（３７）を通して前記電圧リンク回路（７）を放電することにより生成された電流が流れ続けるように、前記ＤＣ／ＤＣコンバータ（３１）を動作させることを特徴とする方法。
【請求項７】
請求項４乃至６の何れか１項に記載の方法において、前記スイッチング素子（３５）が、前記蓄積インダクタ素子（１４）および前記電圧リンク回路（７）によって形成された共振回路の共振周期の半分にわたって前記電圧リンク回路（７）を充電および放電するために閉じられている、さらなるスイッチ（１３）であることを特徴とする方法。
【請求項８】
請求項４乃至６の何れか１項に記載の方法において、前記スイッチング素子（３５）が、ダイオード（４５）であるとともに、前記蓄積インダクタ素子（１４）または前記さらなる蓄積インダクタ素子（３７）を介して、前記蓄積インダクタ素子（１４）または前記さらなる蓄積インダクタ素子（３７）と、前記電圧リンク回路（７）とによって形成された共振回路の共振周期の４分の１にわたって、前記電圧リンク回路（７）を放電するために閉じられているさらなるスイッチ（３６）が設けられることを特徴とする方法。
【請求項９】
無効電力能力を有し、
−双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ（３１）と、
−電圧リンク回路（７）と、
−アンフォールディングブリッジ（１７）と、
を備えるインバータ（１）を動作させるための方法であって、
前記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータが、少なくとも１つの蓄積インダクタ素子（１４）を備え、
−前記蓄積インダクタ素子（１４）の１つの端子（１５）が、スイッチ（１２）を介してＤＣ入力（２）の一方の極（４）に接続可能であり、
−前記蓄積インダクタ素子（１４）の別の１つの端子（１６）が、前記電圧リンク回路（７）の一方の極（９）に接続され、
−前記蓄積インダクタ素子（１４）の前記１つの端子（１５）、または前記蓄積インダクタ素子（１４）の、前記別の１つの端子（１６）と同じ巻線（４３）に接続された前記蓄積インダクタ素子（１４）のさらなる端子（４４）が、スイッチング素子（３５）を介して前記電圧リンク回路（７）のもう一方の極（８）に接続可能であり、
前記電圧リンク回路（７）に対するＡＣ出力（２０）の極性を変更するために、前記電圧リンク回路（７）の極（８、９）が、前記アンフォールディングブリッジ（１７）によって様々な構成で前記ＡＣ出力（２０）の端子（１８、１９）に接続可能であり、
前記ＡＣ出力（２０）におけるＡＣ電流（Ｉ）とＡＣ電圧（Ｕ）との間の位相シフトの場合には、前記アンフォールディングブリッジ（１７）によって、前記電圧リンク回路（７）に対する前記ＡＣ出力（２０）の前記極性が前記ＡＣ電圧の半サイクル間で変更されると、前記電圧リンク回路（７）を介して流れる電流の方向を反転するステップを含む方法において、
前記ＡＣ出力（２０）においてＡＣ電流（Ｉ）が前記ＡＣ電圧（Ｕ）よりも遅れている場合に、前記電圧リンク回路（７）を介して流れる前記電流の前記方向を反転するステップが、
−前記蓄積インダクタ素子（１４）を通って流れる前記電流で前記電圧リンク回路（７）を充電するステップと、
−前記蓄積インダクタ素子（１４）を介して、またはさらなる蓄積インダクタ素子（３７）を介して前記電圧リンク回路（７）を放電するステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の方法において、
前記ＡＣ出力（２０）においてＡＣ電流（Ｉ）が前記ＡＣ電圧（Ｕ）よりも遅れている場合に、前記電圧リンク回路（７）を介して流れる前記電流の前記方向を反転するステップが、
−前記電圧リンク回路（７）から前記ＡＣ出力（２０）を遮断するステップと、
−前記ＡＣ出力（２０）が前記電圧リンク回路（７）から遮断されている間に、前記ＡＣ出力（２０）の端子（１８、１９）間にフリーホイーリング経路を設けるステップと、
−前記アンフォールディングブリッジ（１７）によって変更されている前記電圧リンク回路（７）に対する前記ＡＣ出力（２０）の前記極性で、前記ＡＣ出力（２０）を前記電圧リンク回路（７）に再度接続するステップと、
をさらに含むことを特徴とする方法。
【請求項１１】
無効電力能力を有し、
−双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ（３１）と、
−電圧リンク回路（７）と、
−アンフォールディングブリッジ（１７）と、
−動作制御器（４９）と、
を備えるインバータ（１）であって、
前記アンフォールディングブリッジ（１７）が、前記電圧リンク回路（７）の極（８、９）と、ＡＣ出力（２０）の端子（１８、１９）との間に接続されているインバータ（１）において、
前記動作制御器（４９）が、請求項１乃至１０の何れか１項に記載の方法により前記インバータ（１）を動作させるように構成されていることを特徴とするインバータ（１）。
【請求項１２】
請求項１１に記載のインバータ（１）において、
前記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ（３１）が、少なくとも１つの蓄積インダクタ素子（１４）を備えるとともに、
−前記蓄積インダクタ素子（１４）の１つの端子（１５）が、スイッチ（１２）を介してＤＣ入力（２）の一方の極（４）に接続可能であり、
−前記蓄積インダクタ素子（１４）の別の１つの端子（１６）が、前記電圧リンク回路（７）の一方の極（９）に接続され、かつ、
−前記蓄積インダクタ素子（１４）の前記１つの端子（１５）、または前記蓄積インダクタ素子（１４）の、前記別の１つの端子（１６）と同じ巻線に接続された前記蓄積インダクタ素子（１４）のさらなる端子（４４）が、スイッチング素子（３５）を介して前記電圧リンク回路（７）のもう一方の極（８）に接続可能であることを特徴とするインバータ（１）。
【請求項１３】
請求項１２に記載のインバータ（１）において、前記蓄積インダクタ素子（１４）が、前記ＤＣ入力（２）から前記電圧リンク回路（７）へと指向されたバックコンバータ（３３）のインダクタ（５０）を備えることを特徴とするインバータ（１）。
【請求項１４】
請求項１３に記載のインバータ（１）において、さらなる蓄積インダクタ素子（３７）が、前記電圧リンク回路（７）から前記ＤＣ入力（２）へと指向されたブーストコンバータ（３４）のさらなるインダクタ（５１）を備えることを特徴とするインバータ（１）。
【請求項１５】
請求項１２に記載のインバータ（１）において、前記蓄積インダクタ素子（１４）が、前記電圧リンク回路（７）から前記ＤＣ入力（２）への阻止方向を有するフライバックコンバータ（３９）の蓄積変圧器（４１）を備え、さらなる蓄積インダクタ素子（３７）が、前記ＤＣ入力（２）から前記電圧リンク回路（７）への阻止方向を有するさらなるフライバックコンバータ（４０）のさらなる蓄積変圧器（４６）を備えることを特徴とするインバータ（１）。
【請求項１６】
請求項１４または１５に記載のインバータ（１）において、前記蓄積インダクタ素子（１４）のインダクタンス（Ｌ）、および前記さらなる蓄積インダクタ素子（３７）のインダクタンス（Ｌ）は、大きさが等しいことを特徴とするインバータ（１）。
【請求項１７】
請求項１４乃至１６の何れか１項に記載のインバータ（１）において、前記さらなる蓄積インダクタ素子（３７）の端子が、前記ＤＣ入力（２）の極（３、４）、または追加のスイッチング素子を介した電気エネルギーのためのバッファ蓄積装置の極に接続可能であることを特徴とするインバータ（１）。
【請求項１８】
請求項１３に記載のインバータ（１）において、前記バックコンバータ（３３）が、逆並列ダイオード（５５’および５５’’）を有し、中心線（５３）に対して対称的に配置された２つのスイッチ（１２’および１２’’）と、前記中心線（５３）に対して対称的に配置された２つのインダクタ（５０’、５０’’）と、前記中心線（５３）に対して対称的に配置された２つのダイオード（４５’および４５’’）と、を備える対称的なバックコンバータ（５２）であり、前記中心線（５３）が、入力電圧リンク回路（６）の中心点、前記ダイオード（４５’および４５’’）間の中心点、および前記電圧リンク回路（６）の中心点を接続し、スイッチ（５４）が、前記ダイオード（４５’および４５’’）と並列に、かつ、前記中心線（５３）に直接接続せずに接続されることを特徴とするインバータ（１）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無効電力能力を有し、電圧リンク回路と、アンフォールディングブリッジと、を備えるインバータを動作させるための方法、および無効電力能力を有し、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータと、電圧リンク回路と、独立特許請求項の前提部に記載の特徴を有するアンフォールディングブリッジと、を備えるインバータに関する。
【背景技術】
【０００２】
高周波数クロッキングを有するスイッチを数個しか備えていなくても正弦波ＡＣ電流を整形することができるインバータを構築するために、ＤＣ／ＤＣコンバータをアンフォールディングブリッジと組み合わせることが知られている。この組み合わせでは、ＤＣ／ＤＣコンバータは、ＡＣ電流の半サイクルを整形する。また、アンフォールディングブリッジは、極性が交互になったインバータの２つのＡＣ電流端子をＤＣ／ＤＣコンバータの出力または間に置かれた電圧リンク回路の極に接続する。極性の反転は、ＡＣ電流端子に外部から印加されたＡＣ電圧のそれぞれのゼロ交差と同時に実行される。概して、これは、ＤＣ発電機からの電気エネルギーがインバータによって給電されるＡＣグリッドのＡＣ電圧である。
【０００３】
ＤＣ／ＤＣコンバータおよびアンフォールディングブリッジを備えるこのようなインバータに無効電力能力を与えるために、様々な手段が知られている。これらの手段は２つのグループに細分することができる。
【０００４】
第１のグループの手段の場合には、電流は、ＤＣ／ＤＣコンバータによって外部のＡＣ電圧の方向にのみ出力されるが、電圧−時間積分の重心に対するその電流−時間積分の重心は、ＡＣ電圧の各半サイクルの間にシフトしている。これは、例えば、独国特許出願公開第１０  ２０１０  ０３５  ０２０Ａ１号明細書に記載されている。この手段を実現するには、単方向ＤＣ／ＤＣコンバータで十分である。しかしながら、この方法では、出力ＡＣ電流と外部のＡＣ電圧との間の小さい位相シフト角度しか便宜上実現することができない。位相シフト角度が大きくなるにつれて、出力ＡＣ電流は、所望の正弦波波形に対して変形が大きくなり、それに応じて位相シフト角度とともに全高調波の歪みが増加する。全高調波の大きな歪みは、信号が顕著な調和成分を有していることを示し、結果として電磁干渉が生じる場合がある。
【０００５】
第２のグループの手段の場合には、ＤＣ／ＤＣコンバータが、双方向に実施されることで、ＡＣ出力においてもまた、電流が瞬間電圧と逆方向に流れることが可能になる。この点については、独国特許出願公開第１０  ２００９  ０２９  ３８７  Ａ１号明細書は、インバータ、特に、極性反転器としての半導体ブリッジ回路を、四象限制御器として設計されたＤＣチョッパ制御器の形態でＤＣ／ＤＣコンバータと組み合わせた光起電力設備の太陽電池インバータを開示している。ＤＣチョッパ制御器は、特に、バックコンバータおよびブーストコンバータと共通のインダクタンスとの組み合わせ、またはバック−ブーストコンバータと共通のインダクタンスとの組み合わせを備えてもよい。
【０００６】
しかしながら、無効電力を供給するための双方向ＤＣ／ＤＣコンバータおよびアンフォールディングブリッジを備えるインバータの動作中、すなわち、インバータのＡＣ出力におけるＡＣ電流とＡＣ電圧との間の位相シフトの場合には、アンフォールディングブリッジがＡＣ電圧の半サイクル間で極性を反転すると、ＤＣ／ＤＣコンバータを通って流れる電流の方向が反転されなければならない。これは、瞬間電圧に対して負電流から正電流に反転する場合には、ＤＣ入力に接続されたＤＣ電源のＤＣ入力電圧が、反転するための原動力として作用するので、通常問題にはならない。しかしながら、ＡＣ出力における瞬間電圧に対して正電流から負電流に反転する場合には、状況は異なる。この理由は、単に、ＡＣ電圧のゼロ交差でのＡＣ出力における瞬間電圧が非常に低いことによる。このように非常に低い瞬間電圧では、ＤＣ／ＤＣコンバータのインダクタンスを通電する電流の方向を反転するのに必要な電圧−時間積分は、比較的長い期間にわたってしか確立することができない。この時間は、電流の下落として、したがって、インバータによるＡＣ出力の所望の正弦波プロファイルからの逸脱として現れる。その結果、出力ＡＣ電流の大きな全高調波の歪みが生じる。
【０００７】
独国特許出願公開第１０  ２００９  ０２９  ３８７  Ａ１号明細書では、この課題には対処していない。
【０００８】
中国特許出願公開第１０３２０８９３５  Ａ号明細書もまた、無効電力を供給するために、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータをアンフォールディングブリッジと組み合わせることを開示している。
【０００９】
スイス国特許第７００  ０３０  Ｂ１号明細書によれば、アンフォールディングブリッジと組み合わせた双方向ＤＣ／ＤＣコンバータは、バックコンバータとブーストコンバータとに細分され、これらは、入力端子の２つの極と、電圧リンク回路との間にインダクタンスを有する対称的な設計であり、これらのインダクタンスは、バックコンバータおよびブーストコンバータの両方によって使用される。この明細書もやはりまた、無効電力を供給する際の、出力ＡＣ電流の大きな全高調波の歪みについて記載していない。
【００１０】
国際公開第２０１３／１３４９０４  Ａ１号パンフレットは、対称的な設計のバック−ブーストコンバータ、およびアンフォールディングブリッジを備えるインバータについて記載している。
【００１１】
国際公開第２０１２／１４６４１４  Ａ２号パンフレットは、独立特許請求項１および１３の前提部に記載の特徴を有する方法、ならびに代替形態の独立特許請求項１５の前提部に記載の特徴を有するインバータについて記載している。この場合、バック−ブーストコンバータの形態をした双方向ＤＣ／ＤＣコンバータが、アンフォールディングブリッジと組み合わせられて、無効電力能力を有するインバータを形成している。ＡＣ電流とＡＣ電圧との間の位相シフト角度が負の場合に、すなわち、ＡＣ電流がＡＣ電圧によりも遅れている場合に、電圧リンク回路を介して流れる電流の方向を変更する場合の困難を回避するために、バック−ブーストコンバータのインダクタを通電する電流の設定点プロファイルの急変が回避されている。この目的のために、ＡＣ電圧のゼロ交差で同様にゼロ交差を有するように、電流の設定点プロファイルが修正されている。その結果、出力電流が所望の正弦波プロファイルから逸脱し、ここでも同様に全高調波の歪みが大きくなっている。
【００１２】
特開２００２  ３６９３８８号公報は、双方向ブーストコンバータとインバータブリッジとの組み合わせを開示しており、そこでは、少なくとも電圧のゼロ交差において、ブーストコンバータの２つのスイッチに加えて、インバータブリッジの少なくとも２つのスイッチが、ＡＣ電流を整形する目的で高周波クロッキングされる。したがって、インバータブリッジは、ブリッジスイッチが出力ＡＣ電流の周波数の大きさと同程度の実質的に低周数でクロッキングされるアンフォールディングブリッジではない。
【００１３】
国際公開第２０１１／０４２５６７  Ａ１号パンフレットは、無効電力能力を有し、２つのバック−ブーストコンバータを備えるインバータを開示しており、この２つのバック−ブーストコンバータのインダクタは、ＡＣ出力の２つの端子のうちの一方にそれぞれ接続されている。この場合、２つのバック−ブーストコンバータは、出力ＡＣ電流の半サイクルごとに交互にブリッジされている。出力ＡＣ電流の位相シフト角度がゼロから逸脱している無効電力が、純粋な有効電力および純粋な無効電力を、それぞれの場合において、ＡＣ電圧の１つの周期または複数の周期にわたってブロック単位で出力することにより、実現されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明が対処する課題は、無効電力能力を有し、電圧リンク回路と、アンフォールディングブリッジと、を備えるインバータを動作させるための方法を提供し、さらにまた、対応するインバータであって、大きな負の位相シフト角度を有するＡＣ出力において、出力ＡＣ電流がＡＣ電圧よりも遅れている場合であっても、全高調波の歪みが小さいインバータも提供するという課題である。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明が対処する課題は、独立特許請求項１または１３に記載の特徴を有する方法によって、および代替形態の独立特許請求項１５に記載の特徴を有するインバータによって解決される。本発明による方法の有利な実施形態、および本発明によるインバータの有利な実施形態は、従属特許請求項において規定されている。
【００１６】
発明の説明
無効電力能力を有し、電圧リンク回路と、アンフォールディングブリッジと、を備えるインバータを動作させるための本発明による方法では、電圧リンク回路の極は、電圧リンク回路に対するＡＣ出力の極性を変更するために、アンフォールディングブリッジによって、様々な構成で、例えば、交互にＡＣ出力の端子に接続可能であり、ＡＣ出力におけるＡＣ電流とＡＣ電圧との間の位相シフトの場合には、つまり、無効電力を供給するために、アンフォールディングブリッジによって、電圧リンク回路に対するＡＣ出力の極性がＡＣ電圧の半サイクル間で変更されると、電圧リンク回路を介して流れる電流の方向が反転される。電圧リンク回路を介して流れる電流の方向を反転するステップは、電圧リンク回路からＡＣ出力を遮断するステップと、ＡＣ出力が電圧リンク回路から遮断されている間に、ＡＣ出力の２つの端子の間にフリーホイーリング経路を設けるステップと、アンフォールディングブリッジによって変更されている電圧リンク回路に対するＡＣ出力の極性で、ＡＣ出力を電圧リンク回路に再度接続するステップと、を含む。
【００１７】
無効電力能力を有するインバータの双方向性は、少なくとも１つの双方向（部分）コンバータによって、または逆並列に接続された、電圧リンク回路を介して流れる電流を整形する少なくとも２つの単方向部分コンバータによって提供することができる。大体において、電圧リンク回路に関して双方向性が提供されれば、すなわち、ＤＣ／ＤＣコンバータが、電圧リンク回路を介して電流を両方向に通電させることができれば、この場合には十分である。この点に関して、例えば、逆並列に接続された２つの単方向部分コンバータは、電圧リンク回路から離れたそれぞれの側で互いに接続される必要はない。もっと正確に言えば、そこでは部分コンバータのうちの少なくとも１つが、電気エネルギーのためのバッファ蓄積装置だけに接続されていればよい。
【００１８】
電圧リンク回路を介して流れる電流は、電圧リンク回路にわたって、無効電力能力を有するインバータのアンフォールディングブリッジに流れる電流である。この電流は、電圧リンク回路のリンク回路のキャパシタンスを流入、流出する構成要素を備える。リンク回路のキャパシタンスは、１つまたは複数の、並列または直列に接続されたリンク回路キャパシタによって供給される。
【００１９】
ＡＣ出力を電圧リンク回路から遮断し、少なくともこの遮断の間にＡＣ出力の端子間にフリーホイーリング経路を設けることによって、ＡＣ出力におけるＡＣ電流は、このフリーホイーリング経路を介してさらに流れることができる。フリーホイーリング経路では、出力側に存在し、かつ、電流が通電するインダクタンスによってＡＣ電流が維持される。したがって、特にＡＣ電流がＡＣ出力においてＡＣ電圧よりも遅れている場合に、アンフォールディングブリッジによって、電圧リンク回路に対するＡＣ出力の極性がＡＣ電圧の半サイクル間で変更されたときに、電圧リンク回路を介して流れる電流の方向を反転するために必要な手段を講じることにより、ＡＣ電流が低下することがない。このようにこれらの手段は、ＡＣ電流の全高調波の歪みの増加の影響を受けない。
【００２０】
電圧リンク回路からＡＣ出力を遮断するためには、大体において、極を１つだけ遮断すれば十分である。なぜなら、極を１つだけ遮断することにより、電圧リンク回路からＡＣ出力への通電、およびその逆の通電をすでに防いでいるからである。
【００２１】
ＡＣ出力が３つ以上の端子を有する場合には、ＡＣ出力の端子間にフリーホイーリング経路が設けられているという場合、少なくとも端子のうちの２つの間にフリーホイーリング経路が設けられていることを意味する。
【００２２】
ＡＣ電流のためのフリーホイーリング経路は、ＡＣ出力の端子間のキャパシタンスによって設けることができる。すなわち、フリーホイーリング経路は、ＡＣ出力の端子を互いに直流電気的に接続する必要がない。ＡＣ出力の端子間のフリーホイーリング経路に適したキャパシタンスは、すでに存在するフィルタキャパシタによって、またはＡＣ出力の端子間にキャパシタを追加することによって設けることができる。
【００２３】
しかしながら、フリーホイーリング経路は、ＡＣ出力の端子を短絡させることによって、すなわち、端子を互いに直接接続することによってもまた設けることができる。ＡＣ出力の端子のハード短絡もまた、この時のＡＣ出力における電圧が低電圧にすぎないことを考慮するとノンクリティカルである。
【００２４】
ＡＣ出力においてＡＣ電流がＡＣ電圧よりも先行している場合には、電圧リンク回路からＡＣ出力を遮断し、ＡＣ電流のためのフリーホイーリング経路を設けるステップもまた、電圧リンク回路を介して流れる電流の方向が反転すると同時に任意選択で実行することができる。少なくともＡＣ出力においてＡＣ電流がＡＣ電圧よりも遅れている場合には、すなわち、ＡＣ出力においてＡＣ電流とＡＣ電圧との間が負の位相シフト角度の場合には、これらのことを実行すると有利である。
【００２５】
本発明による方法では、電圧リンク回路からＡＣ出力を−本発明により−遮断し、電圧リンク回路にＡＣ出力を再度接続するのに適切な時点を決定するために、ＡＣ出力において電圧および／または電流を測定すると有利である。
【００２６】
本発明による方法では、アンフォールディングブリッジとしてブリッジ回路を用いることができる。これにより、ブリッジ回路は、電圧リンク回路に対するＡＣ出力の極性を、実質的にＡＣ電圧の半サイクル間で、すなわち、ＡＣ電圧のゼロ交差において変更する。しかしながら、これは、ブリッジ回路がその間に他の機能も同様に実行し、その目的でブリッジ回路のブリッジスイッチが、例えば、一時的に高周波クロッキングされ得る場合もまた除外しない。
【００２７】
本発明による方法では、切り換えブリッジをアンフォールディングブリッジとして用いることが好ましい。この場合、電圧リンク回路からＡＣ出力を遮断するステップは、アンフォールディングブリッジのブリッジスイッチを開くことにより実行することが好ましい。同様に、電圧リンク回路を介する電流の方向が反転すると同時に、好ましくはアンフォールディングブリッジのブリッジスイッチを介して、ＡＣ出力の端子を短絡させる。
【００２８】
具体的には、ＡＣ出力の端子が２つである場合には、したがって、電圧リンク回路からＡＣ出力を遮断し、ＡＣ出力の端子を短絡させるためのアンフォールディングブリッジのブリッジスイッチが合計４つある場合には、電圧リンク回路の同じ極に接続されたアンフォールディングブリッジの２つのブリッジスイッチを、アンフォールディングブリッジの他の２つのブリッジスイッチが閉じられている間に、開くことができる。この場合、すでに開かれているか、あらかじめ閉じられているアンフォールディングブリッジのブリッジスイッチは、開かれたままか、閉じられたままであってもよい。続いて、アンフォールディングブリッジによって変更されている電圧リンク回路に対するＡＣ出力の極性で、ＡＣ出力を電圧リンク回路に再度接続するには、あらかじめ開かれているブリッジスイッチのうちの１つを閉じて、あらかじめ閉じられているアンフォールディングブリッジのブリッジスイッチのうちの１つを開けば十分である。
【００２９】
１つの特定の実施形態では、本発明による方法は、無効電力能力を有し、少なくとも１つの蓄積インダクタ素子と、電圧リンク回路と、アンフォールディングブリッジと、を有する双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを備えるインバータの動作に関する。この場合、蓄積インダクタ素子の１つの端子は、スイッチを介してＤＣ入力の一方の極に接続可能である。蓄積インダクタ素子の別の１つの端子は、電圧リンク回路の一方の極に接続され、蓄積インダクタ素子の１つの端子、または蓄積インダクタ素子の、別の１つの端子と同じ巻線に接続された蓄積インダクタ素子のさらなる端子は、スイッチング素子を介して電圧リンク回路のもう一方の極に接続可能である。
【００３０】
蓄積インダクタ素子の端子がスイッチを介してＤＣ入力の一方の極に接続可能であるという事実により、蓄積インダクタ素子の端子とＤＣ入力の一方の極との間の直流電気的な接続が必ずしも形成可能である必要はない。例えば、変圧器の、スイッチに対して反対側に蓄積インダクタを備えるシングルエンドのフォワードコンバータの場合には、蓄積インダクタの端子とＤＣ入力の極との間に必要な一時的接続が、直流電気的に絶縁している変圧器にわたってスイッチを閉じることにより形成される。
【００３１】
同様に、蓄積インダクタ素子の別の１つの端子が電圧リンク回路の極に接続されているという事実によってもまた、直流電気的な接続は必ずしも必要ではない。例えば、変圧器の、スイッチと同じ側に蓄積インダクタを備えるシングルエンドのフォワードコンバータの場合には、蓄積インダクタの極と電圧リンク回路の極との間に必要な接続が、直流電気的に絶縁している変圧器にわたって設けられる。
【００３２】
本発明による方法の特定の実施形態における無効電力能力を有するインバータの上記定義は、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータが、バックコンバータと、ブーストコンバータとの組み合わせとして、またはバック−ブーストコンバータとして実施されている多くのインバータに当てはまる。この場合、２つの蓄積インダクタ素子を備える対称的な設計もまた実現することができる。バックコンバータと、ブーストコンバータとの組み合わせの場合には、蓄積インダクタ素子は、両方のコンバータにより共同で使用してもよい。しかしながら、ブーストコンバータおよびバックコンバータは、別個の蓄積インダクタ素子を備えてもまたよい。具体的には、インバータのトポロジーは、大体において、無効電力能力を有する、上記「背景技術」の項に記載の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータと、アンフォールディングブリッジと、を備えるインバータに関する先行技術として認められた文献におけるものとまったく同じように設計することができる。インバータのトポロジーのさらなる変更形態が可能である。
【００３３】
本発明による方法の特定の実施形態では、ＡＣ出力においてＡＣ電圧よりも遅れているＡＣ電流の場合の電圧リンク回路を介して流れる電流の方向を反転するステップは、追加で次の各ステップ、すなわち、
−蓄積インダクタ素子を通って流れる電流で電圧リンク回路を充電するステップと、
−蓄積インダクタ素子を介して、またはさらなる蓄積インダクタ素子を介して電圧リンク回路を放電するステップと、
を含む。
【００３４】
本発明による方法の特定の実施形態では、電圧リンク回路を介して流れる電流の方向が反転すると同時に、ＡＣ出力を電圧リンク回路から一時的に遮断すること、もしくはＡＣ出力の端子間にフリーホイールを設けることのいずれか一方または両方を省略すると、出力ＡＣ電流が一時的に減少する。この減少は、ＡＣフィルタを適切に寸法設定することによって、および／またはＡＣ出力の減衰要素を適応的に接続可能にすることによって平滑化することができる。
【００３５】
具体的には、ＡＣ出力においてＡＣ電流がＡＣ電圧よりも遅れている場合、電圧リンク回路を介して流れる電流の方向を反転するステップは、以下のように進めることができる。すなわち、最初に、電圧リンク回路がＡＣ出力から遮断される。次に、蓄積インダクタ素子の一方の端部をＤＣ入力に接続するスイッチが開かれる。そのとき蓄積インダクタ素子を通って流れる電流が、スイッチング素子の方に向きを変えると（これにはダイオードへの転流、またはスイッチング素子のスイッチの閉鎖が含まれる場合もあるが）、蓄積インダクタ素子を通って流れる電流が電圧リンク回路を充電する。その結果、電流に対する逆起電力（ｂａｃｋ−ＥＭＦ）が、電流が減衰するまで蓄積する。続いて、電圧リンク回路は次に、同じ蓄積インダクタ素子を介してだが、放電中に流れる電流の方向が電圧リンク回路の充電中の方向に対して逆方向で放電されるか、または、さらなる蓄積インダクタ素子を介して放電される。電圧リンク回路がそれぞれの蓄積インダクタ素子を介して放電される瞬間に、蓄積インダクタ素子を通って、所望の通り、もとの電流に対して逆方向を有するだけでなく、同じ電流強度もまた有する電流がそこに流れる。しかしながら、さらなる蓄積インダクタ素子の場合には、この結末は、さらなる蓄積インダクタ素子が別の１つの蓄積インダクタ素子の大きさに等しい大きさのインダクタンスを有していることを前提とする。さらに、損失を考慮しない場合にのみ、同じ電流強度が、同じ大きさのインダクタンスでも実現されるが、そのような損失は、概して非常に小さく、したがって、無視できるものである。
【００３６】
電流が逆方向で、かつ、同じまたはほぼ同じ電流強度で、それぞれの蓄積インダクタ素子を通って流れると、ＡＣ出力に電圧リンク回路を再度接続することができる。言うまでもなく、この接続は、アンフォールディングブリッジによって変更されている電圧リンク回路に対するＡＣ出力の極性で、実行される。ＡＣ出力への電圧リンク回路のこの再接続の後に、蓄積インダクタ素子またはさらなる蓄積インダクタ素子を通して電圧リンク回路の放電によって蓄積された電流が流れ続けて、出力ＡＣ電流のその時に適用可能な設定点電流値に一致するように、ＤＣ／ＤＣコンバータを直接動作させることができる。
【００３７】
この場合、電圧リンク回路からＡＣ出力を遮断するステップ、電圧リンク回路を充電するステップ、電圧リンク回路を放電するステップ、およびＡＣ出力を電圧リンク回路に再度接続するステップが、少なくともほぼここに列挙されている順序で、実行される。この点に関して、たとえ遮断するステップの前に充電するステップをすでに開始することができる場合であっても、電圧リンク回路は、少なくとも実質的に、ＡＣ出力から遮断されたときに充電される。同様に、電圧リンク回路を放電するステップは、少なくともさらなる蓄積インダクタ素子を介して実行される場合には、充電するステップの終了前にすでに開始することができる。または、充電するステップと同時に実行することさえ可能である。さらに、電圧リンク回路がＡＣ出力に再度接続されると、電圧リンク回路は完全に放電される必要はない。
【００３８】
ＡＣ電流とＡＣ電圧との間が負の位相シフト角度の場合、本発明による、電圧リンク回路を介して流れる電流の方向の反転が、極めて迅速に実行される。具体的には、それは、
0006434527.tif 000002
の間続く。式中、Ｌは、蓄積インダクタ素子のインダクタンスであり、Ｃは、電圧リンク回路のキャパシタンスである。つまり、電流の方向の反転は、蓄積インダクタ素子および電圧リンク回路から形成された共振回路の共振周期の半分の間続く。この場合も同様に、電圧リンク回路が、蓄積インダクタ素子またはさらなる蓄積インダクタ素子を介して放電されているかどうかは重要でない。さらなる蓄積インダクタ素子が同じインダクタンスを有するのであれば、電流の方向の反転の継続期間は、結果として正確に同じになる。いずれにせよ、電流の方向の反転が続く時間は、この目的でＡＣ出力におけるＡＣ電圧の十分な電圧−時間積分を待つ必要がある場合よりもはるかに短い。
【００３９】
本発明による方法を用いると、ＡＣ電圧に対するＡＣ電流の負の位相シフト角度の場合であっても、出力ＡＣ電流についての正弦波の設定点値のプロファイルに極めて近いプロファイルを実現することが可能であり、その結果極めて小さい全高調波の歪みを実現することが可能である。
【００４０】
蓄積インダクタ素子の一方の端部が経由して電圧リンク回路のもう一方の極に接続可能であるスイッチング素子が、さらなるスイッチである場合には、さらなるスイッチは、合計で蓄積インダクタ素子および電圧リンク回路によって形成された共振回路の共振周期の半分の間、電圧リンク回路を充電および放電するために閉じられている。しかしながら、スイッチング素子はダイオードであってもまたよく、蓄積インダクタ素子の一方の端部をＤＣ入力の一方の極に接続するスイッチが開かれると、蓄積インダクタ素子を通電する電流が、能動的な介在なしに、このダイオードの方に向きを変えることができる。このとき、さらなるスイッチを設ける必要があり、さらなるスイッチは、蓄積インダクタ素子を介して電圧リンク回路を放電するために閉じられている。次に、蓄積インダクタ素子またはさらなる蓄積インダクタ素子と、電圧リンク回路のキャパシタンスとによって形成された共振回路の共振周期の４分の１にわたって、この閉鎖が実行される。
【００４１】
インダクタ素子のインダクタンスおよび電圧リンク回路のキャパシタンスによって形成された共振回路の共振振動の間に、電圧リンク回路の電圧が、インバータの入力電圧リンク回路の電圧を超過しないように、インダクタ素子のインダクタンスおよび電圧リンク回路のキャパシタンスを互いに調和させなければならない。そうでなければ、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを介して、具体的には、ＤＣ／ＤＣコンバータのスイッチの逆並列ダイオードを通って流れる望ましくない電流が生じるおそれがある。調和させるには、十分な大きさのキャパシタンスを選択すれば事足りる。この代わりに、またはこれに加えて、本発明による方法については、電圧が電圧リンク回路の最大電圧を超過するのを防ぐために、入力電圧リンク回路の電圧を目標通りに上昇させることが可能である。共振回路の電圧リンク回路の電圧が、入力リンク回路電圧未満でなければならないという事実は、スイッチが蓄積インダクタ素子を介して電圧リンク回路を放電するために閉じられる時点を、正確に決定することが完全にはできないという事実に起因する。電圧リンク回路のキャパシタンスの寸法設定を対応させることによって、ひとたび電圧リンク回路の電圧に対するこの上限が遵守されると、故意に遅らせてスイッチをオンに切り換えることさえも可能である。逆の言い方をすれば、電圧リンク回路の両端の電圧が入力電圧リンク回路の両端の電圧に到達するまでの間だけ、電流方向を共振反転させるために使用されるスイッチを閉じることができる。このとき、入力電圧リンク回路を含む拡張共振回路にわたって、およびすでに言及した逆並列ダイオードにわたって、共振振動を停止させることができる。
【００４２】
すでに留意したように、本発明によるステップによって電圧リンク回路を介する電流の方向は反転させるが、電流の電流強度を大幅に変更しないためには、蓄積インダクタ素子のインダクタンス、および存在する場合には、さらなる蓄積インダクタ素子のインダクタンスは、大きさが等しいことが好ましい。大体において、小さな損失が止むを得ず生じているにもかかわらず、電流に関して等しい大きさの電流強度を逆方向で実現するために、さらなる蓄積インダクタ素子のインダクタンスは、別の１つの蓄積インダクタ素子のインダクタンスよりも幾分小さくてもまたよい。しかしながら、電流の方向が反転される時点において負の位相シフト角度を有するＡＣ電流の場合には、ＡＣ電圧よりも遅れている電流の電流強度の設定点値が小さくなり、その結果、電流が反転されるときに電流強度が幾分小さくなり、ダメージを与えない。いずれにせよ、蓄積インダクタ素子およびさらなる蓄積インダクタ素子のインダクタンスは、少なくとも、大きさがほぼ等しくなければならない。
【００４３】
具体的には、本発明による方法における双方向ＤＣ／ＤＣコンバータは、電圧リンク回路への電流が常に蓄積インダクタ素子を介して流れるように、かつ、電圧リンク回路からの電流が常にさらなる蓄積インダクタ素子を介して流れるように、つまり、ＡＣ出力における瞬間電圧に対して、蓄積インダクタ素子が常に正電流用に使用され、さらなる蓄積インダクタ素子が常に、負電流用に使用されるように、動作させることができる。この目的のために、蓄積インダクタ素子は、バックコンバータのインダクタであってもよいが、さらなる蓄積インダクタ素子は、電圧リンク回路からＤＣ入力に逆方向に接続されたブーストコンバータのインダクタである。
【００４４】
本発明では、蓄積インダクタ素子は、電圧リンク回路からＤＣ入力への阻止方向を有するフライバックコンバータの蓄積変圧器を備えてもまたよい。このとき、さらなる蓄積インダクタ素子は、特に、ＤＣ入力から電圧リンク回路への阻止方向を有するさらなるフライバックコンバータのさらなる蓄積変圧器を備えてもよい。しかしながら、この場合もまた、大体において、さらなる蓄積インダクタ素子は、電圧リンク回路からＤＣ入力へと指向されたブーストコンバータのインダクタであってもよい。蓄積インダクタ素子が、フライバックコンバータの蓄積変圧器を備える場合には、蓄積インダクタ素子は、結合された巻線を有し、スイッチによってＤＣ入力に接続された１つの端子が１つの巻線に接続され、電圧リンク回路の一方の極に接続された別の１つの端子、および、スイッチング素子を介して電圧リンク回路のもう一方の極に接続可能であるさらなる端子が、別の１つの巻線に接続されている。さらなる蓄積インダクタ素子が、さらなるフライバックコンバータのさらなる蓄積変圧器を備える場合には、それに対応した状況になっている。
【００４５】
概して、さらなる蓄積インダクタ素子は、ＤＣ入力の極に接続可能としてもよいし、あるいは追加のスイッチを介して電気エネルギーのためのバッファ蓄積装置の極に接続可能としてもよい。バッファ蓄積装置を使用すると、ＡＣ電流の周波数で素早く交番するインバータによって無効電力が供給された直後に、ＤＣ入力に接続されたＤＣ電源が充電および放電される状況を回避することが可能である。
【００４６】
無効電力能力を有し、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータと、電圧リンク回路と、アンフォールディングブリッジと、動作制御器と、を備えるインバータであって、電圧リンク回路の極と、ＡＣ出力の端子との間にアンフォールディングブリッジが接続されているインバータの場合には、動作制御器が、本発明による方法によりインバータを動作させるように設計されている。
【００４７】
本発明を実施するためには、多くの公知のインバータのトポロジーの場合、動作制御器を修正すれば事実上十分である。つまり、本発明は、ほとんど複雑になることなく実施可能である。したがって、わずかな資本支出で本発明による利点を利用することができる。
【００４８】
簡単な手段を用いて他のインバータのトポロジーを補足して、本発明によるインバータの有利な実施形態を構成することができる。それらは、独国特許出願公開第１０  ２０１０  ０３５  ０２０  Ａ１号明細書から大体において公知の、逆並列ダイオードを有し、中心線に対して対称的に配置された２つのスイッチと、中心線に対して対称的に配置された２つのインダクタと、中心線に対して対称的に配置された２つのダイオードと、を備える対称的なバックコンバータであって、中心線が、入力電圧リンク回路の中心点、ダイオード間の中心点、および電圧リンク回路の中心点を接続する対称的なバックコンバータを含む。言うまでもなく、これらの公知の対称的なバックコンバータの場合には、中心線に対する対称性は、ダイオードの順方向およびスイッチとは関係がなく、したがってその逆並列ダイオードとも関係がない。ダイオードと並列に接続され、かつ、中心線に直接接続していないスイッチによって、このような対称的なバックコンバータを補足することができる。一方では、電圧リンク回路を介して流れる電流の共振電流の方向を反転させるために、スイッチを閉じることができ、他方では、公知の、大体において逆方向のブーストコンバータ機能を有する、非双方向の対称的なバックコンバータを提供するために、クロッキングすることができる。逆方向のブーストコンバータ機能では、追加のスイッチは、ブーストコンバータのスイッチとしてクロッキングされ、通常バックコンバータのスイッチとしての機能を果たしているスイッチの逆並列ダイオードが、ブーストコンバータのダイオードとして作用する。ブーストコンバータ機能における対称的に設計されたバックコンバータの利点は、ここでは用いない。特に位相角度が小さい場合には、ブーストコンバータ機能は短期間しか必要ではないので、この点は容認することができる。
【００４９】
独国特許出願公開第１０  ２０１０  ０３５  ０２０  Ａ１号明細書から公知の対称的なバックコンバータが、２つの対称的に配置されたダイオード、すなわち、いずれも中心線に直接接続された２つのバックコンバータのダイオードのうちの１つとだけ並列にそれぞれ接続された２つのスイッチによって補足される場合には、様々な共振回路を作動させるために、様々なスイッチングパターンに応じて、これら２つの補足スイッチを閉じることができる。この場合、分割された電圧リンク回路の２つの半分を形成するリンク回路キャパシタと並列にダイオードがそれぞれ接続されており、そのダイオードが、電圧リンク回路の極に関して、バックコンバータのダイオードと同じ順方向を有し、リンク回路キャパシタが、インバータの動作におけるそれらの通例の極性に対して逆に充電されるのを防ぐと、有利であると分かる。
【００５０】
本発明による双方向インバータの可能な実施形態について、本発明による方法に関連してこれまでに説明してきた。ＤＣ／ＤＣコンバータおよびアンフォールディングブリッジが、必ずしもそうである必要はないが、共通のインバータのハウジングに配置されてもよいということを補足して留意されたい。例として、発電機および共通の極性反転器の付近の１つまたは複数のＤＣ／ＤＣコンバータを、例えば、グリッド給電点で、別個のハウジングの中に実現することが可能である。
【００５１】
本発明の有利な発展形態は、特許請求項、明細書、および図面から明らかである。本明細書で言及されている特徴の利点、および、複数の特徴の組み合わせの利点は、例示に過ぎず、これらの利点を本発明による実施形態によって実現することを必ずしも必要とせずに代替的または累積的にもたらされてもよい。その結果、添付の特許請求項の主題を変更することなく、原出願の明細書および特許明細書の開示内容に関して、以下のことが当てはまる。すなわち、さらなる特徴、特に、複数の構成部品の互いに対する相対配置および連動は、図面から推察することができる。選択された特許請求項における従属的な参照から逸脱して、本発明の様々な実施形態の特徴または様々な特許請求項の特徴を組み合わることも同様に可能であり、本明細書によって示唆されている。このことは、個々の図面に例示されている特徴、または、図面の説明において言及されている特徴にも関係する。これらの特徴を、様々な特許請求項の特徴と組み合わせることもまた可能である。同様に、特許請求項に提示されている特徴は、本発明のさらなる実施形態について省略される場合がある。
【００５２】
特許請求項および本明細書で言及された特徴は、それらの数に関して、正確にこの数または、言及された数よりも大きな数が存在するように理解されるものとし、副詞「少なくとも（ａｔ  ｌｅａｓｔ）」を使用してはっきりと表現する必要はない。したがって、例えば、１つの要素が論じられる場合には、これは、正確に１つの要素、２つ以上の要素が存在することを意味すると理解されるものとする。これらの特徴は他の特徴によって補足されてもよいし、もしくはそれぞれの産物を構成する単なる特徴であってもよい。
【００５３】
各特許請求項に含まれる参照符号は、特許請求項によって保護される主題の範囲の限定を構成するものではない。それらは、単に特許請求項をより理解し易くするという目的を果たすためのものである。
【００５４】
本発明は、添付の図面を参照しながら例示的な実施形態に基づいて、以下により詳細に説明され、記述される。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】図１は、バック−ブーストコンバータと、電圧リンク回路と、アンフォールディングブリッジと、を備えるインバータを示し、バック−ブーストコンバータのスイッチの切り換え状態、およびＡＣ電流がＡＣ電圧よりも遅れている場合の、ＡＣ電圧の半サイクルの終了直前のアンフォールディングブリッジのブリッジスイッチの切り換え状態が示されている。
【図２】図２は、図１によるインバータを示し、ＡＣ電圧の次の半サイクルに移行した直後の切り換え状態が示されている。
【図３】図３は、図１および図２によるインバータを示し、ＡＣ電圧の次の半サイクルの開始時の切り換え位置が示されている。
【図４】図４は、バック−ブーストコンバータの代わりに、逆方向に指向されたバックコンバータとブーストコンバータとの組み合わせが、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータとして設けられているインバータを示す。それ以外の点では、インバータは、図１および図２によるインバータと同様に電圧リンク回路およびアンフォールディングブリッジを備える。
【図５】図５は、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータが、逆の阻止方向を有する２つのフライバックコンバータから形成されたインバータであって、それとは別に、図１乃至図４によるインバータと同様に電圧リンク回路およびアンフォールディングブリッジを備えるインバータを示す。
【図６】図６は、電圧リンク回路におけるリンク回路電圧の時間的プロファイル、および図１乃至図５によるインバータのうちの１つによるＡＣ出力期間にわたって電圧リンク回路を介して流れる電流の時間的プロファイルを示す。
【図７】図７は、図１乃至図５による、それぞれのインバータのＡＣ出力においてＡＣ電圧よりも遅れているＡＣ電流であって、それぞれのインバータのアンフォールディングブリッジによって、図６による電流から整形されるＡＣ電流を示す。
【図８】図８は、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータが、追加のスイッチを有する対称的なバックコンバータから形成されているインバータを示す。
【発明を実施するための形態】
【００５６】
図１に図示されたインバータ１は、２つの極３および４を有するＤＣ入力２の間にバック−ブーストコンバータ１１を備え、リンク回路キャパシタ５を備える入力電圧リンク回路６と、２つの極８および９ならびにリンク回路キャパシタ１０を有する後続の電圧リンク回路７と、を有する。バック−ブーストコンバータ１１は、スイッチ１２と、さらなるスイッチ１３と、バック−ブーストコンバータ用の従来の構成の単純なインダクタの形態をした蓄積インダクタ素子１４と、を備える。つまり、蓄積インダクタ素子１４の一方の端子１５が、スイッチ１２を介してＤＣ入力２の一方の極４に接続可能である。蓄積インダクタ素子１４のもう一方の端子１６は、端子１５と同じ巻線に接続されており、電圧リンク回路７の一方の極９に接続され、蓄積インダクタ素子１４の一方の端子１５は、さらなるスイッチ１３を介して電圧リンク回路７のもう一方の極８に接続可能である。
【００５７】
互いに調和するようにスイッチ１２および１３の駆動をクロッキングすることにより、電圧リンク回路７を介してアンフォールディングブリッジ１７に流れる電流を整形することができる。特に、ＡＣ電流は半サイクルごとに整形され、極性が半サイクルごとに交互に変わるＡＣ出力２０の２つの端子１８および１９が、アンフォールディングブリッジによって、極８および９に接続されている。アンフォールディングブリッジ１７は、２つのハーフブリッジ２１および２２を備え、それぞれ、ハーフブリッジ２１が２つのブリッジスイッチ２３および２４を、ハーフブリッジ２２が２つのブリッジスイッチ２５および２６を備える。ＡＣ出力２０において存在するＡＣ電圧の半サイクルの間に、アンフォールディングブリッジのブリッジスイッチ２３および２６は、図示されるように、閉じられており、次に、対角線状に配置されたブリッジスイッチ２４および２５が、次の半サイクルの間に閉じられる。この場合、他の２つのブリッジスイッチ２３および２６はそのとき開かれている。ＡＣ出力がこのようにＡＣ出力２０においてＡＣ電圧と同相にある場合、すなわち、ＡＣ電流がＡＣ電圧よりも先行しておらず、また遅れてもおらず、したがって、ゼロから逸脱する位相シフト角度が存在しない場合には、電流は、ＡＣ電圧のそれぞれの半サイクル全体の間に、図１の矢印２７によって示された方向にコイル１４を通って、電圧リンク回路７を介してアンフォールディングブリッジ１７に流れる。しかしながら、ＡＣ電流が、ＡＣ電圧よりも先行しているか、または遅れている場合、すなわち、ＡＣ電流とＡＣ電圧との間に位相シフトがある場合には、電圧リンク回路７を介する電流の方向は、ＡＣ電圧のそれぞれの半サイクルの間に一度変化し、さらに半サイクル間の移行時に変化する。この最後の変化は、アンフォールディングブリッジ１７の極性が反転すると同時に、電流がＡＣ出力２０においてその方向を維持するために必要である。
【００５８】
インバータ１によって出力されたＡＣ電流Ｉが、ＡＣ出力２０においてＡＣ電圧Ｕよりも遅れている場合について、電圧リンク回路７を介して流れる電流ＩＺの変化、および関連する電圧リンク回路７における電圧ＵＺのプロファイルが図６に図示されている。ＡＣ電流ＩのプロファイルおよびＡＣ電圧Ｕのプロファイルが、図７に図示されている。図７によるＡＣ電圧Ｕのゼロ交差において、アンフォールディングブリッジ１７は、端子１８および１９の極性を電圧リンク回路７の極８および９に対して反転する。ＡＣ電流Ｉが図７による正弦波プロファイルを維持することができるように、図６による電流ＩＺは、電圧ＵＺのゼロ交差において、その数学的符号を変更しなければならず、これにより、電流強度が増加するにつれてＡＣ電流ＩとＡＣ電圧Ｕとの間の位相シフト角度が大きくなる。
【００５９】
ＡＣ電圧のそれぞれの半サイクルの間の電流の方向の反転は、ＡＣ電流とＡＣ電圧との間の位相シフト角度の数学的符号に関係なくノンクリティカルである。なぜなら、方向の反転は、電流強度ゼロで、すなわち、連続するゼロ交差の場合に起こるからである。ＡＣ電流がＡＣ電圧よりも先行している場合に、各半サイクルの終了時にすでに負である電流を、図１による矢印２７の方向に正の電流へと変更しなければならないのであれば、方向の反転は困難ではない。なぜなら、ＤＣ入力２の極３と極４との間に存在するＤＣ入力電圧２８を、この目的のための原動力として使用することができるからである。ＡＣ電圧よりも遅れている電流の場合に、すなわち、図６および図７におけるような負の位相シフト角度の場合であれば、状況が異なり、図１の矢印２７によって示された電流の正の方向は、反転されなければならない。ＡＣ出力２０におけるＡＣ電圧のゼロ交差では、この目的のために利用可能な十分な原動力がない。言いかえれば、ＤＣ出力２０における瞬間電圧が低い場合には、蓄積インダクタ素子１４を通電する電流の方向を反転するのに必要な電圧−時間積分は、長時間後にしか得られない。しかしながら、この時間は後述する手順によって短縮することができる。
【００６０】
図２は、蓄積インダクタ素子１４を通電する正の電流の方向を、短時間で逆方向だが同じ電流強度の負の電流へと反転するためのスイッチ１２および１３の切り換え状態、およびブリッジスイッチ２３乃至２６の切り換え状態を図示する。この目的のために、スイッチ２３を開くことにより、電圧リンク回路７がＡＣ出力２０から遮断される。その代わりに、ブリッジスイッチ２４および２６を介してＡＣ出力２０の２つの端子１８および１９を短絡させるために、スイッチ２４が閉じられる。あるいは、図１による切り換え位置とは対照的に、電圧リンク回路７をＡＣ出力２０から遮断し、端子１８および１９を短絡させるのと同じ効果を得るために、スイッチ２６を開いて、スイッチ２５を閉じることも可能であろう。端子１８および１９を短絡させることにより、端子１８と１９との間のＡＣ電流に対するフリーホイーリング経路が設けられ、この経路を介して、そのときに存在している電圧が低い場合に、ＡＣ電流が端子１８と１９との間に引き続き流れることができる。さらに、スイッチ１２は開かれており、スイッチ１３は閉じられている。その結果、蓄積インダクタ素子１４を通電する電流は、スイッチ１３の方に向きを変え、電流が回転矢印２９の方向に流れる場合には、電圧リンク回路７、すなわち、電圧リンク回路７のリンク回路キャパシタ１０を充電する。その結果、リンク回路キャパシタ１０の両端のリンク回路電圧は、電流がゼロに戻るまで増加し、次に電圧リンク回路７が、蓄積インダクタ素子１４を通して、回転矢印３０によって示される逆方向に再び放電される。この放電が終了すると、電流は所望の通り、逆方向だが以前と同じ電流強度で蓄積インダクタ素子１４を通って流れる。本明細書で概説した手順は、蓄積インダクタ素子１４および電圧リンク回路７によって形成された共振回路の共振周期の半分の間、すなわち、
0006434527.tif 000003
の間続く。式中、Ｌは、蓄積インダクタ素子１４のインダクタンスであり、Ｃは、リンク回路キャパシタ１０のキャパシタンスである。その間に端子１８と１９との間のフリーホイーリング経路を介して流れ続けるＡＣ電流はさらに、本明細書に記載された手順に影響されない状態に維持されている。
【００６１】
この期間の後に、図３に示されるように、インバータの動作が開始される。図１に対して逆の極性を有する電圧リンク回路７にＡＣ出力２０を接続するために、ブリッジスイッチ２５が閉じられ、アンフォールディングブリッジ１７のブリッジスイッチ２６が開かれている。図１では、端子１８が極８に接続され、端子１９が極９に接続されているが、図３によれば、端子１８が極９に接続され、端子１９が極８に接続されている。スイッチ１２および１３は、今度は図２により発生した電流が、電圧リンク回路７と入力電圧リンク回路６との間の電圧を上げることにより、矢印３２によって示される方向に蓄積インダクタ素子１４を通って流れ続けることができるように、または電流を現在適用可能な設定点電流値に一致させることができるように、ここでもまた互いに調和するように高周波クロッキングされる。
【００６２】
図１乃至図３によるインバータ１の実施形態では、バック−ブーストコンバータ１１が、ＤＣ入力２と電圧リンク回路７との間に双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ３１を形成していたが、図４によるインバータ１の実施形態では、このような双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ３１が、インダクタ５０の形態をした蓄積インダクタ素子１４を有するバックコンバータ３３と、さらなるインダクタ５１の形態をしたさらなる蓄積インダクタ素子３７を有するブーストコンバータ３４との組み合わせによって形成されている。バックコンバータ３３は、ＤＣ入力２から電圧リンク回路７へと指向され、一方、ブーストコンバータ３４は、電圧リンク回路７からＤＣ入力２へと逆方向に指向されている。バックコンバータ３３は、スイッチング素子３５としてダイオード４５が設けられているという事実は別にして図１乃至図３によるバック−ブーストコンバータ１１に相当する。このスイッチング素子３５を介して、蓄積インダクタ素子１４の端子１５が、電圧リンク回路７の極８に接続可能である。このため、スイッチ１２が開かれると、インダクタ５０を通電する電流は、この目的のためにスイッチを作動させる必要なしに、ダイオード４５へと矢印２７の方向に向きを変える。しかしながら、電圧リンク回路７のリンク回路キャパシタ１０が充電された後に再び放電するためには、さらなるスイッチ３６を閉じなければならない。このさらなるスイッチ３６はここでは、閉じたときに、電圧リンク回路７が、さらなるインダクタ５１を介して矢印３２の逆方向に流れることにより、スイッチ３６およびさらなるダイオード３８とともにブーストコンバータ３４を形成するようになっている。したがって、ＤＣ入力２についての電圧リンク回路７からの負の電流はブーストコンバータ３４に通電する一方、正の電流はバックコンバータ３３に通電する。ＡＣ電圧のそれぞれの半サイクルの終了時に、したがってバックコンバータ３３の動作の終了時に、インダクタ５０に通電する矢印２７の方向の依然として相対的に大きな電流を、電圧リンク回路７の電気エネルギーのバッファ蓄積装置とともにここで使用して、ＡＣ電圧の次の半サイクルの開始時にブーストコンバータ３４のさらなるインダクタ５１を動作させるために、矢印３２による逆方向の電流で、ブーストコンバータ３４のさらなるインダクタ５１を事前に充電するようにする。
【００６３】
図５は、ＤＣ入力２と電圧リンク回路７との間の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ３１が、相互に逆の反転方向を有する２つのフライバックコンバータ３９および４０によって形成されている、インバータ１の一実施形態を示す。この場合、蓄積インダクタ素子１４は、２つの磁気結合された巻線４２および４３を有するフライバックコンバータ３９の蓄積変圧器４１を備える。スイッチ１２を介してＤＣ入力２の極４に接続可能な蓄積インダクタ素子１４の端子１５が、巻線４２に接続されている。電圧リンク回路７の極９に接続された蓄積インダクタ素子１４の端子１６は、巻線４３に接続されている。さらに、ここでも同様にダイオード４５の形態をしたスイッチング素子３５を介して電圧リンク回路７の極８に接続可能な端子４４が、第２の巻線４３に接続されている。それに応じて、さらなる蓄積インダクタ素子３７は、さらなるフライバックコンバータ４０の蓄積変圧器４６を備えるとともに、２つの巻線４７および４８を有する。この場合、さらなるスイッチ３６は、巻線４７に接続され、さらなるダイオード３８は、巻線４８に接続されている。ＡＣ出力２０におけるＡＣ電圧の２つの半サイクル間で移行すると同時に、スイッチ１２を開くことで対応する電流が巻線４３に矢印２７の方向に通電することによって電圧リンク回路７が充電され、次にさらなる蓄積インダクタ素子３７の巻線４７に矢印３２の方向に同じ電流強度の電流を通電させるために、スイッチ３６を閉じることによって電圧リンク回路が放電される。その結果、アンフォールディングブリッジ１７が電圧リンク回路７に対してＡＣ出力２０の極性を変更した後に、さらなるフライバックコンバータ４０が、巻線４７を通電する、したがって電圧リンク回路７からＤＣ入力２まで通電するこの電流を用いて、ＡＣ電圧の次の半サイクルの開始時に直ちにその動作を開始することができる。この半サイクルの過程の間に、電流の次のゼロ交差と同時に、電流通電は、フライバックコンバータ４０から変わってフライバックコンバータ３９に戻る。しかしながら、これは電流強度ゼロで起こるので、問題になることはない。
【００６４】
さらに、図５は、動作制御器４９を示す。動作制御器４９は、インバータの動作、したがって、特にスイッチ１２および３６の開閉、ならびにブリッジスイッチ２３乃至２６の開閉を制御する。
【００６５】
図８は、インバータ１の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ３１の例示的な実施形態として、追加のスイッチ５４を有する対称的なバックコンバータ５２を図示する。対称的なバックコンバータは、中心線５３に対して対称的に実施される。中心線５３は、本実施形態では、キャパシタンスが同じであることが好ましい２つのリンク回路キャパシタ５’および５’’を備える入力リンク回路６の中心点と、本実施形態では、２つのリンク回路キャパシタ１０’および１０’’を同様に備える電圧リンク回路９の中心点と、を接続する。この場合、２つのスイッチ１２’および１２’’、２つのインダクタ５０’、５０’’および２つのダイオード４５’、４５’’が、ダイオード４５’および４５’’の順方向、スイッチ１２’および１２’’の順方向、ならびにスイッチ１２’および１２’’の逆並列ダイオード５５’および５５’’の順方向は別にして、中心線５３に対して対称的に配置されており、ダイオード４５’と４５’’との間の中心点は、中心線５３に接続されている。このような対称的なバックコンバータおよび極性反転器１７を出力側に備えるインバータ１は、例えば、独国特許出願公開第１０  ２０１０  ０３５  ０２０  Ａ１号明細書から公知である。しかしながら、独国特許出願公開第１０  ２０１０  ０３５  ０２０  Ａ１号明細書の記述に反して、公知のインバータは、非常に限られた程度の無効電力能力しか有していない。対照的に、図８によるインバータ１の場合には、追加のスイッチ５４によって無制限の無効電力能力が実現される。追加のスイッチ５４は、ブーストコンバータのスイッチとして使用することができ、その場合には、開かれたスイッチ１２’および１２’’の逆並列ダイオード５５’および５５’’はこのとき、ブーストコンバータのダイオードとして作用する。加えて、本発明によれば、スイッチ５４が共振周期の半分の間閉じられていることによって、スイッチ５４を使用して、インダクタ５０’および５０’’を通電する矢印２７’および２７’’による電流の方向を反転させることができる。この場合、インダクタ５０’および５０’’、ならびにリンク回路キャパシタ１０’および１０’’によって単一の共振回路が形成されている。したがって、１つのスイッチ５４を追加することにより、基本的に公知のインバータの場合には、小さい全高調波の歪みで無効電力能力を提供することが可能になる。
【符号の説明】
【００６６】
１  インバータ
２  ＤＣ入力
３  極
４  極
５  リンク回路キャパシタ
５’  リンク回路キャパシタ
５’’  リンク回路キャパシタ
６  入力電圧リンク回路
７  電圧リンク回路
８  極
９  極
１０  リンク回路キャパシタ
１０’  リンク回路キャパシタ
１０’’  リンク回路キャパシタ
１１  バック−ブーストコンバータ
１２  スイッチ
１２’  スイッチ
１２’’  スイッチ
１３  スイッチ
１４  蓄積インダクタ素子
１５  端子
１６  端子
１７  極性反転器
１８  端子
１９  端子
２０  ＡＣ出力
２１  ハーフブリッジ
２２  ハーフブリッジ
２３  ブリッジスイッチ
２４  ブリッジスイッチ
２５  ブリッジスイッチ
２６  ブリッジスイッチ
２７  矢印
２８  ＤＣ入力電圧
２９  回転矢印
３０  回転矢印
３１  ＤＣ／ＤＣコンバータ
３２  矢印
３３  バックコンバータ
３４  ブーストコンバータ
３５  スイッチング素子
３６  スイッチ
３７  蓄積インダクタ素子
３８  ダイオード
３９  フライバックコンバータ
４０  フライバックコンバータ
４１  蓄積変圧器
４２  巻線
４３  巻線
４４  端子
４５  ダイオード
４５’  ダイオード
４５’’  ダイオード
４６  蓄積変圧器
４７  巻線
４８  巻線
４９  動作制御器
５０  インダクタ
５０’  インダクタ
５０’’  インダクタ
５１  インダクタ
５２  対称的なバックコンバータ
５３  中心線
５４  スイッチ
５５’  逆並列ダイオード
５５’’  逆並列ダイオード
Ｌ  インダクタンス
Ｃ  キャパシタンス
ＵＺ  電圧リンク回路７の両端の電圧
ＩＺ  電圧リンク回路７を介する電流
Ｕ  ＡＣ出力２０におけるＡＣ電圧
Ｉ  ＡＣ出力２０を介するＡＣ電流
【図１】
0006434527.tif 000004
【図２】
0006434527.tif 000005
【図３】
0006434527.tif 000006
【図４】
0006434527.tif 000007
【図５】
0006434527.tif 000008
【図６】
0006434527.tif 000009
【図７】
0006434527.tif 000010
【図８】
0006434527.tif 000011