(57)【要約】  本発明は、ＤＣ−ＤＣコンバータと、ＤＣ−ＤＣコンバータを有するＤＣネットワークと、ＤＣ−ＤＣコンバータを有するＤＣネットワークを動作する方法に関する。ＤＣ−ＤＣコンバータは、半導体スイッチを有する２つのブリッジ接続と、当該ブリッジ接続の間に設けられた変圧器と、を有する回路構成を具備する。変圧器は、変圧比の切り替えが可能なタップ切替器を有する。変圧比の選択により、ＤＣ−ＤＣコンバータの形態のデュアルアクティブブリッジのソフトスイッチング範囲が拡大できる。したがって、スナバとして完全に容量性のスナバが利用でき、スイッチング損失が低減できる。【選択図】図２
2017526331.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体スイッチ（１０）を有する２つのブリッジ接続（３、２、４）と、当該ブリッジ接続（３、２、４）の間に設けられた変圧器（５）と、を有する回路構成を具備するＤＣ−ＤＣコンバータ（１）であって、
前記変圧器（５）は、変圧比の切り替えが可能なタップ切替器（７）を有する、
ことを特徴とする、ＤＣ−ＤＣコンバータ。
【請求項２】
クロック周波数を上げるため、前記半導体スイッチ（１０）として、シリコン半導体、又はシリコンカーバイド系若しくは窒化ガリウム系半導体が設けられる、
ことを特徴とする、請求項１に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ。
【請求項３】
前記変圧器として、自動変圧器が設けられる、
ことを特徴とする、請求項１又は２に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ。
【請求項４】
前記ＤＣ−ＤＣコンバータ（１）がギガワット動作範囲で使用できるよう、電力半導体スイッチとしてのＩＧＢＴ（１１）又はＩＧＣＴが前記半導体スイッチ（１０）として複数設けられ、前記電力半導体スイッチそれぞれに対してダイオード（１３）が好ましくは逆並列に接続される、
ことを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ。
【請求項５】
前記ＤＣ−ＤＣコンバータ（１）は、３相ＤＣ−ＤＣコンバータ（２７）である、
ことを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ。
【請求項６】
各半導体スイッチ（１０）に対して並列なスナバ回路（１５）として、スナバコンデンサ（１７）が１つのみ設けられている、
ことを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ。
【請求項７】
前記変圧器（５）の前記変圧比を切り替えるための前記タップ切替器（７）は、オフに切り替え可能な電力半導体スイッチを有する、
ことを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ。
【請求項８】
前記タップ切替器（７）は、前記変圧器（５）の前記変圧比を切り替えるための、オフに切り替え不能な電力半導体、好ましくはサイリスタを有する、
ことを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ。
【請求項９】
請求項１から８のいずれか一項に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ（１）を少なくとも１つ有するＤＣネットワークであって、
前記ＤＣネットワークは、前記ＤＣ−ＤＣコンバータ（１）に対応付けられる少なくとも１つの電力貯蔵システムを有し、最小電流が前記ＤＣ−ＤＣコンバータ（１）の動作に必要な所定の最小電力に満たない場合、前記ＤＣ−ＤＣコンバータ（１）の動作を開始するために、前記電力貯蔵システムにより追加で電力を供給できる、
ことを特徴とする、ＤＣネットワーク。
【請求項１０】
請求項１から８のいずれか一項に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ（１）を少なくとも１つ有するＤＣネットワークを動作する方法であって、
発電機により提供される電流により、前記ＤＣ−ＤＣコンバータ（１）が送信できない所定の最小電力未満の電力を提供するステップと、
所定の最小電力を超えるように、前記発電機に対応付けられた電力貯蔵システムから追加の電力を供給するステップと、
前記発電機及び前記電力貯蔵システムにより提供された電力を、前記ＤＣ−ＤＣコンバータ（１）により前記ＤＣネットワークに供給するステップと、を含む、方法。
【請求項１１】
請求項１から８のいずれか一項に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ（１）を有するＤＣネットワークであって、
好ましくは再生可能エネルギー発電機、特に風力発電所である、少なくとも１つのエネルギー発電機は、前記ＤＣ−ＤＣコンバータ（１）を有する、又は前記ＤＣ−ＤＣコンバータに対応付けられる、前記ＤＣネットワークに設けられ、前記ＤＣ−ＤＣコンバータ（１）を介して、前記エネルギー発電機により生成された電流が前記ＤＣネットワークに供給される、
ことを特徴とする、ＤＣネットワーク。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、変圧器を有するＤＣ−ＤＣコンバータに関わる。２つのブリッジ接続を有するＤＣ構成はデュアルアクティブブリッジ（ＤＡＢ）と呼ばれ、変圧器を間に配することで、例えば風力発電所、太陽光発電所のような発電要素や、蓄電池装置のような貯蔵システムのような発電要素や、例えばドライブのような電気負荷をＤＣネットワークに接続可能となる。さらに、この構成により、電圧が同じ又は異なるＤＣネットワーク同士も接続できる。変圧器は、確実なガルバニック絶縁を実現する。
【背景技術】
【０００２】
「大電力用３相ソフトスイッチング高出力密度ＤＣ−ＤＣコンバータ（Ａ  Ｔｈｒｅｅ−Ｐｈａｓｅ  ｓｏｆｔ−ｓｗｉｔｃｈｅｄ  Ｈｉｇｈ−Ｐｏｗｅｒ−Ｄｅｎｓｉｔｙ  ｄｃ／ｄｃ  Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ  ｆｏｒ  Ｈｉｇｈ−Ｐｏｗｅｒ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ）」（ＩＥＥＥ（米国電気電子技術者協会）産業応用部門年次会議（Ｉｎｄｕｓｔｒｙ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  Ａｎｎｕａｌ  Ｍｅｅｔｉｎｇ），１９８８年）という題の文書、及び発明の名称「デュアルアクティブブリッジを使用してＤＣ／ＤＣ変換を行う電力変換装置（Ｐｏｗｅｒ  ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ  ａｐｐａｒａｔｕｓ  ｆｏｒ  ＤＣ／ＤＣ  ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ  ｕｓｉｎｇ  ｄｕａｌ  ａｃｔｉｖｅ  ｂｒｉｄｇｅｓ）」の米国特許第５，０２７，２６４には、３相式ＤＣ−ＤＣコンバータが開示されている。当該ＤＣ−ＤＣコンバータでは、２つのブリッジ接続の間に変圧器が配置される。このＤＣ−ＤＣコンバータは、ワット級からギガワット級までの利用範囲を誇る。ここでは、全てのパワーエレクトロニクススイッチング回路はソフトスイッチング範囲で動作する。これにより、スイッチング動作による損失は低減でき、スイッチング周波数を上げることができる。
【０００３】
独国特許出願公開第３７２１５９１Ａ１には、一次側の変圧器の変圧比を切り替える方法が開示されている。変圧器は、特に中周波数変圧器であり、動作中の電圧及び電流の範囲が広い。このような変圧器は、Ｘ線管に電力供給するＸ線発生装置における高電圧発電機に使用される。変圧器には、印加電流及び電圧を調整するため、変圧器の変圧比を変更できるタップ切替器が設けられている。変圧比の切り替えにより、一次電流が低減され、更に電源電流消費及び変圧器上流に接続された制御要素を介した電流の流れが低減される。切替動作の際にタップ切替器の接続要素に負荷がかからず、ほぼ完全に劣化が防止されるよう、変圧比を切り替えるためのタップ切替器の上流の一次側でスイッチＯＦＦ動作を行う。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、より高効率を実現できるＤＣ−ＤＣコンバータを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この目的は、デュアルアクティブブリッジのソフトスイッチング範囲を拡大するデュアルアクティブブリッジ構成により達成される。デュアルアクティブブリッジＤＣ−ＤＣコンバータのソフトスイッチング動作範囲は、送信される電力や、入力電圧と出力電圧との比に左右される。ソフトスイッチング動作範囲では、使用される半導体のスイッチング損失が最小限に抑えられ、最大限のシステム効率が得られる。本発明の目的は、タップ切替器を備える変圧器を使用することによって達成される。タップ切替器は、変圧比を可変とし、これにより動作がソフトスイッチング範囲内に留まる。
【０００６】
特に、入力電圧と出力電圧との差が大きい場合、動作がソフトスイッチング範囲から逸脱してしまう。そして、スイッチング損失が増大し、効率が低下する。変圧器の変圧比を変更することで、ソフトスイッチング範囲内を維持することが可能となる。
【０００７】
本発明の有利な実施形態では、スイッチングオフ損失を最小限に抑えるため、半導体スイッチにコンデンサが並列に接続される、完全に容量性のスナバが使用される。スナバコンデンサのみが利用されると、ソフトスイッチング範囲内に動作をとどめざるを得ず、ＤＣ−ＤＣコンバータの拡大なしにしてこの範囲を逸脱することはできない。この限定要素は、ＤＣ−ＤＣコンバータが、電圧が異なる２つのＤＣネットワーク間の接続に供される場合や、非常に大きな電圧変動を伴う電力貯蔵システムがＤＣネットワークに組み込まれるような場合に深刻となる。
【０００８】
ガルバニック絶縁が不要な好適な実施形態では、変圧器として自動変圧器が利用される。自動変圧器は、とても低価格で市販されている。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
本発明の実施形態を、以下の図を参照して説明する。
【図１】切替可能変圧器を備える単相デュアルアクティブブリッジの概略図。
【図２】電源スイッチ、保護コンデンサ（スナバ）及び逆並列接続ダイオードを備える単相デュアルアクティブブリッジＤＣ−ＤＣコンバータの回路図。
【図３】機械式タップ切替器を有する３相デュアルアクティブブリッジ用の変圧器を示す図。
【図４】半導体スイッチを有するタップ切替器を備えた変圧器の回路図。
【図５】ソフトスイッチング範囲を示すグラフ。
【図６】３相デュアルアクティブブリッジの概略図。
【図７】タップ切替器を有する３相デュアルアクティブブリッジの回路図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図１は、単相ＤＡＢと略される単相デュアルアクティブブリッジ２５の形態をとるＤＣ−ＤＣコンバータ１の概略図である。ＤＡＢは、直流電流が交流電流に変換される第１ブリッジ接続３を有する。交流電流は、タップ切替器７を備える変圧器５により変換される。タップ切替器７により、変圧器の変圧比ｎが設定可能である。タップ切替器７は、高電圧側及び低電圧側に利用できる。変圧器により生成された交流電流は、後段の第２ブリッジ接続３により直流電流に戻される。このように、ＤＡＢの一方に存在する直流電圧は、異なる直流電流に変換できる。リップルとも称する電圧変動を平滑化できる平滑コンデンサ６がＤＡＢの両側に存在する。このような電圧変動やリップルは、接続されたシステム（例えば、ケーブルネットワーク、架空線システム）における故障や、ＤＡＢそのものの切替動作により生じ得る。
【００１１】
図２は、単相ＤＡＢ２５の回路図を示す。回路図は、ブリッジ接続３の構成を示す。図示の実施形態では、同一のブリッジ接続３が変圧器５の両側に構成される。各ブリッジ接続３は、ブリッジ接続内に半導体スイッチモジュール９を４つ有する。各半導体スイッチモジュール９は、半導体スイッチ１０としてＩＧＢＴ１１を有する。技術的には、ＭＯＳＦＥＴ又はＩＧＣＴその他半導体も同様に利用可能である。ＭＯＳＦＥＴ及び逆導通ＩＧＢＴは、一方がソフトスイッチング範囲にとどまる限り、逆並列ダイオードを必要としない。しかしながら、この実施形態では、半導体スイッチに逆並列接続されたダイオード１３が示されている。スナバ１５として、Ｃスナバ１７とも称するコンデンサ１７が、並列に半導体スイッチ１０に接続されている。変圧器は、２つのブリッジ接続、つまり、ＤＣ−ＤＣコンバータ１の２つの側をガルバニック絶縁する。ここでも、平滑コンデンサ６はブリッジ接続３に並列に接続されている。
【００１２】
ガルバニック絶縁は、ＤＡＢ１の設計、及び変換された直流電圧の高品質化という点で有効であり、さらに接続されたシステム（入出力両側）で生じる誤動作や故障の拡散を防止する。
【００１３】
ガルバニック絶縁をすれば、ＤＡＢの半導体スイッチモジュール９、接地電位からのＤＡＢの絶縁、及び接続要素（ケーブル、発電機、モータ、保護装置、電力貯蔵システム等）からのＤＡＢの絶縁は、変圧器５の対応する側で生じ得る最高電圧に合わせて設計しさえすればよい。これは、変圧器５の巻数比により入力と出力とで定格電圧が異なるような場合に特に有効である。
【００１４】
ＤＣ−ＤＣコンバータにおけるガルバニック絶縁は、直流電流が交流電流に変換される場合にのみ可能である。変圧器５によるガルバニック絶縁後、交流電流が再び整流される。直流電流における電圧変動（リップル）は、生成される交流電流の品質に影響する。変圧器５のフィルタ効果により、特定の故障又は変動が変圧器５の一側で生じても、他側に伝達されない。その結果、交流電流が直流電流に変換された後は、このような電圧変動（リップル）は存在しなくなる。これにより、後段のＤＣリンクコンデンサにより安定化される変換電流の品質が向上する。
【００１５】
このような電圧変動やリップルは、接続システム（例えば、ケーブルネットワーク、架空線システム）における故障により生じ得る。このような故障は、ガルバニック絶縁されたＤＣ−ＤＣコンバータを使用すれば絶縁される。ガルバニック絶縁により、故障（例えば、元々独立した電力ネットワーク間での短絡等）の発生による、接地電位に対するシステム電圧の異常な上昇も、変圧器により生じない。
【００１６】
したがって、ＤＡＢは将来的なＤＣネットワークで使用される適切な構成を成す。ＤＡＢは、２つの電力配信網間で、電力の流れを規制するための制御要素として利用できる。ＤＡＢは、再生可能エネルギー源（風力、太陽光等）と電力貯蔵システムとを繋げるために使用することも可能である。このような分野での用途におけるＤＡＢでは、電力が数メガワットの範囲に及ぶ。複数のＤＡＢを直列、そして並列に接続することで、総出力が部分出力の総計に相当するＤＡＢシステムを構築できる。
【００１７】
Ｃスナバ１７、ＲＣスナバ、及びＲＣＤスナバは全て、本稿記載のＤＡＢ１に使用可能である。全てのスナバ回路１５は、半導体スイッチ１０（ＩＧＢＴ、ＩＧＣＴ、ＭＯＳＦＥＴ）及びダイオード１３に並列に接続される。Ｃスナバ１７は、単純なコンデンサであり、ＲＣスナバは、コンデンサと抵抗が直列接続されたものであり、ＲＣＤスナバは、ＲＣスナバの抵抗にダイオードを追加したものである。Ｃスナバ１７は、「無損失スナバ」とも称され、最も有効な手段となる。しかしながら、Ｃスナバ１７が使用されると、いかなる状態でも、ソフトスイッチング動作モードから抜けることが不可能となる。これについてはより詳細に後述する。
【００１８】
本稿記載の動作範囲（数メガワットからギガワット範囲まで及ぶ）の性能分類のＤＡＢ１の場合や、入出力電圧が、中電圧範囲（≧１ｋＶ）の場合、半導体スイッチ１０としてＩＧＢＴ１１やＩＧＣＴが使用される。好ましくは、シリコンＩＧＢＴ及びＩＧＣＴが使用される。または、直列接続ＭＯＳＦＥＴも同様に使用可能である。ＳｉＣ及びＧａＮ系半導体も使用可能である。ＩＧＢＴやＩＧＣＴは、市販された高性能部品であり、複雑な直列又は並列接続を必要とすることなく、高電圧の遮断及び切替や、高電流の伝導を可能とするという点で有利である。更なる特徴としては、これら２つの技術は、数メガワット級の用途や、キロヘルツ範囲の一般的スイッチング周波数において効率が高いことが挙げられる。所定の動作範囲に固定することで、半導体スイッチ１０のスイッチングオン損失を最小限にすることができる。半導体スイッチ１０は常に、並列接続されたダイオード１３に電流に流れている場合にのみＯＮとなる。これにより、半導体スイッチ１０を介した電圧がゼロに近づき、実質的にスイッチングオン損失が生じないことが保証される。半導体のスイッチングオフ損失は、いわゆるスナバ回路１５を使用することで低減できる。
【００１９】
ソフトスイッチング動作モードであれば、ダイオード１３は、対応する隣接した半導体スイッチ１０がＯＮの場合に電流を通す。この場合でも同様に、スナバコンデンサ１７の放電が保証される。ハードスイッチング動作範囲であれば、ダイオード１３は電流を流さず、スナバコンデンサ１７が入力電圧に充電される。その後、半導体スイッチ１０がＯＮに切り替えられると、充電されたスナバコンデンサ１７が短絡し、例えばＩＧＢＴ／ＩＧＣＴのような半導体スイッチ１０を介して放電される。これにより部品が破壊され得る。したがって、ソフトスイッチング動作モードにより、ＤＡＢ１の効率が上がるだけでなく、無損失スナバの使用が可能となる。
【００２０】
別の態様では、無損失スナバの利用性が限定される。即ち、ソフトスイッチング動作モードにおいて負荷電流によりスナバコンデンサ１７が放電される。スナバコンデンサ１７ａが放電されると、電流はダイオード９ａ（コンデンサ１７ａに対して並列）を通じて流れる。隣接した回路遮断器１０ｂがＯＦＦに切り替えられたスナバコンデンサ１７ｂの充電は、直接ＯＮされる電力半導体スイッチ１０ａと並列なコンデンサ１７ａの放電と同様にして行われる。負荷電流が十分大きくないと、半導体スイッチ１０ａがＯＮになる前にスナバコンデンサ１７ａが放電できない。ハードスイッチング動作モード同様、これにより部品が破壊され得る。したがって、無損失スナバの利用性はハードスイッチング動作範囲だけでなく、ＤＡＢ１により送信される最小電力（最小電流）によっても限定される。
【００２１】
風力発電所において利用されるＤＡＢから送られる電力が十分に大きいものでないと、ＤＡＢの無損失スナバによる動作を開始できない。電力貯蔵システム（ここでは不図示）を使用すれば、最小電力を得るために必要な不足電力をシステムに加えることができる。これにより、スナバコンデンサ１７を備えるＤＡＢの動作が開始できる。
【００２２】
入力電圧の出力電圧に対する比ｄが１から大きく乖離すると、変圧器電流は変圧器電圧から大きく遅延することはなく、半導体はソフトスイッチングモードで動作しなくなる。図５は、ｄ及び送信される電力の関数の範囲を示す。ソフトスイッチング動作モードでの損失とは別に、ｄが１から乖離するとＤＡＢの効率も低下する。
【００２３】
変圧器５の巻数比を調整することで、ソフトスイッチング動作範囲を拡大できる。巻線に沿うタップを変更することで、タップ切替器７により巻数比を調整できる。タップ切替器７ひいては巻線に沿うタップは、図３に示すように機械的に実現したり、図４に例示するよう、或いは「ソリッドステート負荷時タップ切替変圧器への新たなアプローチ（Ａ  Ｎｅｗ  Ａｐｐｒｏａｃｈ  ｔｏ  Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ  Ｏｎ  Ｌｏａｄ  Ｔａｐ  Ｃｈａｎｇｉｎｇ  Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒｓ）」（ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎ  ｏｎ  Ｐｏｗｅｒ  Ｄｅｌｉｖｅｒｙ），ｖｏｌ．１３，ｎｏ．３，１９９８年７月）という題の文書に記載の通りに電子的に実施できる。電子的構成の場合、可能であれば２つの同一要素の逆並列接続により、双方向電流伝導を可能とする電力半導体を介して、各種タップ動作が実現される。適切な電力半導体は、設定される巻数比に応じてＯＮ、ＯＦＦが切り替えられる。変圧器５の巻線は、図３及び４において参照符号４３により示される。電子的構成では、ＯＦＦに切り替えられる電力半導体３５や、ＯＦＦに切り替えられない電力半導体３５（具体的にはサイリスタ）を使用できる。変圧器に設けられた巻数比設定用のタップ切替器は、少なくとも２つの状態が実現可能となるように構成される。好適な実施形態としては、変圧器で任意の異なる数の巻数比を設定できるタップ切替器が望ましい。図５は、ハードスイッチング動作範囲及びソフトスイッチング動作範囲を示す図である。縦軸、つまり、ｙ軸は、様々な値のｄに対する角度φに応じた標準電力Ｐｏを表す。ここでは、ｄはＤＣ−ＤＣコンバータの電圧比を示す。入力電圧と出力電圧との電圧比ｄは、変圧器５の変圧比にも左右される。タップ切替器７により、変圧器５の電圧比を変更できる。したがって、ソフトスイッチング範囲に戻すよう又は維持するよう、電圧比ｄを変更できる。
【数１】
2017526331.tif 000003
【数２】
2017526331.tif 000004
このように、巻数比又は変圧比ｎを変更することで、入力電圧Ｖｐ又は出力電圧Ｖｓ、Ｖｓ'への影響を回避できる。目的は、ｎを調整することによって、ｄに影響を与えることである。
【００２４】
デュアルアクティブブリッジ構成のソフトスイッチング範囲は、変圧比ｎがタップ切替器で変更可能な変圧器により拡大できる。ソフトスイッチング範囲は、半導体スイッチ１０がＯＦＦになっても半導体モジュール９が導通される範囲である。入力側のブリッジ接続３のソフトスイッチング範囲の境界線３７が図面に描かれている。さらに、出力側のブリッジ接続のソフトスイッチング範囲とハードスイッチング範囲との境界線３９も描かれている。これら境界線内の動作は、動作パラメータに応じて巻数比に影響を及ぼす上位規制部により保証される。
【００２５】
図６は、３相ＤＡＢ２７を示す。当該３相ＤＡＢ２７は、入力側に第１ブリッジ接続２を有し、出力側にブリッジ接続４を有する。双方向ブリッジ接続３により、直流電流と交流電流との間の変換が行われる。
【００２６】
そして、ブリッジ接続間には、タップ切替器７を備えた変圧器５が存在する。そして、平滑コンデンサ６が入力側及び出力側に存在する。
【００２７】
図７は、３相ブリッジ接続の詳細を示す。３相交流電流は、以下の構成により提供される。即ち、６つの半導体モジュール９が変圧器５の入力側のブリッジ接続３に接続され、同様に６つの半導体モジュール９が変圧器５の出力側のブリッジ接続３に接続される。各半導体モジュール９は、半導体スイッチ１０を有する。適用され得る分野においては、ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ、ＩＧＣＴのような、Ｇａｎ、シリコン、さらにシリコンカーバイド要素を全て利用できる。半導体スイッチ１０の設計によっては、ダイオード１３及びスナバコンデンサ１７は、半導体スイッチ１０に並列に接続される。
【００２８】
概して、スナバコンデンサ１７を有しない構成の単相ＤＡＢ（１ｐ−ＤＡＢ）又は３相ＤＡＢ（３ｐ−ＤＡＢ）でも、タップ切替器を使用すれば、効率が向上する。１から大きく乖離しない電圧比のＤＣ−ＤＣコンバータの動作では、変圧器の無効電力が低くなる。したがって、変圧器、さらには２つのパワーエレクトロニクスコンバータの損失が低くなる。無効電力が低減すれば、より小さな変圧器を構成できる。これにより、材料が少なくなり、コストが下がる。
【００２９】
元来、単相ＤＡＢ（１ｐ−ＤＡＢ）２５と３相ＤＡＢ（３ｐ−ＤＡＢ）２７は区別されるべきである。１ｐ−ＤＡＢ２５には、必要な半導体スイッチ１０の数が、具体的には８つと少なく、効率を最適化するため（ソフトスイッチング動作モード）に、幅広い動作方式が利用可能という点で有利である。一方、３ｐ−ＤＡＢ２７は、半導体スイッチ１０を１２個使用する。３ｐ−ＤＡＢ２７の利点としては、変圧器５及び平滑コンデンサ６のような必要な受動部品のサイズ設計により、１ｐ−ＤＡＢ２５と比較して、より小型化できることが挙げられる。３ｐ−ＤＡＢ２７でも同様のソフトスイッチング動作モードが可能である。
【００３０】
変圧器５における磁束鎖交により、使用される変圧器コアの必要な断面積が決定される。１ｐ−ＤＡＢ２５により、３ｐ−ＤＡＢ２７の場合と同じ磁束鎖交を生成するには、３ｐ−ＤＡＢ２７の電圧に対して、入力電圧又は出力電圧は４４％までとなる。逆に、１ｐ−ＤＡＢ２５と３ｐ−ＤＡＢ２７における直流電流が同じであれば、１ｐ−ＤＡＢにおける変圧器５の断面積、つまりサイズ（コスト）は、３ｐ−ＤＡＢ２７の変圧器５よりも大きい。
【００３１】
３ｐ−ＤＡＢ２７における直流電流のリップルは、１ｐ−ＤＡＢ２５におけるリップルと比較して小さい。その結果、１ｐ−ＤＡＢ２５の入力及び出力における平滑コンデンサ６は、より大きい容量を有する必要がある。これは特に、入力電圧と出力電圧との動的電圧比ｄが１から乖離している場合に顕著である。この場合、平滑コンデンサが集める電流は非常に大きくなる。これは、サイズ設計において同様に考慮する必要があり、サイズやコストの点で不利となる。
【００３２】
まとめると、具体的には以下の本発明の好適な特徴について述べる。本発明は設備に関するものである。
【符号の説明】
【００３３】
１    ＤＣ−ＤＣコンバータ、デュアルアクティブブリッジ
２    入力側ブリッジ接続
３    ブリッジ接続
４    出力側ブリッジ接続
５    平滑コンデンサ
７    タップ切替器
９    半導体モジュール
１０  半導体スイッチ
１１  ＩＧＢＴ
１３  ダイオード
１５  スナバ回路
１７  スナバコンデンサ
２１  タップ切替器の電力半導体スイッチ
２５  単相ＤＡＢ
２７  ３相ＤＡＢ
３３  タップ切替器のスイッチ
３５  タップ切替器の電力半導体
３７  ソフトスイッチング範囲とハードスイッチング範囲との入力側境界線
３９  ソフトスイッチング範囲とハードスイッチング範囲との出力側境界線
４３  変圧器の一次巻線
４５  変圧器の二次巻線
【図１】
2017526331.tif 000005
【図２】
2017526331.tif 000006
【図３】
2017526331.tif 000007
【図４】
2017526331.tif 000008
【図５】
2017526331.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成29年5月30日(2017.5.30)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体スイッチ（１０）を有する２つのブリッジ接続（３、２、４）と、当該ブリッジ接続（３、２、４）の間に設けられた変圧器（５）と、を有する回路構成を具備するＤＣ−ＤＣコンバータ（１）であって、
前記変圧器（５）は、変圧比の切り替えが可能なタップ切替器（７）を有し、
入力電圧と出力電圧とが大きく相違する場合にも、入力電圧及び出力電圧を変更することなく、前記ＤＣ−ＤＣコンバータ（１）がソフトスイッチング範囲で動作するように、前記変圧比が前記タップ切替器（７）によって調整される、
ことを特徴とする、ＤＣ−ＤＣコンバータ。
【請求項２】
クロック周波数を上げるため、前記半導体スイッチ（１０）として、シリコン半導体、又はシリコンカーバイド系若しくは窒化ガリウム系半導体が設けられる、
ことを特徴とする、請求項１に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ。
【請求項３】
前記変圧器として、自動変圧器が設けられる、
ことを特徴とする、請求項１又は２に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ。
【請求項４】
前記ＤＣ−ＤＣコンバータ（１）がギガワット動作範囲で使用できるよう、電力半導体スイッチとしてのＩＧＢＴ（１１）又はＩＧＣＴが前記半導体スイッチ（１０）として複数設けられ、前記電力半導体スイッチそれぞれに対してダイオード（１３）が好ましくは逆並列に接続される、
ことを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ。
【請求項５】
前記ＤＣ−ＤＣコンバータ（１）は、３相ＤＣ−ＤＣコンバータ（２７）である、
ことを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ。
【請求項６】
各半導体スイッチ（１０）に対して並列なスナバ回路（１５）として、スナバコンデンサ（１７）が１つのみ設けられている、
ことを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ。
【請求項７】
前記変圧器（５）の前記変圧比を切り替えるための前記タップ切替器（７）は、オフに切り替え可能な電力半導体スイッチを有する、
ことを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ。
【請求項８】
前記タップ切替器（７）は、前記変圧器（５）の前記変圧比を切り替えるための、オフに切り替え不能な電力半導体、好ましくはサイリスタを有する、
ことを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ。
【請求項９】
請求項１から８のいずれか一項に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ（１）を少なくとも１つ有するＤＣネットワークであって、
前記ＤＣネットワークは、前記ＤＣ−ＤＣコンバータ（１）に対応付けられる少なくとも１つの電力貯蔵システムを有し、最小電流が前記ＤＣ−ＤＣコンバータ（１）の動作に必要な所定の最小電力に満たない場合、前記ＤＣ−ＤＣコンバータ（１）の動作を開始するために、前記電力貯蔵システムにより追加で電力を供給できる、
ことを特徴とする、ＤＣネットワーク。
【請求項１０】
請求項１から８のいずれか一項に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ（１）を有するＤＣネットワークであって、
好ましくは再生可能エネルギー発電機、特に風力発電所である、少なくとも１つのエネルギー発電機は、前記ＤＣ−ＤＣコンバータ（１）を有する、又は前記ＤＣ−ＤＣコンバータに対応付けられる、前記ＤＣネットワークに設けられ、前記ＤＣ−ＤＣコンバータ（１）を介して、前記エネルギー発電機により生成された電流が前記ＤＣネットワークに供給される、
ことを特徴とする、ＤＣネットワーク。
【請求項１１】
請求項１から８のいずれか一項に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ（１）を少なくとも１つ有するＤＣネットワークを動作する方法であって、
発電機により提供される電流により、前記ＤＣ−ＤＣコンバータ（１）が送信できない所定の最小電力未満の電力を提供するステップと、
所定の最小電力を超えるように、前記発電機に対応付けられた電力貯蔵システムから追加の電力を供給するステップと、
前記発電機及び前記電力貯蔵システムにより提供された電力を、前記ＤＣ−ＤＣコンバータ（１）により前記ＤＣネットワークに供給するステップと、を含む、方法。
【請求項１２】
請求項１から８のいずれか一項に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ（１）を少なくとも１つ有するＤＣネットワークを動作する方法であって、
入力電圧と出力電圧とが大きく相違する場合にも、入力電圧及び出力電圧を変更することなく、前記ＤＣ−ＤＣコンバータ（１）がソフトスイッチング範囲で動作するように、前記変圧比を前記タップ切替器（７）によって調整するステップを含む、方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
本発明の実施形態を、以下の図を参照して説明する。
【図１】切替可能変圧器を備える単相デュアルアクティブブリッジの概略図。
【図２】電源スイッチ、保護コンデンサ（スナバ）及び逆並列接続ダイオードを備える単相デュアルアクティブブリッジＤＣ−ＤＣコンバータの回路図。
【図３】機械式タップ切替器を有する３相デュアルアクティブブリッジ用の変圧器を示す図。
【図４】半導体スイッチを有するタップ切替器を備えた変圧器の回路図。
【図５】ソフトスイッチング範囲を示すグラフ。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２５】
３相ＤＡＢ２７は、入力側に第１ブリッジ接続２を有し、出力側にブリッジ接続４を有する。双方向ブリッジ接続３により、直流電流と交流電流との間の変換が行われる。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２７】
３相交流電流は、以下の構成により提供される。即ち、６つの半導体モジュール９が変圧器５の入力側のブリッジ接続３に接続され、同様に６つの半導体モジュール９が変圧器５の出力側のブリッジ接続３に接続される。各半導体モジュール９は、半導体スイッチ１０を有する。適用され得る分野においては、ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ、ＩＧＣＴのような、Ｇａｎ、シリコン、さらにシリコンカーバイド要素を全て利用できる。半導体スイッチ１０の設計によっては、ダイオード１３及びスナバコンデンサ１７は、半導体スイッチ１０に並列に接続される。
【国際調査報告】
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