(57)【要約】【課題】ＤＣ／ＤＣ変換器セル、それから形成されるフィードバック能力を備えたＤＣ／ＤＣ変換器回路、およびその操作方法を提供する。【解決手段】第１変換器デバイスと、ＤＣ電圧連結された第２変換器デバイスとを有するフィードバック能力を備えたＤＣ／ＤＣ変換器回路に関する。第１変換器デバイスの２つの入力端は、ＤＣ／ＤＣ変換器回路の入力端を形成すると共にＤＣ電源に接続することが可能であり、第２変換器デバイスの出力端は、ＤＣ／ＤＣ変換器回路の出力端を形成すると共にＤＣ受電端に接続することが可能であり、第２変換器デバイスは、ＤＣ／ＤＣ変換器セルの形態、あるいは、２つのＤＣ／ＤＣ変換器セルを有するＤＣ／ＤＣ変換器セル装置の形態である。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
３つの入力接続点（１１、１２、１３）および２つの出力接続点（１４、１５）と、少なくとも１つの変換器ステージ（１００）とを有するＤＣ／ＤＣ変換器セル（１０）であって、第１入力接続点（１１）は第１出力接続点（１４）に接続され、第２入力接続点（１２）は前記少なくとも１つの変換器ステージ（１００）のそれぞれの中心点（Ｍ）に接続され、第３入力接続点（１３）は第２出力接続点（１５）に接続され、かつ、
各変換器ステージ（１００）は、それぞれ少なくとも２つのパワースイッチ（Ｓ＿ｏｘ１、Ｓ＿ｕｘ１、Ｓ＿ｏｘ２、Ｓ＿ｕｘ２）を有する上部直列回路（１０２）および下部直列回路（１０４）を有し、各パワースイッチ（Ｓ＿ｏｘ１、Ｓ＿ｕｘ１、Ｓ＿ｏｘ２、Ｓ＿ｕｘ２）の順序番号（ｘ）は前記中心点（Ｍ）からカウントされ、これらの上部パワースイッチ（Ｓ＿ｏｘ１、Ｓ＿ｏｘ２）の最後のスイッチが前記第１入力接続点（１１）に接続され、これらの下部パワースイッチ（Ｓ＿ｕｘ１、Ｓ＿ｕｘ２）の最後のスイッチが前記第３入力接続点（１３）に接続され、
前記少なくとも１つの変換器ステージ（１００）のそれぞれに、コンデンサ（Ｃ＿ｘ１、Ｃ＿ｘ２）が設けられることで、上部の隣接する前記パワースイッチがすべて、同じ順序番号を有する下部の隣接する前記パワースイッチにそれぞれのコンデンサを介して接続され、前記第１入力接続点（１１）と前記第２入力接続点（１２）とに、あるいは前記第２入力接続点（１２）と前記第３入力接続点（１３）とにＤＣ電源（２０）を接続できる、
ＤＣ／ＤＣ変換器セル（１０）。
【請求項２】
前記ＤＣ電源（２０）に接続できる前記２つの入力接続点（１１、１２、１３）のいずれか１つがアース電位（ＧＮＤ）にある、請求項１に記載のＤＣ／ＤＣ変換器セル（１０）。
【請求項３】
前記２つの出力接続点（１４、１５）が、出力コンデンサ（４００）によって相互に接続される、請求項１に記載のＤＣ／ＤＣ変換器セル（１０）。
【請求項４】
前記第２入力接続点（１２）と前記少なくとも１つの変換器ステージ（１００）の中心点（Ｍ）との間に、それぞれコイル（１２０、１２２）が接続される、請求項１に記載のＤＣ／ＤＣ変換器セル（１０）。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載のＤＣ／ＤＣ変換器セル（１０）を２つ有するＤＣ／ＤＣ変換器セル装置（３０）であって、第１のＤＣ／ＤＣ変換器セル（１０ａ）の第３入力接続点（１３）および第２出力接続点（１５）がそれぞれ、第２のＤＣ／ＤＣ変換器セル（１０ｂ）の第１入力接続点（１１）および第１出力接続点（１４）に対応し、かつ、前記２つのＤＣ／ＤＣ変換器セル（１０ａ／ｂ）の前記第２入力接続点（１２）が変換器セル装置の入力端（３１、３２）を形成し、前記第１の変換器セル（１０ａ）の第１出力接続点（１４）と前記第２の変換器セル（１０ｂ）の第２出力接続点（１５）とが、ＤＣ／ＤＣ変換器セル装置（３０）の出力端（３４、３５）を形成する、ＤＣ／ＤＣ変換器セル装置（３０）。
【請求項６】
第１変換器デバイス（６０）と、ＤＣ電圧連結された第２変換器デバイス（１０）とを有するフィードバック能力を備えたＤＣ／ＤＣ変換器回路（５０）であって、前記第１変換器デバイス（６０）の２つの入力端（６１、６２）は、ＤＣ／ＤＣ変換器回路（５０）の入力端（５１、５２）を形成すると共にＤＣ電源（２０）に接続することが可能であり、前記第２変換器デバイス（１０）の出力端（１４、１５）は、ＤＣ／ＤＣ変換器回路（５０）の出力端を形成すると共にＤＣ受電端（４０、４２）に接続することが可能であり、前記第２変換器デバイスは、ＤＣ／ＤＣ変換器セル（１０）の形態、あるいは２つのＤＣ／ＤＣ変換器セル（１０）を有するＤＣ／ＤＣ変換器セル装置（３０）の形態である、ＤＣ／ＤＣ変換器回路（５０）。
【請求項７】
前記第１変換器回路（６０）が１段、または直列に接続された複数段から構成され、前記少なくとも１つの段を、少なくとも１つのコイル（６００、６１０）を介して前記ＤＣ電源（２０）に接続できる、請求項６に記載のフィードバック能力を備えたＤＣ／ＤＣ変換器回路（５０）。
【請求項８】
前記第１変換器回路（６０）の少なくとも１つの出力端（６４、６５）が、付加的なコイル（５８）を介して前記第２変換器回路（１０）の関連する入力端（１２、１３）に接続される、請求項６に記載のフィードバック能力を備えたＤＣ／ＤＣ変換器回路（５０）。
【請求項９】
前記第１変換器回路（６０）の両出力端（６４、６５）が、別のいかなる構成要素をも伴うことなく直接的に、前記第２変換器回路（１０）のそれぞれ関連する入力端（１２、１３）に接続される、請求項６に記載のフィードバック能力を備えたＤＣ／ＤＣ変換器回路（５０）。
【請求項１０】
昇圧変換器モードにて、前記第１変換器デバイス（６０）が、ＤＣ電源の電圧値を最大３の係数だけ連続的に増大させる一方、前記第２変換器回路（１０）は、前記第１変換器回路（６０）の出力電圧の、別の一定の係数だけの増大を遂行する、請求項６に記載のフィードバック能力を備えたＤＣ／ＤＣ変換器回路（５０）の操作方法。
【請求項１１】
前記別の係数が、３以上、好ましくは５以上である、請求項１０に記載のフィードバック能力を備えたＤＣ／ＤＣ変換器回路（５０）の操作方法。
【請求項１２】
前記別の係数が整数の係数である、請求項１０または１１に記載のフィードバック能力を備えたＤＣ／ＤＣ変換器回路（５０）の操作方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＤＣ電源およびＤＣ受電端（voltage sink）に接続するためのフィードバック能力を備えたＤＣ／ＤＣ変換器回路に関する。この場合、望ましいエネルギー輸送はＤＣ電源からＤＣ受電端に向けて生起するが、「フィードバック能力を備えた」という用語は反対の径路をも含意する。従って、このＤＣ／ＤＣ変換器回路は、エネルギーをＤＣ受電端からＤＣ電源に輸送することも可能である。さらに、本発明は、このようなフィードバック能力を備えたＤＣ／ＤＣ変換器回路の有利な操作方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
このようなＤＣ／ＤＣ変換器回路、あるいは特にそれを構成するＤＣ／ＤＣ変換器セル装置、あるいはそれを形成するＤＣ／ＤＣ変換器セルは、一般的に、その出力電圧が時間に関して一定でない場合が多いＤＣ電源の出力電圧を、時間に関して一定でありかつ一般的に一層高い電圧レベルのＤＣ受電端に電圧整合させるために用いられる。
【０００３】
本明細書に記述するタイプのＤＣ電源は、光起電力システムまたはそのサブシステム、燃料電池、あるいは、再充電可能な蓄電池またはコンデンサ回路のような貯蔵要素としてもよい。種々の機能パラメータが種々のタイプのＤＣ電源に代表的に用いられる。光起電力システムは、本質的にその出力電圧が大きく変動するという特徴を有するが、燃料電池は、相対的に一定の電圧出力を有するという点で特徴的である。各種貯蔵要素は、一般的に一定であるが当然時間に関して制限される出力電圧を有する。この電圧を、本明細書においてはより好適に端子電圧と呼称する。
【０００４】
ＤＣ受電端は、インバータ回路装置の入力端またはＤＣバスシステムとしてもよい。ＤＣバスシステムは、通常、これに接続される同じタイプまたは異なる形態の複数のＤＣ／ＤＣ変換器システムを有する。この場合、このＤＣ／ＤＣ変換器システムは、これに接続されるＤＣ電源であって、そのバスシステムに給電する、あるいはそれから給電されるＤＣ電源を備えている。ラインの損失を考慮すると、ＤＣバスシステムの電圧レベルを、接続されるＤＣ電源の少なくともほとんどの出力電圧よりも大幅に高くなるように選択することが有利になる場合が多い。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、望ましくは可変端子電圧を有するＤＣ電源を、望ましくは一定の端子電圧を有するＤＣ受電端に双方向接続するための、すなわちフィードバック能力を備えた接続を行うための汎用的なＤＣ／ＤＣ変換器トポロジーを提供するという目的に基づいている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明によれば、この目的は、請求項６の特徴を備えたＤＣ／ＤＣ変換器回路であって、請求項１に記載する少なくとも１つの変換器セルを有するＤＣ／ＤＣ変換器回路と、請求項１０に記載する方法とによって達成される。それぞれの従属請求項には、好ましい実施形態が記述される。
【０００７】
本発明は、入力接続点に第１電圧レベルにおいて印加されるＤＣ電圧を、続いて出力接続点に第２電圧レベルにおいて生成されるＤＣ電圧に変換するためのＤＣ／ＤＣ変換器セルに基づいている。このようなＤＣ／ＤＣ変換器セルは、例えば、光起電力システムまたはそのシステム部分の出力電圧であって時間に関して変動する第１電圧レベルの出力電圧を、第２の一定電圧レベルのＤＣ電圧を有するインバータの入力端に整合させるために用いられる。このＤＣ／ＤＣ変換器セルは、例えば、一定電圧レベルのＤＣバスシステムから、同様に一定であるがより低い電圧レベルの貯蔵要素に充電するために、フィードバック能力を有すること、すなわち双方向に操作し得ることが有利である。ＤＣバスシステムには、当然、同様にこの貯蔵要素から再度給電することができる。
【０００８】
ここに提案するＤＣ／ＤＣ変換器セルは、３つの入力接続点および２つの出力接続点を有する。ＤＣ電源は、この３つの入力接続点の２つに、それが第１入力接続点および第２入力接続点に接続されるか、あるいは第２入力接続点および第３入力接続点に接続されるように接続できる。ＤＣ電源を接続する際には、２つの入力接続点の１つをアース電位に接続することが有利になり得る。同様に、ＤＣ電源に接続される２つの入力接続点の間に入力コンデンサを設けることが有利になり得る。２つの出力接続点の内、第１接続点は、ＤＣ／ＤＣ変換器セルの第１入力接続点に接続され、第２接続点は第３入力接続点に接続される。さらに、２つの出力接続点はＤＣ受電端に接続できる。この場合も、２つの出力接続点の間に出力コンデンサを設けることが可能であり、有利である。
【０００９】
さらに、ＤＣ／ＤＣ変換器セルは、少なくとも１つの変換器ステージ、しかし有利には同じタイプの複数の変換器ステージを有する。各変換器ステージは、それぞれ少なくとも２つのパワースイッチを含む上部直列回路および下部直列回路を有する。既知の先行技術に従って、このパワースイッチは、それぞれ、パワートランジスターの形態、例えば逆並列接続されたフリーホイーリングダイオードを含むＩＧＢＴ、あるいはＭＯＳＦＥＴの形態とすることができる。
【００１０】
ＤＣ／ＤＣ変換器セルの第２入力接続点は、少なくとも１つの変換器ステージのそれぞれの中心点に、好ましくは中間コイルを介して接続される。中心点は、各変換器ステージを上部直列回路および下部直列回路に対称に分割する。１からＮ−１までの順序番号が２つの直列回路におけるそれぞれのトランジスタに割り当てられ、それぞれ中心点からカウントされる。順序番号Ｎ−１を有する上部パワースイッチの最後のスイッチが第１入力接続点に接続され、同様に順序番号Ｎ−１を有する下部パワースイッチの最後のスイッチが第３入力接続点に接続される。
【００１１】
さらに、少なくとも１つの変換器ステージのそれぞれに、少なくとも１つのコンデンサが設けられる。各コンデンサは同様に順序番号を有する。１つの順序番号のコンデンサは、一方では、同じ順序番号を有する上部パワースイッチと、これに続く順序番号を有する上部パワースイッチとの間の中心点に接続され、もう一方では、同じ順序番号を有する下部パワースイッチと、これに続く順序番号を有する下部パワースイッチとの間の中心点に接続される。従って、これによって、それぞれの変換器ステージの中心点から見て、Ｎ−２個のコンデンサの対称配置がもたらされる。
【００１２】
従って、中心点から見ると、各変換器ステージにＮ個の電位レベルが生じる結果になり、中心点そのものがその第１レベルを形成し、第１および第３の入力接続点がその最終レベルを形成し、一方、平均レベルはパワースイッチ間の中心点によって形成される。従って、上部および下部直列回路にそれぞれ４個のパワースイッチを有する構成は、３つのコンデンサと５個の電位レベルを有し、従って、５レベル回路と呼称される。
【００１３】
ＤＣ／ＤＣ変換器セルのこの改良形態は、各直列回路におけるＮ−１個のそれぞれのパワースイッチが、ＤＣ／ＤＣ変換器セルの出力電圧の１／（Ｎ−１）倍の耐電圧強度（withstand strength）を有する必要があるだけであるという有利な特徴を有する。昇圧変換（step-up conversion）の場合には、このＤＣ／ＤＣ変換器セルによって、出力電流における脈動波を、パワースイッチの適切な制御によって、特に刻時をずらすこと（offset clocking）によって、レベル個数の増大と共に低減することが可能になる。従って、設けるべき出力コンデンサの静電容量をそれぞれの係数だけ低減できる。
【００１４】
ＤＣ／ＤＣ変換器セル装置は、上記のＤＣ／ＤＣ変換器セルを２つ有している。この場合、第１ＤＣ／ＤＣ変換器セルの第３入力接続点は第２ＤＣ／ＤＣ変換器セルの第１入力接続点に接続され、第１ＤＣ／ＤＣ変換器セルの第２出力接続点は第２ＤＣ／ＤＣ変換器セルの第１出力接続点に接続され、それぞれの接続が対応している。
【００１５】
２つのＤＣ／ＤＣ変換器セルのそれぞれの第２入力接続点が、変換器セル装置の入力端を形成する。ＤＣ／ＤＣ変換器セル用の前記のようなコイルを、変換器セル装置の少なくとも１つの入力端に設けると有利である。ＤＣ／ＤＣ変換器セル装置の２つの入力端のそれぞれに１つのコイルを設ける場合は、これら２つのコイルを磁気的に連結する、すなわち変圧器作用によって連結することも有利であり得る。
【００１６】
第１ＤＣ／ＤＣ変換器セルの第１出力接続点および第２ＤＣ／ＤＣ変換器セルの第２出力接続点は、ＤＣ／ＤＣ変換器セル装置の２つの出力端を形成する。しかし、第１および第２ＤＣ／ＤＣ変換器セルの互いに接続される第２および第１出力接続点を、ＤＣ／ＤＣ変換器セル装置の１つの追加出力端として用いることも有利であり得る。例えば、この追加の出力端は、ＤＣ／ＤＣ変換器セル装置の２つの入力端のどちらもアース電位にない場合は、出力電圧を均衡させるために用いることができ、アース電位にすることが有利であり得る。
【００１７】
特にＤＣバスシステムの形態のＤＣ受電端の場合において、ＤＣ電源およびＤＣ受電端の電圧レベルが約１桁以上違えば、すなわち約１０の係数だけ違えば、上述の要件に対して、２つの変換器デバイスからなるフィードバック能力を備えたＤＣ／ＤＣ変換器回路が特に有利である。
【００１８】
フィードバック能力を備えたこのような２つのＤＣ／ＤＣ変換器回路を、２つのＤＣ／ＤＣ変換器セルの上記の接続と類似した形態に接続して、ＤＣ／ＤＣ変換器セル装置を形成することも同様に有利であり得る。
【００１９】
この場合、第１変換器デバイスは、既知の先行技術に従って設計することができ、１つの段、または直列に接続される複数の段から構成することができる。この段のそれぞれは半ブリッジ回路から構成され、少なくとも１つの段の中心接点が、ＤＣ／ＤＣ変換器回路の２つの各入力端の１つを形成する。フィードバック能力を備えたＤＣ／ＤＣ変換器回路の入力端と、第１変換器デバイスの関連する中心接点との間にそれぞれコイルを設けることが望ましい。これらのコイルは、変圧器作用によって有利に相互連結できる。
【００２０】
第２の変換器ステージは、上述のＤＣ／ＤＣ変換器セルまたはＤＣ／ＤＣ変換器セル装置の形態である。
【００２１】
第１および第２変換器回路間のＤＣ電圧連結は、第１変換器デバイスの出力端を第２変換器デバイスの入力端に接続することによって形成される。この場合、これらの接続の少なくとも１つにコイルを設けることが望ましい場合がある。
【００２２】
しかし、ＤＣ／ＤＣ変換器回路が特に有利な方法で操作される場合は、このようなコイルを省略することが可能であり、あるいは、従来の設計基準に比べて特に低いインダクタンスを設けることが可能である。
【００２３】
特に有利なこの操作方法は次の点で際立った特徴を有する。すなわち、昇圧変換器モードにおいて、すなわちＤＣ／ＤＣ変換器回路の入力端の電圧レベルがその出力端における所要の電圧レベルよりも低い場合に、第１変換器デバイスが、ＤＣ電源の電圧レベルの出力電圧を最大３の係数だけ連続的に増大させ、一方、第２変換器回路は、第１変換器回路の出力電圧の、専ら一定の係数、好ましくは整数の係数だけの増大を遂行するという点である。
【００２４】
電圧が、専ら整数の係数だけ増大すると、第２変換器デバイスを形成するＤＣ／ＤＣ変換器セルのパワースイッチが、第１および第２変換器デバイス間の接続には、エネルギーを全く貯蔵する必要がないか、あるいはごく僅かなエネルギー量しか貯蔵する必要がないように切り換えられる。従って、そこにコイルを配置する必要性は全くなくなるか、あるいは、少なくとも、既知の設計基準によるものよりも遥かに低いインダクタンスのコイルを設けることができるのである。
【００２５】
このような利点は、電圧増大に関する別の好ましい非整数であるが一定の係数であって、それぞれ上部および下部の直列回路におけるパワースイッチの適切な個数と関連する係数によっても達成され、特に、コイルを完全に省略し得るか、あるいは、遥かに低いインダクタンスのコイルを設けることができる。
【００２６】
本発明による解決策を、典型的な実施形態により、図１〜８を参照してさらに説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】ＤＣ／ＤＣ変換器セルを模式的に示す。
【図２】一接続変形のＤＣ／ＤＣ変換器セルを示す。
【図３】別の接続変形のＤＣ／ＤＣ変換器セルを示す。
【図４】ＤＣ／ＤＣ変換器セルの回路の一実施形態を示す。
【図５】外部回路を含むＤＣ／ＤＣ変換器セル装置を模式的に示す。
【図６】ＤＣ／ＤＣ変換器セル装置の回路の一実施形態を示す。
【図７】種々のＤＣ／ＤＣ変換器セル装置の出力電圧の相対的脈動波のシミュレーションを示す。
【図８】フィードバック能力を備えたＤＣ／ＤＣ変換器回路を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
図１は、３つの入力接続点１１、１２、１３と、２つの出力接続点１４、１５とを有するＤＣ／ＤＣ変換器セル１０を模式的に示す。この変換器セル１０は、いわば、後続の全回路の基本モジュールまたは基本的構成要素を形成する。
【００２９】
図２および３は、それぞれ、異なる接続変形のＤＣ／ＤＣ変換器セル１０を示す。図２は、正極および負極を有するＤＣ電源２０を示している。その正極はＤＣ／ＤＣ変換器セル１０の第１入力接続点１１に接続され、一方、負極はＤＣ／ＤＣ変換器セル１０の第２入力接続点１２に接続される。この図は、また、１つの入力接続点、この場合第１入力接続点１１、をアース電位ＧＮＤに接続することが有利であることをも示している。このようなアース電位ＧＮＤへの接続は、ＤＣ電源としての光起電力システムの場合、標準的な実践態様になっていることが多い。
【００３０】
さらに、アース電位ＧＮＤへの接続とは無関係に、２つの入力接続点１１、１２は、好ましい方式として入力コンデンサ２００に接続される。出力電圧に所与の脈動波を含むＤＣ電源２０の場合、これらは、出力電圧を平滑化するのに用いられる。しかし、このコンデンサは、ＤＣ電源２０からの出力電圧が連続的に利用可能でない場合、短時間のエネルギー貯蔵器として用いることも可能である。
【００３１】
ＤＣ／ＤＣ変換器セル１０の出力端１４、１５は、この場合、例えばＤＣ受電端としてのインバータ４２に接続される。
【００３２】
図３は、ＤＣ／ＤＣ変換器セル１０用の別の有利な外部回路を示す。この場合、ＤＣ電源２０の正極はＤＣ／ＤＣ変換器セル１０の第２入力接続点１２に接続され、一方、その負極は第３入力接続点１３に接続される。この場合、例えば、ＤＣ電源２０の負極および／またはＤＣ／ＤＣ変換器セルの第３入力接続点１３をアース電位ＧＮＤに接続することが同様に有利であり得る。
【００３３】
ＤＣ／ＤＣ変換器セル１０の出力端はＤＣバスシステム４０に接続される。このようなＤＣバスシステム４０は、例えば光起電力システムの内部において、複数のサブシステムを相互に、場合によってはインバータデバイスに接続する。分散型の発電設備がこのようなＤＣバスシステム４０と共に用いられる場合は、異なる形態の複数のＤＣ電源２０を、同様に相互に接続することが可能である。例えば、この複数の純ＤＣ電源は、例えば、光起電力モジュールまたは燃料電池、あるいはコンデンサデバイスのようなＤＣ貯蔵器とすることができる。
【００３４】
本明細書に記述するＤＣ／ＤＣ変換器セル１０は、エネルギーをＤＣ電源２０からＤＣ受電端４０、４２に輸送し得るだけでなく、エネルギーの反対方向への輸送、例えばＤＣ電源としてのコンデンサデバイスへの給電にも適している。この場合、ＤＣ受電端４０、４２の電圧レベルは通常低減されて、ＤＣ電源２０に供給される。これが、ＤＣ／ＤＣ変換器セル１０の上述のフィードバック能力を規定する。
【００３５】
図４は、図３に関して記述した機能を有するＤＣ／ＤＣ変換器セル１０の回路の一実施形態を示す。この図は、３つの入力接続点１１、１２、１３と、２つの出力接続点１４、１５とを示している。この場合、第１入力接続点１１は直接第１出力接続点１４に接続され、第３入力接続点１３は、同様に、直接第２出力接続点１５に接続される。
【００３６】
この場合、変換器の機能は２つの変換器ステージ１００によって形成される。但し、電力に応じて任意の所要個数の変換器ステージが可能である。変換器ステージ１００は、上部直列回路１０２および下部直列回路１０４の中心点Ｍに関して対称な配置から構成され、その配置のそれぞれは複数のパワースイッチＳ＿ｏｘ１、Ｓ＿ｕｘ１、Ｓ＿ｏｘ２、Ｓ＿ｕｘ２を含む。この対称配置の中心点Ｍは、それぞれ、ＤＣ／ＤＣ変換器セルの第２入力接続点１２に接続される。この改良形態においては、第２入力接続点１２とそれぞれの中心点Ｍとの間に、それぞれコイル１２０、１２２が設けられる。この場合、このコイル１２０、１２２を、共通の芯１２４によって磁気的に連結することも有利であり得る。このような連結は変圧器連結とも呼称することができる。
【００３７】
変換器ステージ１００の上部直列回路１０２および下部直列回路１０４は、少なくとも２つのパワースイッチ、図４の場合には３つのパワースイッチ、Ｓ＿ｏｘ１、Ｓ＿ｕｘ１、Ｓ＿ｏｘ２、Ｓ＿ｕｘ２から構成される。これらのパワースイッチは、パワートランジスターの形態、例えば逆並列接続されたフリーホイーリングダイオード１３２を含むＩＧＢＴ１３０の形態であり、あるいは真性フリーホイーリングダイオードを備えたＭＯＳＦＥＴの形態にすることができる。各パワースイッチ、Ｓ＿ｏｘ１、Ｓ＿ｕｘ１、Ｓ＿ｏｘ２、Ｓ＿ｕｘ２には順序番号ｘが割り当てられているが、これは、変換器ステージの中心点から１から始めてカウントされる。この場合、２番目の文字ｙはそれぞれの変換器ステージを規定する。
【００３８】
さらに、コンデンサＣ＿ｘ１、Ｃ＿ｘ２が、パワースイッチの個数に応じて、変換器ステージ１００に設けられる。この場合、コンデンサの個数は、各直列回路１００におけるパワースイッチの個数よりも１つだけ少ない。従って、各直列回路に３つのパワースイッチを有する図示の変形においては、２つのコンデンサが設けられることになる。各直列回路に６個のパワースイッチを有する図示されていない７レベルのＤＣ／ＤＣ変換器セルが同様に有利であるが、この実施形態の場合には、５個のコンデンサを設ける必要があるであろう。
【００３９】
コンデンサＣ＿ｘ１、Ｃ＿ｘ２は、第１コンデンサＣ＿１ｙの第１接続点が、それぞれ、上部直列回路１０２における第１パワースイッチＳ＿ｏ１ｙと第２パワースイッチＳ＿ｏ２ｙとの間に接続され、その第２接続点が、それぞれ、下部直列回路１０４における第１パワースイッチＳ＿ｕ１ｙと第２パワースイッチＳ＿ｕ２ｙとの間に接続されるように設けられる。上部および下部の各直列回路用として４個のパワースイッチを含む実施形態は図示されていないが、この場合は、第３のコンデンサが、上部直列回路において第３および第４パワースイッチの間に接続され、同様に、下部直列回路において第３および第４パワースイッチの間に接続されるであろう。従って、重要な因子は、２つの隣接するそれぞれのパワースイッチの間に１つのコンデンサ接続点が設けられること、および、この各コンデンサが上部および下部直列回路の間において対称に接続されることである。
【００４０】
さらに、ＤＣ／ＤＣ変換器セル１０の２つの出力接続点１４、１５を、別の１つのコンデンサ、すなわち出力コンデンサ４００に接続することが有利であり得る。
【００４１】
ＤＣ／ＤＣ変換器セル１０がフィードバック能力を有する必要がない場合は、個々のパワースイッチは、当分野における通常の方式に従って、外部回路に応じて、電気弁、すなわちダイオードに置き換えることが可能であろう。
【００４２】
図５は、外部回路を含むＤＣ／ＤＣ変換器セル装置３０を模式的に示す。このＤＣ／ＤＣ変換器セル装置３０は、互いに接続される２つのＤＣ／ＤＣ変換器セル１０ａ／ｂから構成される。これを実現するため、第１ＤＣ／ＤＣ変換器セル１０ａの第３入力接続点１３が、第２ＤＣ／ＤＣ変換器セル１０ｂの第１入力接続点１１に接続される。第１ＤＣ／ＤＣ変換器セル１０ａの第２出力接続点１５は、同様に、必然的にそれぞれのＤＣ／ＤＣ変換器セル１０ａ／ｂ内部の内部接続によって、第２ＤＣ／ＤＣ変換器セル１０ｂの第１出力接続点１４に接続される。
【００４３】
第１ＤＣ／ＤＣ変換器セル１０ａの第１入力接続点１１は、第２ＤＣ／ＤＣ変換器セル１０ｂの第３入力接続点１３と同様に、上記の各変換器セルの接続された入力接続点と同じく、ＤＣ／ＤＣ変換器セル装置３０の外部接続を形成しない。
【００４４】
実際のところ、ＤＣ／ＤＣ変換器セル装置３０の２つの入力端３１、３２は、各ＤＣ／ＤＣ変換器セル１０ａ／ｂの２つの第２入力接続点１２から形成され、この場合、光起電力モジュールの形態であるＤＣ電源２０に接続される。この実施形態におけるＤＣ／ＤＣ変換器セル装置３０の出力端３４、３５は、ＤＣバスシステム４０に接続されているが、インバータデバイスに直接接続することも同様に可能である。
【００４５】
図６は、ＤＣ／ＤＣ変換器セル装置３０の回路の５レベルの実施形態を示す。この場合、ＤＣ／ＤＣ変換器セル装置３０を形成するＤＣ／ＤＣ変換器セル１０ａ／ｂは、それぞれただ１つの段を有している。この段そのものは、各段ごとに上述の方式で３つのコンデンサＣ＿１１〜Ｃ＿１３に接続されるそれぞれ４個のパワースイッチＳ＿ｏ１１〜Ｓ＿ｏ４１、Ｓ＿ｕ１１〜Ｓ＿ｕ４１の１つの上部直列回路および１つの下部直列回路によって形成される。
【００４６】
この場合、ＤＣ／ＤＣ変換器セル装置３０の入力端３１、３２の下流側に、それぞれコイル３２０、３２２が設けられる。この２つのコイル３２０、３２２は、前記の場合と同様に、必ずしも必要ではないが共通の芯３２４によって磁気連結することが有利である。ＤＣ電源２０が入力端３１、３２に接続されるが、それにより、その電源２０の正極が、内部的には第１ＤＣ／ＤＣ変換器セル１０ａの第２入力接続点１２に相当するＤＣ／ＤＣ変換器セル装置３０の入力端３１に接続される。これと同様に、ＤＣ電源２０の負極は、内部的には第２ＤＣ／ＤＣ変換器セル１０ｂの第２入力接続点１２に相当するＤＣ／ＤＣ変換器セル装置の入力端３２に接続される。さらに、図２に関連して上に既述したような機能を有する入力コンデンサ２００が、ＤＣ／ＤＣ変換器セル装置３０の入力端３１、３２の間に設けられる。
【００４７】
この実施形態においては、特定の用途用として有利な別の付加的な出力端３６が、ＤＣ／ＤＣ変換器セル装置３０に関して示されている。この付加的な出力端３６は、第１ＤＣ／ＤＣ変換器セル１０ａの第２出力接続点１５の電位を、従って第２ＤＣ／ＤＣ変換器セル１０ｂの第１出力接続点１４の電位をも生成する。この電位は、ＤＣ／ＤＣ変換器セル装置の出力端に配置される負荷４４、４６を均衡させるためのＤＣ受電端として用いることができ、さらに追加的にアース電位ＧＮＤとすることもできる。
【００４８】
図７は、ＤＣ／ＤＣ変換器セル装置の種々の実施形態の出力電圧の相対的脈動波のシミュレーションを、先行技術と比較して示している。図７では、変換器ステージとして半ブリッジ回路を有する既知の変換器回路の脈動波Ｗ２が、相対的な脈動波値１として表現されている。これと対照的に、上部および下部の各直列回路に４個のパワースイッチを有する５レベルのＤＣ／ＤＣ変換器セル装置は、正規化された脈動波値Ｗ４を０．２５に低減し、一方７レベルの変換器セル装置における上部および下部の各直列回路の６個のパワースイッチは、正規化された脈動波値Ｗ６を、０．１を僅かに超える値に低減する。
【００４９】
このことから、本明細書に提案するＤＣ／ＤＣ変換器セル装置およびＤＣ／ＤＣ変換器セルが、上部および下部の各直列回路のパワースイッチの個数の増大と共に、出力電圧の脈動波を大幅に低減することが明らかである。同時に、入力端に設ける必要があるかもしれないコイルを、既知の設計基準に比べて低インダクタンスのものにすることが可能である。多数のパワースイッチを有する回路の複雑性が、信号品質の向上と付加回路に関するコストの低下とをもたらしている。
【００５０】
図８は、フィードバック能力を備えたＤＣ／ＤＣ変換器回路５０であって、第１変換器デバイス６０および第２変換器デバイス１０から構成されるＤＣ／ＤＣ変換器回路５０を示す。この場合、第１変換器デバイスは、先行技術に従って設計され、ＤＣ／ＤＣ変換器回路５０に対する入力電圧を、最大で係数３だけ、しかし好ましくは係数２だけ小幅に増大する。この第１変換器デバイス６０には、第２の変換器デバイスがＤＣ電圧連結によって接続される。すなわち、第１変換器デバイスは、その出力端６４、６５において、第２変換器デバイス１０に対する入力ＤＣ電圧として用いられる出力ＤＣ電圧を生成する。２つの変換器デバイス５０、１０の操作方法に応じて、このＤＣ電圧接続の一部として、コイル５８が全く設けられないか、あるいは少なくとも１つのラインに付加的なコイル５８が設けられる。同様に、付加的なコンデンサ５９を、このＤＣ電圧接続の両極間に設けることが可能である。
【００５１】
第２変換器デバイス１０は、上述のＤＣ／ＤＣ変換器セル、またはＤＣ／ＤＣ変換器セル装置によって形成されるが、これは図示されていない。
【００５２】
ＤＣ電源は、フィードバック能力を備えたこのＤＣ／ＤＣ変換器回路の入力端５１、５２に既知の方法で接続される。この場合、正極は、第１変換器デバイスの各段の中心点にその第１入力端６１経由で接続され、一方、負極は、第１変換器デバイス６０の第２入力端６２に接続され、さらに、その出力端６５を経由してＤＣ／ＤＣ変換器セル１０の第３入力接続点１３に接続される。さらにまた、ＤＣ／ＤＣ変換器回路５０の２つの入力端５１、５２のいずれか、図示の場合第２入力端５２、すなわち負極の入力端はアース電位にすることができる。これとは独立に、ＤＣ電源２０の２極の間と、ＤＣ／ＤＣ変換器回路５０の入力端５１、５２の間とに、入力コンデンサ２００を設けることも可能である。
【００５３】
この場合も、一般化をなんら制限することなく、フィードバック能力を備えたＤＣ／ＤＣ変換器セル５０の出力端５４、５５に、上述の形態のＤＣバスシステム４０が設けられている。
【００５４】
光起電力システムを備えた装置から派生し得る典型的な値は、ＤＣ／ＤＣ変換器回路５０に対する入力電圧、すなわちＤＣ電源の出力が１２５Ｖ〜３００Ｖ、ＤＣバスシステムに対するＤＣ／ＤＣ変換器回路の所要の出力電圧が１５００Ｖ、そして変換電力が１２５ｋＷになるであろう。この場合、１０００Ａまでの入力電流の場合には、また現在利用可能なパワー半導体モジュールの知識によれば、第１および第２変換器デバイス両者の多段構成の実施形態が適切かつ必要であることが明らかである。
【００５５】
有利な方法として、フィードバック能力を備えたＤＣ／ＤＣ変換器回路は、第１変換器デバイスが入力電圧を３００Ｖに上昇させ、第２変換器デバイスがこの値に一定の係数５を乗じて増大させるように操作される。この場合、この第２変換器デバイスは、上部および下部の各直列回路に５個のパワースイッチを有する６レベルのＤＣ／ＤＣ変換器セルの形態であることが有利である。この実施形態においては、かつこの方法を用いると、第１変換器デバイスの出力端と第２変換器デバイスの入力端との間に、別のいかなる構成要素をも設ける必要がなくなり、特にコイルを設ける必要がなくなり得る。
【００５６】
第２変換器セルがＤＣ／ＤＣ変換器セルの形態である場合には、ＤＣ／ＤＣ変換器回路全体を、上述のＤＣ／ＤＣ変換器セル装置の実施形態に類似するように展開して、フィードバック能力を備えたＤＣ／ＤＣ変換器回路を形成することも可能である。これを実現するため、第２ＤＣ／ＤＣ変換器回路が、上の記載と同様に、その負の電位においてＤＣ／ＤＣ変換器回路に加えられる。
【符号の説明】
【００５７】
１０  ＤＣ／ＤＣ変換器セル
１０ａ  ＤＣ／ＤＣ変換器セル
１０ｂ  ＤＣ／ＤＣ変換器セル
１１  入力接続点
１２  入力接続点
１３  入力接続点
１４  出力接続点
１５  出力接続点
２０  ＤＣ電源
３０  ＤＣ／ＤＣ変換器セル装置
３１  入力端
３２  入力端
３４  出力端
３５  出力端
３６  付加的な出力端
４０  ＤＣバスシステム
４２  インバータ
４４  負荷
４６  負荷
５０  ＤＣ／ＤＣ変換器回路
５１  入力端
５２  入力端
５４  出力端
５５  出力端
５８  付加的なコイル
５９  付加的なコンデンサ
６０  第１変換器デバイス
６１  入力端
６２  入力端
６４  出力端
６５  出力端
１００  変換器ステージ
１０２  上部直列回路
１０４  下部直列回路
１２０  コイル
１２２  コイル
１２４  芯
１３０  ＩＧＢＴ
１３２  フリーホイーリングダイオード
２００  入力コンデンサ
３２０  コイル
３２２  コイル
３２４  芯
４００  出力コンデンサ
６００  コイル
６１０  コイル
【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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